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java网络原理4

java 2025/5/6 21:05:49

一、TCP连接异常处理

1.1四次挥手异常：

正常的四次挥手完成后，双方可确认连接关闭并删除保存的信息。若挥手过程中，一方发送的FIN未收到ack，会尝试重传几次FIN。若最终仍未成功挥手，至少自己可删除保存的信息，而对端若关机，其内存数据会丢失。

1.2掉电情况处理

- 接收方掉电：若接收方掉电，发送方继续发送数据却收不到ack，超时重传后仍无ack，达到一定程度，发送方会发送复位报文，放弃当前连接并重新连接。

- 发送方掉电：接收方会感知到发送方突然停止发送数据，会继续阻塞等待新数据。此时引入心跳包机制，接收方和发送方周期性交换“心跳包” （A发无业务数据报文，B返回ack ），若对方无应答，接收方可以单方面释放连接。此机制在分布式系统中尤为重要，用于判断节点存活。

二、IP协议基础

2.1 IP报头：

IP报头最大长度60字节，其中0 - 15位占4字节，且只有4位有效。8位服务类型（ToS ）字段中，4位优先权字段已弃用，剩下4位分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本（四者互斥，只能选其一）。例如，对于ssh/telnet这类应用，最小延时较重要；对于文件传输等，最大吞吐量更关键。

2.2 IP数据包长度与拆包：

IP数据包由报头和载荷组成，单个IP数据报有长度限制，但当携带超过64KB载荷数据时，IP协议支持拆包/组包。传输层数据包太长时，IP自动拆成多个数据报，每个携带部分数据，接收方依据16位标识、3位标志、13位片偏移三个属性进行组包。

2.3生存时间（TTL ）：

TTL表示当前IP数据报在网络上的存活次数，每经路由器转发一次，TTL减1 ，为0时若未到达对方便丢弃。可通过 traceroute （Linux ）或 tracert （Windows ）命令追踪数据报转发路径及中间节点。

三、TCP传输效率优化机制

3.1延时应答：

为提高传输效率，TCP不立即返回ack，而是稍作等待。这样给接收方时间处理更多数据，使接收缓冲区剩余空间更大，让窗口尽量大些（在保证可靠性前提下）。

3.2 捎带应答：

基于延时应答，进一步优化传输效率。在网络通信“一问一答”模型中，服务器收到客户端请求后，不是立即返回ack，而是等计算出响应后，将ack和响应一起返回，减少报文数量。但捎带应答不是100%触发，取决于延时应答和应用程序处理逻辑。

四、TCP面向字节流及粘包问题

4.1 面向字节流特性：

TCP读取/写入操作灵活，如读100字节数据，可一次读10字节，分10次完成；或一次读20字节，分5次完成等。

4.2粘包问题：

接收方接收多个TCP数据报时，去除报头后将载荷放接收缓冲区，由于TCP字节流特性，应用层数据包边界模糊，出现粘包现象。例如发送方发送aaa、bbb、ccc三个应用层载荷，接收方读取时可能有多种组合方式。

- 粘包问题解决：从应用层入手，合理设计协议。如使用特殊分隔符（如 \n ）区分包边界；或在应用层数据包开头约定固定长度，接收方先读固定长度确定后续读取字节数，确保读到完整应用层数据包。UDP不存在粘包问题，因其接收缓冲区机制与TCP不同。

五、TCP协议总结及应用场景

5.1 核心机制总结：

TCP协议包括确认应答、超时重传、连接管理（三次握手、四次挥手）、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延时应答、捎带应答、面向字节流（粘包问题）、异常情况（心跳包）等核心机制。

5.2 协议对比与应用选择：

TCP有连接、可靠传输、面向字节流，适用于大部分需可靠传输场景；UDP无连接、不可靠传输、面向数据报，传输效率高，适用于机房内部等对丢包不敏感、效率要求高场景。还有如KCP等协议，适用于既需一定可靠性又要求高效率的场景，如竞技类网游。

六、代码示例（以Java为例解决粘包问题）

6.1.使用分隔符解决粘包问题

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.PrintWriter;

import java.net.ServerSocket;

import java.net.Socket;

public class DelimiterBasedServer {

public static void main(String[] args) {

try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {

System.out.println("Server started. Waiting for client...");

try (Socket clientSocket = serverSocket.accept()) {

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));

PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

String request;

while ((request = in.readLine()) != null) {

// 处理请求逻辑

System.out.println("Received: " + request);

// 构造响应并发送

out.println("Response to: " + request);

}

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.PrintWriter;

import java.net.Socket;

public class DelimiterBasedClient {

public static void main(String[] args) {

try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

String request = "Hello, Server";

// 发送请求

out.println(request);

// 接收响应

String response = in.readLine();

System.out.println("Received response: " + response);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

上述代码中，服务器端用 BufferedReader 的 readLine 方法读取数据，以 \n 作为分隔符，客户端通过 println 方法发送数据，保证数据按行分隔，解决粘包问题。

6.2.使用固定长度解决粘包问题

import java.io.DataInputStream;

import java.io.DataOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.net.ServerSocket;

import java.net.Socket;

public class FixedLengthBasedServer {

public static void main(String[] args) {

try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {

System.out.println("Server started. Waiting for client...");

try (Socket clientSocket = serverSocket.accept()) {

DataInputStream in = new DataInputStream(clientSocket.getInputStream());

DataOutputStream out = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream());

// 假设约定数据长度为10字节

byte[] buffer = new byte[10];

in.readFully(buffer);

String request = new String(buffer).trim();

// 处理请求逻辑

System.out.println("Received: " + request);

// 构造响应并发送

String response = "Response to: " + request;

byte[] responseBytes = response.getBytes();

out.write(responseBytes);

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

import java.io.DataInputStream;

import java.io.DataOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.net.Socket;

public class FixedLengthBasedClient {

public static void main(String[] args) {

try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {

DataInputStream in = new DataInputStream(socket.getInputStream());

DataOutputStream out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());

String request = "Hello, Server";

// 补全到固定长度10字节

request = String.format("%10s", request);

byte[] requestBytes = request.getBytes();

out.write(requestBytes);

// 接收响应

byte[] responseBuffer = new byte[10];

in.readFully(responseBuffer);

String response = new String(responseBuffer).trim();