【TCP/IP】自定义应用层协议,常见端口号

互联网中,主流的是 TCP/IP 五层协议

  • 5G/4G 上网,是有自己的协议栈,要比 TCP/IP 更复杂(能够把 TCP/IP 的一部分内容给包含进去了)

应用层

可以代表我们所编写的应用程序,只要应用程序里面用到了网络通信,就可以认为这个代码就是属于应用层的代码

日常开发中最常用到的一层:

  1. 使用大佬们已经创建好的应用层协议
    • 应用层知名的协议有很多,其中的佼佼者就是 HTTP
  2. 自己定义应用层协议
    • 另外四层都是操作系统/硬件/驱动已经实现好了的,我们不可能“自定义”,只能使用人家的

协议就是约定

  • 按照自己的规则,约定通讯方式——>自定义应用层协议

自定义应用层协议

自定义应用层协议,具体要做什么事情:

明确要传递的信息

  1. 明确前后端交货过程中,要传递哪些信息

举个例子:开发一个外卖软件,打开软件后,首先需要展示一个“商家列表”
此处就需要先确定传递的信息是什么

  1. 请求:用户是谁(用户的 ID),用户所处的位置
  2. 响应:商家列表,包含多个商家,每个商家信息中,又有商家的名字、图片、距离、评分

这里的信息如何确定,都是根据当前的需求来产生的

明确组织信息的格式

  1. 明确组织这些信息的格式
    针对信息组织格式,也有很多种方式,使用哪种方方式都可以,只要确定前段和后端是同一种方式就可以了

举个例子:使用行文本的方式来组织上述数据

  1. 请求:用户id,用户位置\n
  2. 响应:商家的id,商家名称,商家的图片地址,商家的距离,商家的评分\n

关于组织数据的格式,还有一些说法,上述“行文本”简单粗暴的方案,在实际开发中,很少会这样做


XML 方案

Maven 中就会见到,通过“成对的标签”表示“键值对”信息

<request><userid>1001</userid><postion>E45N60</postion>
</request>
  • 可以通过 XML 来传输网络数据,也可以作为程序的配置文件
  • 不过 XML 进行网络传输的时候,又有一个明显的缺点——会消耗大量的带宽
    • 网络通信中,带宽是一个非常贵的硬件设备
    • 在传输标签的时候,都得传输成对的标签,传入的信息更多
  • 所以现在 XMl 一般都是在配置文件,不进行网络传输了
  • XMl 里面的标签(键值对)都是程序员固定的,而 HTMl 里面的标签都是固定的(已经有一套标准,约定好哪些标签是合法标签,这些标签都是什么含义)

JSON 方案

当前主流的网络通信的数据格式,相比 xml 来说,可读性是很好的,同时能节省一定的带宽

{"userid":1001,"postion":""E45N60"
}
  • JSON 也是“键值对”格式,
    • 键和值之间用 : 分割
    • 键值对之间用 , 分割
    • 所有的键值对,都使用 {} 括起来
  • 这里的标签都只有一份,不需要结束标签了,节省了传递开销

YML(YAML)方案

强制要求了数据组织的格式,强制要求写成“可读性非常高”的格式

  • 键值对必须独占一行
  • “嵌套”结构必须通过缩进来表示

protobuffer方案

前三个方案,都是关注可读性,而 protobuffer 关注性能,牺牲了可读性(通过二进制的方式组织数据)

  • protobuffer 直接通过“位置”约定字段的含义,不需要传输 key 的名字,也会针对传输的数值,进行二进制的编码,起到一些“压缩”的效果
  • 极大地缩减了要传输的数据的体积——>带宽消耗就越小——>效率越高
  • 但二进制数据无法肉眼阅读,调试相关程序的时候,就会比较麻烦

常见端口号

端口号是一个整数,用来区分不同的进程。

  • 同一时刻,同一个机器上,同一个协议,一个端口号只能被一个进绑定
  • 一个进程可以绑定多个端口号
  • 端口号是通过两个字节的无符号整数表示的,取值范围 0~65535,但实际上 0 比较特殊,一般不会使用
    • 1~1023 属于已经被预定好的(有一些知名的服务器,已经提前预定了这个端口),这样的端口称为“知名端口号”(其实里面的大部分服务器已经不再使用了,在 80、90 年代是知名的)
    • 我们日常开发的时候,会避开这些端口

业务端口和管理端口

什么时候会涉及到一个进程(服务器)绑定多个端口?

  • 编写服务器,肯定需要先绑定至少一个端口号,和客户端进行交互(称为“业务端口”)
  • 服务器运行过程中,希望能够对这个服务器的行为,进行一些“控制”
    • 比如让服务器重新加载某个数据/某个配置/修改服务器的某个功能
    • 也可以通过网络通信完成上述功能
    • 就可以让服务器绑定另一个端口,通过这个端口,编写一个客户端,给服务器发送一些“控制类“请求
    • 上面的“另一个端口”就是“管理端口

调试端口

当需要针对服务器运行状态进行检测和调试,需要查看服务器运行中某个关键变量的数值的时候,千万不能用调试器来进行调试,一旦使用调试器调试这个服务,就会使服务器的一些线程被阻塞住,无法给客户端正确提供服务了

  • 虽然可以通过日志进行打印,但是不方便,需要修改代码并重启服务器
  • 可以让服务器绑定另一个端口,然后实现一些相关的打印关键变量的逻辑,客户端发送对应的调试请求
  • 这里的“另一个端口”就是“调试端口

长连接和短连接

长连接

客户端连上服务器之后,一个连接中,会发起多次请求,接收多个响应

  • 一个连接到底进行多少次请求是不确定的,Echo Client 就是这种模式

短连接

客户端连上服务器之后,一个连接只发一个请求,然后就断开连接了

UDP 协议报头

学习一个网络协议,主要就是学习“数据格式”/“报文格式

image.png

源端口/目的端口

  • 端口号是属于传输层的概念
  • UDP 报头使用两个自己的长度来表示端口号
  • 之所以端口号的范围是 0~65535,是因为底层网络协议做出了强制要求
  • 如果使用一个 10 w 这样的端口,就会在系统底层被“截断”
  • UDP 并不关心后面的正文里面是什么数据,只需要关心报头里面是怎么组织的
  • 报头里面分为四个部分,每个部分固定是两个字节(16 bit),里面没有分隔符,就是通过固定长度来进行区分的

网络通信中,涉及到四个关键信息:源 IP/目的 IP源端口/目的端口

  • 源端口:发出数据报那个程序使用的端口号——>发件人电话
  • 目的端口:接受这个数据报的程序使用的端口号——>收件人电话
  • 源 IP:发出数据报那个程序的 IP——>发件人地址
  • 目的 IP:接受这个数据报的程序的 IP——>收件人地址

UDP报文长度

UDP报文长度:报头长度 + 载荷长度

  • 长度单位是字节,
  • 比如,报文长度 1024,——>整个 UDP 数据报就是 1024 字节;由于是两个字节来表示这个长度,所以最大值 65535——64 KB(65536/1024)
  • 64 KB 放在今天,是个很小的数字,所以如果使用 UDP 协议传输一个很大的数据,就会变得很麻烦

UDP 用了好多年,一直挺好用,但随着业务的发展,广告越来越多,越来越复杂,导致一个网络响应数据报的体积越来越大,逐渐逼近 64 KB。一旦数据超过了 64 KB,就可能到值数据被截断,这样广告可能就无法正常显示了。对于这样的情况,有两个解决方案:

  1. 把一个大的数据报,拆分成多个,分别进行传输
    • 很快就被否决了;因为实现分包、组包的过程非常复杂,充满了不确定性
  2. 直接使用 TCP
    • TCP 对于长度没有限制,其自身也带有可靠传输这样的机制,对于整体的通信质量来说也是有利的
    • 代码的修改成本比较低

校验和

前提:网络传输过程中,非常容易出现错误

  • 电信号/光信号/电磁波——>收到环境的干扰,使里面传输的信号发生改变

校验和存在的目的,就是为了能够“发现”或者“纠正”这里的错误。就可以给传输的数据中,引入“额外信息”,用来发现/纠正传输数据的错误

  • 这里的额外信息就是 checksum
  • 如果只是发现错误,需要携带的额外信息,就可以少一些(发现就会丢弃掉,不会让对方重发)
  • 如果是想要纠正错误,携带的额外信息就要更多(消耗更多带宽)

举个例子:你妈让你去买菜,西红柿、鸡蛋、茄子、晃过,最后补充一句“一共四样”

  • 这里的“一共四样”起到的作用就相当于是“校验和”。通过“一共四样”你可以对手里的菜进行检查,有没有买多、买少

但这样的“校验和”并不能准确的识别出问题,而且容易误判。所以我们希望校验和可以更严格地检查数据的内容,可以结合内容/内容的片段来生成校验和

  • 比如你在默写金庸先生的十五部作品的名称,写完后,你可以通过“飞雪连天射白鹿,笑书神侠倚碧鸳”这一幅对联和你写的书名的第一个字对一下,若能对象,就说名此处的名字都是正确的
  • 这样的校验和就是基于内容来进行校验的
  • 虽然出错的数据恰好没有被校验出来,这可情况也是可能会发生的
  • 但是一个良好的校验和算法,可以让上述问题发生的可能性非常低

CRC 校验和(循环冗余校验)

把 UDP 数据报整个数据都进行遍历,分别取出每个字节,往一个两个字节的变量上进行累加

  • 由于整个数据可能会很多,所以加着加着可能就结果溢出了,但溢出也没关系
  • 我们重点关心的不是最终加和是多少,而是校验和结果是否会在传输中发生改变

例如:我们去传输一个 UDP 数据报

  • 发送方整合整个 UDP 数据,基于这些数据,计算得到一个 checksum1
  • 接收方收到的数据:
    1. 数据的内容
    2. 校验和 checksum1
    • 接收方就可以根据数据的内容,按照同样的算法,再算一遍校验和,得到 checksum2
  • 如果传输的数据在网络通信过程中,没有发生任何改变,则一定有 checksum1 == checksum2

MD5 算法

本质上是一个“字符串 hash 算法”
特点

  1. 定长:无论输入的字符串长度多长,算出的 MD5 的结果都是固定长度——>适合做校验和算法
  2. 分散:输入的字符串哪怕只有一点点发生改变,得到的 MD5 的值都会相差很大——>适合做 hash 算法
  3. 不可逆:根据输入内容,计算 MD5 非常简单,但是如果想通过 MD5 值还原出原始的内容,理论上是不可行——>适合作为加密算法

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