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簡(jiǎn)介
程序員天天都在寫(xiě)代碼，網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )關(guān)注的分類(lèi)范圍分類(lèi)都是更高層次的封裝，今天我們換個(gè)思路，包括讓程序那些事來(lái)帶你看一看隱藏在表象之下的按照網(wǎng)絡(luò )和他們的性能分析。
本文主要涉及5個(gè)模塊，連接分別是網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )七層協(xié)議，延遲與帶寬，分類(lèi)范圍分類(lèi)IP，包括TCP，按照UDP。連接
OSI網(wǎng)絡(luò )七層協(xié)議(′_｀)
在講網(wǎng)絡(luò )之前(qian)，網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )一定要提??到OSI網(wǎng)絡(luò )七層協(xié)議。分類(lèi)(lei)范圍分類(lèi)
OSI是包括Open System Interconnect的縮寫(xiě)，意為開(kāi)放式系統互聯(lián)。按照
上圖是連接大家非常??非常熟悉的OSI七層ヽ(′▽?zhuān)?ノ網(wǎng)絡(luò )模??型，和對應的TCP/IP模型。
應用層的功能是文件傳輸，電子郵件和文件服務(wù)等。使用的協(xié)議主要是HTTP，SMTP和FTP。
表示層的功能是數據格式化，代碼轉??換和數據加密。
會(huì )話(huà)層的ヽ(′ー｀)ノ功能是解除或者建立與(yu)其他節點(diǎn)的聯(lián)系。
傳輸層的功能是提供端對端的接口，使用的協(xié)議主要是(?????)TCP和UDP。
網(wǎng)絡(luò )層的功能是為數據包選擇路由，使用的協(xié)議是IP。
數據鏈路層的功能是傳輸有地址的幀，和檢查數據錯誤。
物理層的功能是(╯‵□′)╯以二進(jìn)制數據在物理媒介上傳輸數據。
延遲與帶寬
最近電信業(yè)務(wù)員老是給我打電話(huà)，說(shuō)是要把家里的電信寬帶從100M升級到500M，每天只需要一塊錢(qián)。一塊錢(qián)雖然少，但也是血汗錢(qián)。那么辦還是不辦呢？升級到500M對性能和延時(shí)提升有多大(da)幫助呢？
2020年可以稱(chēng)為中國5G的元年。先不管華為，??中信在5G基站和協(xié)議制定方面的能力。直觀(guān)的感覺(jué)5G手機開(kāi)始多了，手機營(yíng)業(yè)廳也在賣(mài)力的讓你升級??到5G套餐，??那么辦還是不辦？
在回答這兩個(gè)問(wèn)題之前，我們學(xué)習兩個(gè)名(ming)詞：
延遲: 分組從信息源發(fā)送到目的地所需的時(shí)間。
帶寬: 邏輯或物理通信路徑最大的吞吐量。
如果你訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)┐(′?｀)┌網(wǎng)站，比如www.fl(′▽?zhuān)?)ydean.com，我們看一下數據是怎么從服務(wù)器到達你的電腦的。
首先數據從服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)（以太網(wǎng)是??一種計算機局域網(wǎng)技術(shù)）傳輸到ISP。
ISP是啥呢？ISP就是互聯(lián)網(wǎng)服??務(wù)提供商（In(???)ternet Service Provid??er）??，通過(guò)ISP你才能夠把服務(wù)器接入互??聯(lián)網(wǎng)。
互聯(lián)網(wǎng)就(jiu)是通過(guò)主干網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）??之間的相互連接構成的。
所以ISP就是一個(gè)……大代理。
好了，數據傳到為我家提供服務(wù)的ISP了，然后通過(guò)光纖或者電纜線(xiàn)傳到了我家的WiFi，然后通過(guò)WiFi的無(wú)線(xiàn)信號，被我的電腦接收。
延時(shí)的構成
討論分析了數據的傳輸線(xiàn)路，接下來(lái)我們看一下，延時(shí)會(huì )跟哪些原因有關(guān)呢？
首先肯定是信號傳輸的距離，距離越長(cháng)，傳輸速率越慢，需要的時(shí)間就越長(cháng)。
數據上了鏈路之后，處理分組首部、檢查?位錯誤及確定分組目標也需要???時(shí)間。
現在主網(wǎng)絡(luò )的傳輸介質(zhì)基本上都是光纖了，光在光纖中傳播，并不是直線(xiàn)進(jìn)行的，并且也有(you)折射率的影響，所以速??度比光在真空中傳播要慢一點(diǎn)。
比如說(shuō)信號圍繞赤道轉一圈，只需要大概200ms。已經(jīng)很快了。
200ms確實(shí)很快了，但是對于某些實(shí)時(shí)性要求特別高的應用場(chǎng)景，我們可以使用CDN技術(shù)（Content Delivery Network，內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )），把內容部署在全球網(wǎng)絡(luò )中，然后從最近的地方去取數??據。從而大大減少傳輸延時(shí)。
200ms夠快了，但是為什么我??們仍然會(huì )感覺(jué)到網(wǎng)速慢呢？
大家都聽(tīng)過(guò)木桶原理吧，木桶能夠裝的水，決定于最短的那塊木板。同樣的對??于網(wǎng)絡(luò )延時(shí)來(lái)說(shuō)，提升速度不在于你在主干網(wǎng)上ヽ(′?｀)ノ采用了多么先進(jìn)的技術(shù)，因為提升的再多或者再差也是毫米級的。
真正決定網(wǎng)速的在于最后一公里，也就是你電纜線(xiàn)的傳輸速率，你的wifi的傳輸速率，還有你電腦的處理速率等。
能接入更高帶寬固然好，特別是傳輸大塊數據時(shí)更是如ヽ(′▽?zhuān)?ノ此，比如在線(xiàn)聽(tīng)音樂(lè )、看視頻，或者下載大文件?？墒?，日常上網(wǎng)瀏覽需要的是從數十臺主機獲取較小的資源，這時(shí)候往返時(shí)間就成了瓶頸。
IP協(xié)議
IP，即 Internet Protocol（因特網(wǎng)協(xié)議），負責聯(lián)網(wǎng)主機之間的路由選擇和尋址。
各種物理網(wǎng)絡(luò )在鏈路層所傳輸的基本單元為幀（MA??C幀），其幀格式(shi)隨物理網(wǎng)絡(luò )而異，各物理網(wǎng)絡(luò )的物理地址（MAC地??址）也隨物理網(wǎng)絡(luò )而異。Ip協(xié)議的作用就是向傳輸層（TCP層）提(′?_?`)供統一的IP包，即將各種不同類(lèi)型的MAC幀轉換為統一的IP包，并將MAC幀的物理地址變換為全網(wǎng)統一的邏輯地址（IP地址）。
IP數據包
數據包(data packet)是什么？
數據包也是分組交換的一種形式，就是把所傳送的數據分段打成包，再傳送出去.
每個(gè)數據包都有報頭和報文這兩個(gè)部分，報頭中有目的地址等必要內容，使每個(gè)(ge)數據包不經(jīng)過(guò)同樣的路徑都能準確地到達目的地。在目的地重新組合還原成原來(lái)發(fā)送的數據.
我們看下IP數據包的構成。
注意上面的Total Length部分占用了2個(gè)字節，所以IP數據包的最大長(cháng)度就是2^16-1=65535字節。
分片和重組
鏈路層具有最大傳輸單元MTU這個(gè)特性，它限制了數據幀的最大長(cháng)度，不同的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型都有一個(gè)上限值.如果IP層有ヽ(′ー｀)ノ數據包要傳，而且數據包的長(cháng)度超過(guò)了MTU，那么IP層就要對數據包進(jìn)??行分片操作，使每一片的長(cháng)度都小于或等于M(′?_?`)TU。
分片后的IP數據包，只有到達目的地才能重新組裝。重新組裝由目的地的IP層來(lái)完成，其目的是使分片和重新組裝過(guò)程對傳輸層（TCP和UDP）是透明的。
MSS與MTU
而一般以太網(wǎng)MTU都為1500, 所以在(′▽?zhuān)?以太網(wǎng)中, 往往TCP MSS為1460。
TCP
TCP，即 Transmission Control Protocol（傳輸控制協(xié)議），負責在不可靠的傳輸信道之上提供可靠的抽象層, 向應用層隱藏了大多數網(wǎng)絡(luò )通信的復雜細節，比??如丟包重發(fā)、按序發(fā)送、擁塞控制及避免、數據完整，等等??。
TCP三次握手
一般來(lái)說(shuō)，使用TCP協(xié)議，如果client和server要達成一致建立連??接的話(huà)，需要三次交互。
- SYN ACK服務(wù)器給x 加1，并選擇自己的一個(gè)隨機序列號y，追加自己的標志和選項，然后返回響應。
- ACK客戶(hù)端給x 和y 加1 并發(fā)送握手期間??的最后一個(gè)ACK 分組。
擁塞崩潰
如果幾個(gè)IP分組同時(shí)到達路由器，并期望經(jīng)同一個(gè)輸出端口轉發(fā).
顯然，不是所有分組可以同時(shí)接受處理，必須有一個(gè)服務(wù)順序，中間節點(diǎn)上的緩存為等候服務(wù)的分組提供一定保護。
然而，如果此狀況具(′?ω?`)有一定的持續性，當緩存空間被耗盡時(shí)??，路由器只有丟棄分組。
在這種持續過(guò)載的狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò )性能會(huì )急劇下降.
流量控制
流量控制ヽ(′?｀)ノ是一種預防發(fā)送端過(guò)多向接收端發(fā)送數據的機制。否則，接收端可能因為忙碌、負載重或緩沖區既定而無(wú)法處理。
為實(shí)現(xian)流量控制，TCP連???接的每一方都要通告自己的接收窗口receive window（rwnd），其中包含能夠保存數據的緩沖區空間大小信息。
最初的TCP規范分配給通告窗口大小的字段是16位的，這相當于設定了發(fā)送端和接收端窗??口的最(′ω｀)大值（(′▽?zhuān)?65535字節）。結果，在這個(gè)限制內經(jīng)常無(wú)法獲得最優(yōu)性(′-ι_-｀)能。
為解決這個(gè)問(wèn)題，ヾ(′?｀)?RFC1323提供了TC??P窗口縮放（TCP Window Scaling）選項，可以把接收窗口大小由65535字節提高到1G字節。
那么現在問(wèn)題來(lái)了，rwnd只是一個(gè)接收端的初始窗口大小，如果有多個(gè)sender都在向receiver發(fā)??送數據包的話(huà)(′?｀)，怎么才能保證receiver端的接收性能呢ヽ(′ー｀)ノ？
為了解決這個(gè)問(wèn)題(╬?益?)，TCP引入了慢啟動(dòng)的概念。
當sender和receiver已經(jīng)建立好了TCP三次握手之后??。就可以開(kāi)始發(fā)送數據包了。
這里引(′?｀*)入了一個(gè)擁堵窗口Congest??ion wind(′?｀)ow??（cwnd）的概念。
cwnd是server端目前可以接受的最大的窗口大小。
建立連接之后第一次發(fā)送的cwnd是一個(gè)初始值，這個(gè)初始值最開(kāi)始是1個(gè)network se??gment，在1999年 RFC 2581將其更新為4個(gè)network segments。在2013年， RFC 6928 將這個(gè)值擴大到了10個(gè)network(′?｀) segments。
我們以10個(gè)networヽ(′ー｀)ノk segments為例，看下cwnd的膨脹(╯°□°）╯︵ ┻━┻過(guò)程：
一般來(lái)說(shuō)cwnd??是倍數增加的，收到ack之后，c??wnd會(huì )從10，20，40這樣往上增加。一直到server端拒絕ack為止。
那么回到我們之前講到的一個(gè)結論，帶寬其實(shí)不是那么重要(O_O)。
為什么呢？考慮在HTTP1.1中，client需要等待server的返回才能夠進(jìn)行下一次請求。如果你的請求的文件比較小，那么cwnd還沒(méi)有漲到足夠大的時(shí)候，請求就已經(jīng)結束了。這個(gè)時(shí)候最主ˉ\_(ツ)_/ˉ要的時(shí)間花費是請求ヽ(′ー｀)ノ的來(lái)回時(shí)間，而不在于帶寬大小。
當然，如果在HTTP2中，因為建立的是長(cháng)連接，慢啟動(dòng)可能就不存在了（不確定，大家有不同的意見(jiàn)可以提出）。
UDP
UDP(′Д` )（ User Datagram Protocol，用戶(hù)數據報??協(xié)議。
UDP 的主要功能和亮點(diǎn)并不在于它引入了什么特性，而在于它忽略的那些??特性：不保證消息交付，不保證交付順序，不跟蹤連接狀態(tài)，不需要擁塞控制。
我們先來(lái)看一下UDP的數據包：
NAT
大家都知道IPV4地址是有限的，很快IPV4地址就快用完了，那怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？
當然，一個(gè)永久解決的辦法是IPV6，不過(guò)IPV6推出這么多年了，好像還沒(méi)有真正的普及。
不使用IPV6的話(huà)還有什么解決辦法呢？
這個(gè)辦法就是NAT（Network Address Translators）。
NAT的原理是將局域網(wǎng)的IP和端口和NAT設備的IP和端口做個(gè)映射。ヽ(′?｀)ノ
NAT內部(′_ゝ`)維護著(zhù)一張轉換表。這樣就可以通過(guò)一個(gè)NAT的IP地址和不同的端口來(lái)連接眾多的局域網(wǎng)服務(wù)器。
那么??NAT有什么問(wèn)題呢？
NAT??的問(wèn)題(ti)在于，內部客戶(hù)端不知道自己外網(wǎng)IP地址，只知道內網(wǎng)IP地址。
如果是在UDP協(xié)議中，因為UDP是無(wú)狀態(tài)的，所以需要NAT來(lái)重寫(xiě)每個(gè)UDP分組中的源端口、地址，以及IP分組中的源IP地址。
如果客戶(hù)端是在應用程序內部將自己的IP地址告訴服務(wù)器，并想跟服務(wù)器建立ヽ(′?｀)ノ連接，那么肯定是建立不了的。因為找不到客戶(hù)端的公網(wǎng)IP。
即使找到了公網(wǎng)IP，任何到達NAT設備外網(wǎng)IP的分組還必須有一個(gè)目標端口，而且NAT轉換表中也要有一個(gè)條目可以將其轉(◎_◎;)換為內部主機的IP?????地址和(he)端口號。否則就??可能出現下圖的連接失敗的問(wèn)題。
怎么解決呢？
第一種方式是使用STUN服務(wù)器。
STUN服務(wù)器是IP地址已知的服務(wù)器，客戶(hù)端要通信之前，先去STUN服務(wù)器上面查詢(xún)一下自己的外(wai)網(wǎng)IP和端口，然后再使用這個(gè)外網(wǎng)IP和端口進(jìn)行通??信。
但有時(shí)UDP包會(huì )被防火墻或者其他的應用程序所阻擋。這個(gè)時(shí)候就可以使用中繼器技術(shù)Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。
雙方都將數?據發(fā)送到中繼器server，由中繼器server來(lái)負責轉發(fā)數據。注意，這里已經(jīng)不是P??2P(′?_?`)了。
最(zui)后，我們有一個(gè)集大成者的協(xié)議叫做ICE（Intera??ctive Connectivity Establishment ）：
它實(shí)際上就是直連，STUN和TU(′ω｀*)RN的綜合體，能直連的時(shí)候就直連，不能直連就用STUN，不能用STUN就ヽ(′▽?zhuān)?ノ用TURN。
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