網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之協(xié)議棧
在計算機網(wǎng)絡(luò)里，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒檀笾驴煞譃橐韵聨撞剑?/p>
1、應(yīng)用程序原始數(shù)據(jù)被拆解并編碼，轉(zhuǎn)化成電信號或光信號；
2、電信號或光信號通過物理介質(zhì)傳輸；
3、傳輸完成后電信號或光信號還原成應(yīng)用程序數(shù)據(jù)被接收；
整個流程，都是通過計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成的。
而現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)采用就是基于OSI七層模型的TCP/IP協(xié)議棧，主要包括五層，即應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下圖所示；其中數(shù)據(jù)鏈路層又可以分為兩個子層，即LLC(邏輯鏈路控制層)和MAC(介質(zhì)訪問控制層)。
應(yīng)用層：為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口，常見的是HTTP、Telnet、FTP等協(xié)議都工作在這一層；
傳輸層：傳輸層提供端到端的連接，例如讓A主機上的程序小紅找到B主機上的應(yīng)用程序小明。TCP和UDP都工作在這一層，端口號的定義也在這一層；
網(wǎng)絡(luò)層：用于尋址，它能讓互聯(lián)網(wǎng)的兩臺主機在互聯(lián)網(wǎng)的茫?！睓C海“中找到彼此；
數(shù)據(jù)鏈路層：網(wǎng)卡就工作這一層，負責(zé)將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化成光信號或者電信號，供物理層傳輸；
物理層：物理層是信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，網(wǎng)線和配套的接口都屬于物理層。
應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，經(jīng)過這五層協(xié)議自上往下逐層分解，最終變成可供物理介質(zhì)可傳輸?shù)男盘枺?dāng)達到目的地主機后，再自下而上還原成應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。
那么，為什么不能把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成物理信號，其實是因為網(wǎng)絡(luò)棧分層后使得一些特殊功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以只實現(xiàn)協(xié)議棧的子集，我想言下之意應(yīng)該是說，讓所有的設(shè)備功能都可以解耦單獨完成自己的工作就可以了。如路由器，只要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能就可以了。這樣就保證了每一層都可以單獨設(shè)計，只要保證上下兩層的接口保持一致就可以了。
互聯(lián)網(wǎng)是如何提供服務(wù)的
互聯(lián)網(wǎng)上的主流應(yīng)用，如瀏覽器、在線視頻、社交游戲等類型很多，但其本質(zhì)都是下載。作者舉例說，我們想象用戶將一根水管插到水桶里，水經(jīng)過水管流出，我們可以用來做飯（聽歌）、洗手（看視頻）、洗菜（瀏覽網(wǎng)頁），這些水（資源）被下載到本地后，應(yīng)用程序就會按照開發(fā)者的設(shè)計，將數(shù)據(jù)進行存儲，和使用。所以，在C++、Java等大量編程語言中，流叫做stream，被用來形容一個地方從另外一個地方不間斷地獲取數(shù)據(jù)。
用戶打開網(wǎng)站時，瀏覽器會根據(jù)網(wǎng)址與服務(wù)器建立連接，從而建立流。網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)通過這個管道不斷地流向用戶的瀏覽器，瀏覽器得到這些數(shù)據(jù)后，立即進行解析、排版、繪制，經(jīng)過整個渲染過程，用戶看到了呈現(xiàn)在瀏覽器窗口內(nèi)的網(wǎng)頁。
IP地址
IP地址相當(dāng)于接入互聯(lián)網(wǎng)的所有主機對應(yīng)的門牌號，這個門牌號在互聯(lián)網(wǎng)上是獨一無二的，否則發(fā)送給指定主機的數(shù)據(jù)就會走錯門。
我們可以用通過系統(tǒng)屬性或網(wǎng)站提供的服務(wù)頁面查詢本機的IP地址，嘗試如下圖。
每一臺連接到網(wǎng)絡(luò)的中的網(wǎng)卡，都有一個IP地址，用來在網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)信息。在IP地址庫中，有三類地址被定義為”私有地址“，如下表所示：
私有地址，就是指這些地址只允許被用在私有網(wǎng)絡(luò)中，不能作為互聯(lián)網(wǎng)接入地址使用，如果某臺PC接入家庭網(wǎng)絡(luò)或者公司的局域網(wǎng)，他的IP肯定會落到上表中的地址段中。但如果私有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，要訪問互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容，就需要用到NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）技術(shù)。
NAT轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要有三中實現(xiàn)方式：
1、靜態(tài)轉(zhuǎn)換（Static NAT）
內(nèi)網(wǎng)地址與外網(wǎng)地址是一一對應(yīng)關(guān)系，如果內(nèi)網(wǎng)中有10臺主機需要訪問外部網(wǎng)絡(luò)，就需要有10個外網(wǎng)IP地址做映射，而且這10個內(nèi)網(wǎng)IP和10個外網(wǎng)IP是固定的映射關(guān)系。如果需要內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的一臺主機作為外網(wǎng)的服務(wù)器，就需要用到靜態(tài)轉(zhuǎn)換。
2、動態(tài)轉(zhuǎn)換（Dynamic NAT）
動態(tài)轉(zhuǎn)換與靜態(tài)轉(zhuǎn)換類似，但內(nèi)網(wǎng)IP與外網(wǎng)IP不是一一對應(yīng)關(guān)系，一般ISP會使用這種方式為接入用戶提供訪問外網(wǎng)的能力。
3、端口多路復(fù)用（Overload）
這種方式，就是一個外網(wǎng)的IP可以被內(nèi)網(wǎng)多個IP同步共享，與前兩個方式的區(qū)別在于講端口作為一個映射的維度，家用路由器一般都是通過端口多路復(fù)用來實現(xiàn)NAT的。
那么為什么同一臺設(shè)備有兩個不同的IP地址呢，其實網(wǎng)絡(luò)上查詢的IP是經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)化之后的了，詳細流程參見下圖：
PING和網(wǎng)關(guān)
PING（Packet Internet Groper）是網(wǎng)絡(luò)診斷工具，意為互聯(lián)網(wǎng)包探測器。PING是TCP/IP協(xié)議簇中的一部分，其原理是向目標(biāo)IP地址發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，如果對方返回一個同樣大小的數(shù)據(jù)包，則證明聯(lián)通，并且整個過程能測試時延。
網(wǎng)關(guān)，就是兩個網(wǎng)絡(luò)之間的門，在物理上網(wǎng)關(guān)是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，擁有IP地址，在家庭網(wǎng)絡(luò)里通常就是路由器的IP地址。網(wǎng)關(guān)具有轉(zhuǎn)接和過濾的功能。
端口
端口是終端留給外部的接口，是不同設(shè)備之間通信的橋梁，物理設(shè)備是通過物理端口實現(xiàn)溝通的，比如網(wǎng)口、USB等都是物理端口或接口。計算機內(nèi)部有很多數(shù)據(jù)服務(wù)都是要通過一個物理端口與其他設(shè)備產(chǎn)生聯(lián)系的，外部的數(shù)據(jù)包也是需要通過物理端口反饋回來的，但是計算機內(nèi)部各種各種的服務(wù)數(shù)以萬計，每個服務(wù)怎么知道回來的數(shù)據(jù)包是自己需要的，這樣便有了”虛擬端口“，一個服務(wù)想和外界聯(lián)系就要綁定一個端口號，同時制定目標(biāo)服務(wù)的端口號，這個端口便是虛擬端口，這樣便把相應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)包放在對應(yīng)服務(wù)生命端口的緩沖區(qū)中，等待服務(wù)取走自己的數(shù)據(jù)包。
另外，還有一個概念，就是服務(wù)進程拿了一部分?jǐn)?shù)據(jù)后開始處理，但是還沒有處理完又有新的數(shù)據(jù)來了，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)過多，可能就會造成數(shù)據(jù)溢出丟失。解決辦法就是在進程中設(shè)計了一個特殊的監(jiān)聽線程負責(zé)監(jiān)聽綁定的端口，如果有數(shù)據(jù)過來，監(jiān)聽線程就會把這個數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)取走，讓其他的線程處理。作者給的例子非常顯淺易懂，比如把公司比作是一個進程，前臺比作一個監(jiān)控線程，而其他的人則可比做處理數(shù)據(jù)包的其他線程，當(dāng)快遞源源不斷的寄到公司的時候，監(jiān)控線程是可以隨時通知其他線程來拿走數(shù)據(jù)包進行處理的，而不用等到一個完成才能叫下一個線程。
TCP和UDP
TCP（Transmission Control Protocol）即傳輸控制協(xié)議，IP（Internet Protocol）即因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議。TCP/IP是一個協(xié)議簇，也就是許多協(xié)議的集合，包含了很多不同的協(xié)議，并定義好了整個互聯(lián)網(wǎng)連接和協(xié)商的最基礎(chǔ)原則。
TCP和UDP處于整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的應(yīng)用層，是兩個不同的通信協(xié)議，其作用都是傳輸數(shù)據(jù)，常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都是基于這兩種協(xié)議進行傳輸?shù)摹?/p>
TCP是應(yīng)答式通信方式，UDP是只管發(fā)送而不管是否接收成功的通信方式。TCP的數(shù)據(jù)傳輸需要一個邏輯上的私有通道，當(dāng)連接兩端成功后，所有的數(shù)據(jù)都在這條通道上傳輸，發(fā)送方也會收到數(shù)據(jù)被成功接收的回執(zhí)。另外，為保證這條通道的正確建立，客戶端和服務(wù)端需要進行”三次握手<傳輸兩端需要三次確認，才能開始通信>“，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，但是降低的效率。
TCP保證可靠性的手段：順序編號、確認機制和超時重傳。
UDP則比較簡單粗暴，不管對方的狀態(tài)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)不需要建立通道，所以保障的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，但是丟失了可靠性。
但是每種場景應(yīng)用哪一種傳輸協(xié)議，應(yīng)結(jié)合實際情況考慮，不能一概而論。
反向代理
一般意義上的代理，都是指客戶端向外界發(fā)送請求時，并不直接與目標(biāo)服務(wù)器連接，而是將所有的請求交給一個代理服務(wù)器，他負責(zé)對外連接外界的目標(biāo)服務(wù)器。同時，外界從服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)也是先經(jīng)過代理服務(wù)器返回客戶端。在外界看來，所有的客戶端都隱藏在代理服務(wù)器后面，起到了保護客戶端的作用。
反向代理，則恰好相反，是針對服務(wù)器的一種代理技術(shù)，可以接受客戶端的請求，然后把他們分發(fā)給被代理的后端服務(wù)器上，等這些服務(wù)器處理完請求后，再將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，他是將服務(wù)器都隱藏在身后，對客戶端來說也許只有一臺服務(wù)器，但是反代理服務(wù)器也許服務(wù)了成千上外臺的后端服務(wù)器。
那么，反向代理服務(wù)器的意義則是實現(xiàn)了負載均衡，因為會有很多臺服務(wù)器提供服務(wù)，但是每一臺服務(wù)器的負荷可能不一樣，如果請求被發(fā)送到負荷較高的服務(wù)器，他的處理時間可能較長，但是客戶端不知道那臺服務(wù)器比較清閑，而反向代理服務(wù)器知道每臺服務(wù)器的負載量，會將請求轉(zhuǎn)發(fā)到相對空閑的服務(wù)器。
同時，反向代理服務(wù)器還可以減輕后端服務(wù)器的壓力，比如一些靜態(tài)資源或者緩存數(shù)據(jù)，可以直接放在反向代理服務(wù)器上，不用將這些請求放到后端服務(wù)器，這樣就可以直接服務(wù)前臺應(yīng)用了。反向代理服務(wù)器還能為后端服務(wù)器阻擋一些網(wǎng)絡(luò)攻擊，提升后臺服務(wù)器的安全性，反向代理服務(wù)器對于后端服務(wù)器而言，如同產(chǎn)品經(jīng)理和研發(fā)同學(xué)，能過濾掉不必要的需求，減輕工程師的對接壓力。
