[Java]I/O底层原理之二：Socket工作机制

Posted 2020-10-05 TengYunhao

首先我们来看一下当访问一个域名时它的过程

1. 查找 DNS
   1. 首先，浏览器检查缓存中有没有
   2. 浏览器缓存中没有，则查找操作系统中有没有配置这个对应关系
   3. 如果操作系统中也没有，则去 DNS 查找，即发送DNS报文：传输层（UDP数据报）-> 网络层（IP数据包）-> 数据链路层（协议单元）
   4. 如果发送时 ARP 缓存中没有相关数据，则发送 ARP 广播，等待 ARP 回应
   5. ARP 回应后，将 IP 地址与下一跳 MAC 地址写入 ARP 缓存表
   6. 经过多次转发后，数据到达 DNS 服务器，并解析到 IP 地址

2.  

我们先来看一下 TCP/IP 分层与 OSI 分层的关系

网络层 —— IP（网络之间的互联网协议）、ARP（地址解析协议）、RARP、ICMP

传输层 —— TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）

应用层 —— TeInet（远程登录服务的标准协议）、SMTP（电子邮件协议）、NFS（网络文件服务协议）、SNMP（网络管理协议）、FTP（文本传输协议）、HTTP（超文本传输协议）

本篇博客主要讲述 TCP 协议和 UDP 协议在 Java 中的应用，下面我们来看一下两者的区别：

• TCP 协议是一种链接可靠的传输协议，通过 TCP 协议传输，得到的是一个顺序无差错的数据流。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据的验证会占用计算机处理时间和网络带宽。所以 TCP 传输效率不如 UDP 高。
• UDP 协议是一种无链接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传送至目的地，但达到目的地的时间及内容的正确性都是不能保证的。在不需要严格保证传输可靠性时，可以使用 UDP 协议，如视频、音频等。

一、Socket与ServerSocket

1 TCP协议

TCP连接的状态转换图如下

 注：SYN 表示建立链接、FIN 表示关闭链接、ACK 表示响应、PSH 表示有数据传输、RST 表示链接重置。

• CLOSED：初始状态，在超时或连接关闭时也会进入此状态。 
• LISTEN：服务端在等待连接时的状态。
• SYN-SENT：客户端发起连接并发送 SYN 给服务端后等待的状态。如果不能连接，则进入 CLOSED 状态。
• SYN-RCVD：服务端接受客户端的 SYN 请求，由 LISTEN 状态进入此状态。同时回应一个 SYN、ACK 给客户端。
• ESTABLISHED：数据传输状态，服务端和客户端建立连接后的状态。
• FIN-WAIT-1：主动关闭的一方进入此状态。等待远程TCP连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认
• FIN-WAIT-2：主动关闭的一方接收另一方的 FIN ACK进入的状态。
• CLOSE-WAIT：被动关闭的一方收到 FIN 后进入的状态，接收到 FIN 的同时发送 ACK。
• LAST-ACK：被动关闭的一方发起关闭请求。
• CLOSING：
• TIME-WAIT：

1 建立连接的步骤（三次握手）

 

1. 客户端发送 SYN 给服务端
2. 服务端回应 ACK 和 SYN  给客户端
3. 客户端发送 ACK 给服务端

2 断开链接的步骤（四次挥手）

1. 客户端发送 FIN 给服务端
2. 服务端回应 ACK
3. 服务端关闭链接，发送 FIN 给客户端
4. 客户端回应 ACK 给服务端

 

2 Socket

一个 Socket 实例代表了一个通信链路，当连接建立成功后，服务器和客户端都会各拥有一个 Socket 实例，且这两个实例都会拥有一个 InputStream 和 OutputStream，以此来传输数据。在 InputStream 和 OutputStream 中会各有一个缓存区，数据写入和读取都是通过这个缓存区完成的。通过 OutputStream 将数据写入到其 SendQ 队列中，当队列填满时，数据将被传递到 InputStream 的 RecvQ 队列中，如果这时 RecvQ 已满，则 OutputStream 的 write() 方法将会阻塞，直到 RecvQ 队列有足够空间容纳 SendQ 发送的数据。要注意的是，缓存区的大小及读写宿舍非常影响连接的传输效率，而且由于是阻塞式，如果两遍同时传递数据有可能发生死锁。