高并发负载均衡——网络协议原理
一、網(wǎng)絡(luò)分層模型
軟件工程項目學(xué)中有一個重要的思想就是分層解耦。OSI七層模型，TCP/IP四層（有時將數(shù)據(jù)鏈路層和物理層分開稱為五層模型），都是為了更好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互通。
應(yīng)用層：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于最終用戶的一個接口，Tomcat、瀏覽器都屬于這一層。
表示層：數(shù)據(jù)的表示、安全（加解密）、壓縮等處理。
會話層：建立、管理、終止會話。
傳輸層：定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議端口號，以及流控和差錯校驗。
網(wǎng)絡(luò)層：進(jìn)行邏輯地址尋址，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的路由。
數(shù)據(jù)鏈路層：建立邏輯連接、進(jìn)行硬件地址尋址、差錯校驗等。
物理層：建立、維護(hù)、斷開物理連接。
二、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸示例
通過Linux系統(tǒng)的Shell交互程序?qū)崿F(xiàn)百度首頁的請求。
首先進(jìn)入當(dāng)前shell程序的文件描述符定義路徑，其中$$是當(dāng)前命令解釋程序（即Shell）。
0 1 2分別代表輸入、輸出和報錯，這是所有交互程序都必須具備的接口。
使用exec命令，建立一個文件描述符8，代表一個socket連接：
此時，我們已經(jīng)對www.baidu.com建立了一個TCP連接，緊接著，手寫一個最簡HTTP請求，輸出到Socket中，并通過輸入流從socket中取出響應(yīng)，并輸出。
最后關(guān)閉socket：
通過echo打印的 HTTP協(xié)議頭字符串，就是在模擬應(yīng)用層服務(wù)（如瀏覽器）的請求封裝工作。但實際上，并不是應(yīng)用層服務(wù)直接將請求發(fā)出，而是通過更下層的服務(wù)層層包裝、尋址完成的。每一層都有對應(yīng)的協(xié)議，上層服務(wù)只需要將請求內(nèi)容按照協(xié)議組織好后就可以調(diào)用傳輸層服務(wù)，并通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去。
應(yīng)用層屬于用戶態(tài)，傳輸層以下是內(nèi)核態(tài)。Java應(yīng)用程序在請求網(wǎng)絡(luò)時，就是像上面這樣，獲取一個socket對象，然后將封裝好的信息放入其中。JVM如果想要建立一個網(wǎng)絡(luò)連接，我們通過代碼new Socket，但實際上底層都是native接口，是JVM去請求了系統(tǒng)調(diào)用，待操作系統(tǒng)內(nèi)核跑完底層，返回一個建立成功的連接，之后才能執(zhí)行下一步代碼。在建立連接的時候，程序一定是會出現(xiàn)一定的阻塞。
三、傳輸層的TCP協(xié)議
TCP協(xié)議是傳輸層的重要協(xié)議，是面向連接的、可靠的通信標(biāo)準(zhǔn)。它通過三次握手、四次揮手機制實現(xiàn)安全可靠的連接。
3.1 三次握手
上圖是三次握手的模型。
① 客戶機首先發(fā)送第一次請求，主要參數(shù)有SYN、seq ；
② 服務(wù)器收到請求后，發(fā)送第二次請求給客戶機，這實際上是上一次客戶機請求的確認(rèn)響應(yīng)，但同時也是服務(wù)器對客戶機的請求，參數(shù)主要有SYN、ACK、seq。
③ 客戶機收到響應(yīng)后，會再次確認(rèn)這個響應(yīng)，遞增相關(guān)參數(shù)并響應(yīng)回去。
經(jīng)過了一次原始請求和兩次確認(rèn)的通信之后，我們就已經(jīng)可以認(rèn)為這是一次明確、可靠的連接。
三趟數(shù)據(jù)包走完之后，雙方才會在內(nèi)存中開辟線程，開辟對象，開辟所有的描述符，建立相應(yīng)的資源，而如果三次握手失敗，這些資源是不會開辟的。
3.2 四次揮手
四次揮手?jǐn)嚅_連接，請求方發(fā)送斷開請求，接收響應(yīng)，但此時并未斷開，需要由被動方主動發(fā)起允許斷開的通知，方可完成斷開操作。即先告知斷開請求，再由被動方斷開，最后雙方釋放資源，如端口號等。
整體通訊過程大致為：
三次握手-->數(shù)據(jù)傳輸-->四次分手
這個通訊過程是一個最小粒度，不可被分割。類似事務(wù)原子性。例如，在多負(fù)載系統(tǒng)中，多個實例不可以拆分同一個TCP連接，即端點與端點的所有數(shù)據(jù)請求、響應(yīng)都不可以被任何負(fù)載技術(shù)所打散。
3.3 Linux下查看TCP 連接狀態(tài)
netstat命令：
-n:numeric 直接使用ip地址，不通過域名服務(wù)器
-a:all 顯示所有連線中的socket
-t:tcp
-p: 顯示PID及對應(yīng)程序
我們通過終端軟件進(jìn)行ssh登錄后，就可以看到netstat的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)：
響應(yīng)表格中，LISTEN表示正在監(jiān)聽，ESTABLISHED表示已經(jīng)建立連接，所謂的Socket，就是Local Address和Foreign Address組成的一條唯一值。
其中有三條sshd程序，第一條sshd是父進(jìn)程，處于LISTEN狀態(tài)，一旦監(jiān)聽到連接請求，那么就會拋出一個線程用于建立Socket連接，后面兩個sshd分別是遠(yuǎn)程終端的圖形交互窗口sftp連接和命令行窗口ssh連接，Foreign Address中的192.168.1.1實際上就是Windows上的虛擬網(wǎng)卡，而port是隨機的。
四、網(wǎng)絡(luò)層
4.1 Linux網(wǎng)卡配置及IP下一跳機制
我們查看eth0網(wǎng)卡的配置信息，一般主要關(guān)注四個維度：
ip地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)地址。
查看路由表：
在很早的以前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚?dāng)中，有一種模型，是每臺主機都存儲一個全局的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?#xff0c;這種模型會隨著互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備增多而失去可行性，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)尋址機制，即下一跳機制。
所謂“下一跳”，就是當(dāng)前IP地址到達(dá)目標(biāo)IP的路徑上臨近的下一個IP地址。在路由過程中，數(shù)據(jù)包到達(dá)每個主機都會進(jìn)行路由判定，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。這些轉(zhuǎn)發(fā)的路徑需要網(wǎng)絡(luò)工程師來進(jìn)行規(guī)劃。下一跳機制可以極大的減少主機需要存儲的IP地址信息，只需要記住同一網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)地址，就可以了。
4.2?通過ping理解下一跳機制
通過ping命令（基于ICMP協(xié)議）可以判斷主機的連通狀態(tài)，如下是ping百度首頁：
那么ping程序是如何將數(shù)據(jù)包發(fā)送到遙遠(yuǎn)的百度服務(wù)器的呢？
首先，ping命令拿著目標(biāo)地址（39.156.66.14）逐條與路由表中的掩碼進(jìn)行按位與運算，并且與Destination進(jìn)行比較，這就是路由判定。如果目標(biāo)地址與Destination記錄的IP一致，就將數(shù)據(jù)包發(fā)給它。
上圖中，經(jīng)過路由判定，Destination=0.0.0.0符合要求，于是，我們就得到了下一跳地址192.168.1.2。而實際上不論什么IP，只要和掩碼為0.0.0.0進(jìn)行與運算，就都會得到0.0.0.0，因此在上面的路由表中192.168.1.2 就是默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。
互聯(lián)網(wǎng)中的所有設(shè)備都會存儲這樣的路由表，只要具備轉(zhuǎn)發(fā)能力，都會進(jìn)行路由判定。一般的小型路由設(shè)備都會有一條默認(rèn)的下一跳地址，而對于一些骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)等大型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)工程師可能會設(shè)置更多的下一跳條目，規(guī)劃通信路由。
網(wǎng)關(guān)可以有多個，但是默認(rèn)網(wǎng)關(guān)只有一個。同一網(wǎng)絡(luò)通信是不需要路由設(shè)備的，只需要簡單的交換機即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，只有不同網(wǎng)絡(luò)的通信才需要下一跳地址。
五、數(shù)據(jù)鏈路層
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層的路由判定找到了下一跳地址，但數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址永遠(yuǎn)是最終將要發(fā)送到的IP地址，又如何將數(shù)據(jù)包發(fā)送到下一跳呢？
在IP數(shù)據(jù)包之外，又“包裹”了一層協(xié)議包。數(shù)據(jù)鏈路層同樣存在一張表格，記錄了MAC地址：
DNS是解釋域名和IP地址的映射，arp協(xié)議會解釋IP地址到MAC地址的映射。但前者是全網(wǎng)的，而arp是同一局域網(wǎng)內(nèi)的。
經(jīng)過arp的地址判定，IP數(shù)據(jù)包外面會“包裹”一個下一跳的MAC地址，這時整個數(shù)據(jù)包內(nèi)部存在三個地址：下一跳的MAC地址、目標(biāo)IP地址，以及目標(biāo)端口號。
總結(jié)
TCP是重要的網(wǎng)絡(luò)通信手段，三次握手建立的連接是一個可靠的Socket信道，這些信息可以通過 netstat -natp 命令查看。
IP數(shù)據(jù)包會記錄目標(biāo)地址的IP，傳輸過程中并不會改變。通過路由判定找到下一跳的網(wǎng)絡(luò)IP地址，再通過數(shù)據(jù)鏈路層的 arp 協(xié)議找到下一跳IP的MAC地址，將其包裹在IP數(shù)據(jù)包外面，并通過物理層發(fā)送到下一跳。最終發(fā)送到IP數(shù)據(jù)包內(nèi)的目標(biāo)地址的目標(biāo)端口上。
下一跳機制極大的減少了主機需要記錄的通信IP數(shù)據(jù)，但同時，需要網(wǎng)絡(luò)工程師對下一跳進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，開通相應(yīng)策略，就像是搭建一個網(wǎng)絡(luò)上的路由橋梁，連接各個網(wǎng)絡(luò)之間的通信。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的高并发负载均衡——网络协议原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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