分布式架构下的通信(一)

        断断续续已经写了三年时光了，三年时光历历在目，也许这是我最后一年写技术类文章了。之前听朋友说，在三亚吹着海风写着代码是一种享受，所以头一热也就来体验了一把。陌生的环境给人一种空灵的感受，在这个我从未留过回忆的城市，给人一种什么都可以抓住的冲动，但也有什么都不敢抓的恐惧，也许这就是从头来过的体验，写完这篇文章后就准备返程回到那个刻满我无数回忆的旧城了，而这即将离开的新城也即将变成旧城。

         之所以准备写通信这块内容，原因有两个，一个是即使你后端业务设计再大，如果连接受限，用户进不来，其实造成的影响是特别大的；另一个就是最近我们自己项目最近也出现了类型的情况，所以我想写这一个专题说一下通信的事，希望这一专题能给自己的人一个启发，可以学一点东西。

一、http协议

       http是指HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议，是一种详细规定了浏览器和万维网(WWW = World Wide Web)服务器之间互相通信的规则，通过因特网传送万维网文档的数据传送协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。也可以理解成用于定义web浏览器到web服务器之间交换数据过程标准以及数据本身的格式。

http协议是tcp/ip协议族中的一种，而且是基于tcp协议之上，在http协议之上加tls协议或ssl协议就成了https协议，https相对于http来说安全性更高，当前微信小程序的请求都必须是https协议性质。http协议不单单是应用于web请求，只要是通信的双方都遵守了这个协议就可以通信，但主要是浏览器的web请求和响应。

最近考了高项，在学习备考的过程中才发现tcp/ip其实不是一个协议，而是包含了很多协议的协议族，tcp/ip包含了ip协议、imcp协议、tcp协议、udp协议、ftp协议、http协议、smtp协议、dns协议等。

tcp/ip把通信网络分为四层，也称为tcp/ip四层模型，从底层到上层依次为：网络接口层、网络层、传输层、应用层，如下图。

http协议位于tcp/ip协议模型中的应用层，基于请求—响应模式的，这样就限制了使用HTTP协议，无法实现在客户端没有发起请求的时候，服务器将消息推送给客户端，必须现有请求才有相应。http协议是一个无状态的协议，无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力，一次请求完成立即关闭当前请求，且每一次请求都是完全隔离的，浏览器到web服务器之间的所有通讯是完全独立分开的请求和相应对。http默认都是短连接。 

二、HTTP报文结构

传输层、网络层他们都有自己的头部信息来标识。HTTP 协议也是与 TCP/UDP 类似，同样也需要在实际传输的数据前附加一些头数据，不过与 TCP/UDP 不同的是，它是一个“纯文本”的协议，所以头数据都是 ASCII 码的文本，可以很容易地用肉眼阅读，不用借助程序解析也能够看懂。

用于HTTP的协议交互的信息被称为HTTP报文。请求端的HTTP报文叫做请求报文，响应端的叫做响应报文。

2.1、请求报文

HTTP的这两种报文都由四部分组成：请求行（起始行）、请求头（首部字段）、空行、请求体（报文主体）。

  • 请求行：包含【请求的方法如GET、POST】，【请求URI】和【HTTP版本】，中间用空格分隔
  • 请求头：包含请求的各种条件和属性，使用key:value的形式展示
  • 空行：它的作用是通过一个空行，告诉服务器请求头部到此为止。
  • 请求体：实际传输的数据，不一定是文本，可以是图片视频等二进制文件。若方法字段是GET，则此项为空，没有数据；若方法字段是POST,则通常来说此处放置的就是要提交的数据。其中，请求行和请求头可以合称为请求头，即常说的 header ，而请求体是我们常说的 body 。

请求头整体结构大概就是：

HTTP协议规定报文必须有 header ，可以没有 body ，比如常用的 GET 请求。且 header 和 body 中间必须有个空行。

一个GET请求一般实际上长这个样子：

在这个浏览器发出的请求报文里，第一行“GET / HTTP/1.1”就是请求行，其中 GET 就是请求方法， / 就是请求的 URI ，HTTP/1.1 就是HTTP协议及版本；而后面的“Host”、“Connection”等等都属于 header，报文的最后是一个空白行结束，没有 body。

对于POST请求而言，几乎一样，只是请求方法变成POST，空行下面会有请求参数构成的Body。

2.2、响应报文

同样的，HTTP响应报文也由四部分组成：响应行（状态行）、响应头、空行、响应体（报文主体）。

  • 响应行：响应行一般由【协议版本】、【状态码如200】及其【描述】组成 比如 HTTP/1.1 200 OK
  • 响应头：响应头用于描述服务器的基本信息，以及数据的描述，服务器通过这些数据的描述信息，可以通知客户端如何处理等一会儿它回送的数据。
  • 空行：它的作用是通过一个空行，告诉客户端请求头部到此为止。
  • 响应体：响应体就是响应的消息体，如果是纯数据就是返回纯数据，如果请求的是HTML页面，那么返回的就是HTML代码，如果是JS就是JS代码，如此之类。

响应行和响应头整体结构大概为：

 

 来个实际例子，如请求一个HTML页面的请求报文和响应报文：

 

 三、HTTP的头部字段

头部的字段帮助客户端和服务端更好地交互，这里先拿几个重要字段说明下。

3.1、Accept和Content-Type

数据交互的时候，我们需要解决三个问题：数据类型协商（数据类型、压缩算法）、语言类型协商、字符集编码类型协商。解决了这三个问题，两者之间就可以愉快地进行交流了。

【①数据类型协商和压缩算法协商】

首先我们要知道数据是有佷多类型的，比如分为文本类型有：text/html、text/plain、text/css等；有图片image/gif、image/png等，有音频和视频：audio/mepg、audio/mp4等。也有我们常用的不固定的数据格式，由上层应用来解释的比如application/json。

这些类型有个名字，叫做：MIME Type，但是HTTP传输的时候会进行数据压缩，因此还有一个字段叫做：Encoding Type，告诉对方数据用了什么压缩格式，好让对方还原出来原始数据。Encoding Type类型就少了佷多，一般用的是：gzip、deflate、br等压缩算法。

好了，有了 MIME type 和 Encoding type，无论是浏览器还是服务器就都可以轻松识别出 body 的类型，也就能够正确处理数据了。通过什么字段呢？

客户端可以通过 Accept 字段告诉服务器希望接收什么格式的数据，服务器可以用 content-type 告诉客户端实际发送了什么格式的数据。

上图中，意思是客户端告诉服务器，我只能看懂HTML、XML的文本和数据，还有就是webp和png格式的图片，其他的我不认识。服务器返回的时候告诉客户端本次返回内容的格式和压缩算法。

【②语言类型协商】

除了格式的协商，还有语言和编码的协商，如果客户端只认识英文，而服务器返回了中文，不就尴尬了。

客户端会发送Accept-Language表明自己看得懂的语言，比如zh-CN 的汉语文字。

Accept-Language: zh-CN, zh, en

而服务器会在响应头中用Content-Language告诉客户端实体数据用的语言类型。

Content-Language: zh-CN

【③字符集编码类型协商】

而字符集编码是客户端发送Accept-Charset字段来说明，比如自己只能处理GBK和UTF8字符编码，其他的不行。服务器如果返回UTF8编码如何返回呢？逐一响应头没有对应的Content-Charset，而是在ontent-Type字段的数据类型后面用“charset=xxx”来表示。

Accept-Charset: gbk, utf-8
Content-Type: text/html; charset=utf-8

这边不能乱，总结下：

  • 数据类型表示实体数据的类型，是文本还是图片等，相关的头字段是 Accept 和 Content-Type；
  • 压缩算法表示实体数据的压缩方式，相关的头字段是 Accept-Encoding 和 Content-Encoding；
  • 语言类型表示实体数据的自然语言，相关的头字段是 Accept-Language 和 Content-Language；
  • 字符集表示实体数据的编码方式，相关的头字段是 Accept-Charset和 Content-Type；

 

不过现在的浏览器都支持多种字符集，通常不会发送 Accept-Charset，而服务器也不会发送 Content-Language，因为使用的语言完全可以由字符集推断出来，所以在请求头里一般只会有 Accept-Language 字段，响应头里只会有 Content-Type字段：

  • Host：指定被请求资源的IP和PORT
  • Referer：告诉服务器我是从哪个页面链接过来的
  • User-Agent：客户端所使用的操作系统和浏览器名称、版本
  • Connection：控制是否开启长连接，如果是keep-alive说明是开启长连接，同一个客户端的请求可以复用一个TCP连接。反之close就不复用TCP连接。

上面这样说可能有些人对http的整体通信过程还是不够了解，下面就从宏观的角度从通信发包和接包的过程来进行讲解：

http通信发包过程

 

 工作流程描述如下：

  • 假设我们要登录某一个网站，此时基于Http协议会构建一个http协议报文，这个报文中按照http协议的规范组装，其中包括要传输的用户名和密码。这个是属于应用层协议。

  • 经过应用层封装后，浏览器会把应用层的包交给TCP/IP四层模型中的下一层，也就是传输层来完成，传输层有两种协议：

    • TCP协议，可靠的通信协议，该协议会确保数据包能达到目的地
    • UDP协议，不可靠通信协议，可能会存在数据丢失

    在http通信中使用了TCP协议，TCP协议会有两个端口，一个是浏览器监听的端口，一个是目标服务器进程的端口。操作系统会根据端口来判断这个数据包应该分发给那个进程。

  • 传输层封装完成后，该数据包会技术交给网络层来处理，网络层协议是IP协议，IP协议中会包含源IP地址（也就是客户端及其的IP）和目标服务器的IP地址。

  • 操作系统知道了目标IP地址后，就开始根据这个IP来寻找目标机器，而目标服务器一定是部署在不同的地方，这种跨网络节点的访问，需要经过网关（所谓网关就是一个网络到另外一个网络的关口）。

    所以数据包首先需要先通过自己当前所在网络的网关出去，然后访问到目标服务器，但是在数据包传输到目标服务器之前，需要再组装MAC头信息。

    Mac头包含本地的Mac地址和目标服务器的Mac地址，这个MAC地址怎么获得的呢？

    • 获取本机MAC地址的方法是，操作系统会发送一个广播消息询问网关地址（192.168.1.1）是谁？收到该广播消息的网关会回应一个MAC地址。这个广播消息是基于ARP协议实现的（这个协议简单来说就是已知目标机器的ip，需要获得目标机器的mac地址。(发送一个广播消息，这个ip是谁的，请来认领。认领ip的机器会发送一个mac地址的响应)）。

      为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

    • 获取远程机器的MAC地址的方法也同样是基于ARP协议实现的。

完成MAC地址组装后，一个完整的数据包就构成了。这个时候会把这个数据包给到网卡，网卡再把这个数据包发出去，由于这个数据包中包含MAC地址，因此它能够到达网关进行传输。网关收到包之后，会根据路由信息，判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器，到某个 IP 地址应该怎么走，这个叫作路由表。
http通信接包过程

 

 

当数据包发送到网关后，会根据网关的路由信息判断该数据包要传输到那个网段上。数据从客户端发送到目标服务器，可能会经过多个网关，所以数据包根据网关路由进入到下一个网关后，继续根据下一个网关的MAC地址寻找下下一个网关，直到到达目标网络服务器上。

这个时候服务器收到包之后，最后一个网关知道这个网络包就是要去当前局域网的，于是拿着目标IP通过ARP协议大喊一声这是谁？ 目标服务器就会给网关回复一个MAC地址。 然后网络包在最后那个网关修改目标的MAC地址，通过这个MAC地址，网络包找到了目标服务器。

当目标服务器和MAC地址对上后，开始取出MAC头信息，接着把数据包发送给操作系统的网络层。网络层会取出IP头信息，IP头里面会写上一层封装的是TCP协议，于是交给传输层来处理。

在这一层中，对于收到的每个数据包都会有一个回复，表示服务器端已经收到了该数据包。如果过一段时间客户端没有收到该确认包，发送端的 TCP 层会重新发送这个包，还是上面的过程，直到最终收到回复。

这个重试是TCP协议层来实现的，不需要我们应用来主动发起。

HTTP的头佷多，下面用几张图来预览下，后续将根据实际情况再对某些头部字段进行详解。

常用的HTTP请求头

 

 

 

 

常用的HTTP响应头

 

 

 

 

 

posted @ 2022-06-05 14:46  童话述说我的结局  阅读(233)  评论(0)  编辑  收藏  举报