二、分布式通信基础

分布式基于网络进行服务通信，所以需要了解一下网络，才可以更好的理解分布式通信。

网络基础

什么是网络？

类比快递，快递是为了解决两地之间的物品运输问题，网络则是解决两点之间的数据传输问题。

网络分层

OSI 七层模型与 TCP 四层模型为网络通信定制了标准，二者都是基于分层的思想。分层具有以下优点：

促进标准化工作，允许各个供应商进行独立开发
各个层间相互独立，把网络操作分成低复杂性单元
灵活性好，某一层变化不会影响到别的层
各层间通过一个接口在邻层通信，解耦

OSI 七层模型

应用层，网络进程访问层，为应用程序进程（比如电子邮件、http 服务）提供网络服务
表示层，确认通信双方都可以读懂此数据
会话层，建立、管理以及终止应用程序之间的会话
传输层，用于定义数据如何传输，保证数据可靠性，比如数据的切片(快递公司将自行车拆分，并装箱)、重组(你收到快递后将自行车组装起来)
网络层，用于寻址，即找到要进行数据传输的计算机，通常是 IP （主要设备：路由器）
数据链路层，IP 地址用于表示点到点之间的地址，但是中间会经过很多交换机，这些路由器则是使用 mac 地址进行寻址的，数据链路层就是负责相邻设备间的寻址（主要设备：交换机）
物理层，用于二进制传输，比如光纤、电信号、光信号等

TCP/IP 四层模型

但是平时学习交流时，通常将 OSI 七层模型与 TCP 四层模型的优点结合为五层模型：

各层之间的协议

应用层：http、SMTP
传输层：TCP、UDP
网络层：IP、ICMP(控制报文协议)、IGMP(internet 组管理协议)
链路层：硬件接口、ARP(地址解析协议)、RAPP(反向地址转换协议)
物理层：物理传输介质

传输层协议

TCP 相较于 UDP，具有可靠性，但是相对的占用系统资源；而 UDP 没有 TCP 那些可靠的机制，所以相比较于 TCP 更快。

单工、半双工、全双工

根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工

单工：数据只能在单个方向上传输。比如广播
半双工：数据可以在两个方向上传输，在同一时刻只允许一个方向传输。比如对讲机
全双工：数据可以在两个方向上传输，在同一时刻也允许两个方向传输。比如手机通话

TCP 和 UDP 都是全双工

TCP 协议

TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议，是主机对主机层的传输控制协议，用于提供可靠的连接服务。为了保证 TCP 协议的可靠性，保证数据正确的传输给对方，在连接时需要进行三次握手，确保双方可以正常通信，在断开连接时需要进行四次挥手，确保双方数据都传输完毕，保证数据传输完毕。

三次握手协议

三次握手（Three-Way-Handshake）即建立 TCP 连接，就是指建立一个 TCP 连接时，客户端和服务端总共需要发送三个包确认连接的建立

借用一下这个小例子，来描述三次握手的流程：

土豆土豆我是地瓜，收到请回答
地瓜收到，土豆收到请回答
土豆收到

步骤 1 和 2：确认地瓜可以正常收到土豆的消息
步骤 2 和 3：确认土豆可以正常收到地瓜的消息

这三步就可以保证土豆和地瓜正常通信，这就是三次握手。下面是具体流程：

客户端发送第一次握手请求，并携带 SYN=j（j 是一个唯一的随机数，代表此次请求），此时客户端此时变为已发送的状态(SYN_SEND)
服务端接收到客户端的握手请求，此时进入 LISTEN 打开状态
服务端发送 ACK 确认包，此时是第二次握手，ACK=j+1 表示是哪个请求，并再次发送 SYN=k(k 也是唯一随机数，用来代表此次请求)
客户但接收到 ACK 信息，此时客户端进入 ESTABLISHED 状态，代表客户端到服务端信息发送正常
客户端发送 ACK 确认信息给服务端，此时是第三次握手，告诉服务端可以正常收到他的信息
服务端收到 ACK 信息后，将状态变为 ESTABLISHED，双方可以正常通信，整个握手流程结束

四次挥手协议

四次挥手（Four-Way-Wavehand）即终止 TCP 连接，就是断开一个 TCP 连接时，客户端和服务短短总共需要发送四个包确认连接的断开

目的：保证客户端和服务端都没有消息传递了再关闭

男朋友（客户端）：我有点事先不聊了
女朋友（服务端）：好的，等下，我还有点事没讲完
...
女朋友（服务端）：好了，我没事了挂了吧
男朋友（客户端）：喂.... （随即男朋友也挂断了电话）

通过四次通信，确认 tcp 通信已经完成，并关闭连接，这就是四次挥手，下面是具体流程：

客户端发送 FIN M（M 是发送 id），表示客户端要结束了，此时客户端进入 FIN_WAIT_1 状态
服务端接收到请求后，进入 CLOSE_WAIT 状态(等待关闭)，再向客户端发送 ACK 确认包，告诉客户端，我已经接收到了关闭请求
等到服务端数据传送完毕，发送 FIN N 给客户端，告诉客户端处理完毕，即将进入关闭状态
客户端接收到 FIN N，返回 ACK 确认包，此时服务端进入关闭状态

TCP 长连接、短连接

长连接，指在一个 TCP 连接上可以连续发送多个数据包，在 TCP 连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发检测包以维持此连接（心跳机制），一般需要自己做在线维持。
过程： 连接→数据传输→保持连接(心跳)→数据传输→保持连接(心跳)→……→关闭连接

短连接是指通信双方有数据交互时，就建立一个 TCP 连接，数据发送完成后，则断开此 TCP 连接，比如 http 连接

TCP 通信原理

对于 TCP 通信来说，每个 TCP Socket 的内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，TCP 全双工的工作模式及 TCP 的滑动窗口就是依赖于这两个独立的 Buffer 和该 Buffer 的填充状态。

进程调用 Socket 的 send 发送数据的时候，一般情况下是将数据从应用层用户的 Buffer 里复制到 Socket 的内核发送缓冲区，然后 send 就会在上层返回。换句话说，send 返回时，数据不一定会被发送到对端。

接收端接收到数据后，将数据放在接收缓冲区中，若应用进程一直没有调用 Socket 的 read 方法进行读取，那么该数据会一直被缓存在接收缓冲区内。不管进程是否读取 Socket，对端发来的数据都会经过内核接收并缓存到 Socket 的内核接收缓冲区。
read 索要做的工作，就是把内核接收缓冲区中的数据复制到应用层用户的 Buffer 里。

滑动窗口协议

滑动窗口协议用于控制流量，TCP 滑动窗口分为接受窗口和发送窗口。滑动窗口协议是传输层进行流控的一种措施，接收方通过通告发送方自己的窗口大小，从而控制发送方的发送速度，从而达到防止发送方发送速度过快而导致自己被淹没的目的。

视频演示：优酷-TCP sliding window

视频中发送端向接收端发送 segment 数据片段，接收端接收到数据片段后给发送端发送 ACK 确认包。当发送端接收到 3 个 ack 信号时，即发送端滑动窗口满了的时候，才会再次发送，如果未满，说明接收端仍然在处理。而接收端只有在收到 3 个 segemnt 信号时，滑动窗口才会移动，才能再次接收 segement。从而达到限流的目的。

关于 IO

TCP 进行报文发送以及接收时，会经过一个缓冲区，如下图：

当发送请求的数据大小大于 TCP 发送缓冲区的剩余空间时，这时就会阻塞，直到发送缓冲区的剩余大小足够存放数据。
当接收请求的数据大小大于 TCP 接收缓冲区的剩余空间时，这时就会阻塞，知道接收缓冲区的剩余大小足够存放数据。

这就是 BIO。

为了解决这类问题，就出现了 NIO，Non-Blocking IO 非阻塞 IO。NIO 在底层存在一个 I/O 调度线程，不断的扫描每个 socket 的缓冲区，当发现 TCP 缓冲区空间不足时，主动通知发送端/接收端，当缓冲区大小够的时候，主动通知发送端/接收端进行发送/接收。

BIO（同步阻塞）：等待我的鸡蛋饼做好，然后拿走
NIO（同步非阻塞）：付完钱后，告诉小哥一声，我等会儿过来拿
AIO（异步非阻塞）：告诉小哥鸡蛋饼做好给我送到我家（外卖）

Java 网络通信

Java 中提供了一套网络 API 用于网络通信，可以使用这套 API 进行分布式网络通信。其中就包含 UDP 与 TCP 以及组播 Multicast 的实现：

UDP:
    DatagramSocket
    DatagramChannel
TCP
    Socket/ServerSocket
    SocketChannel
Multicast
    MulticastSocket

注：组播

单播，点对点通信

广播，一对多通信

组播，介于单播和广播之间，针对组进行通信

除此之外，也可以基于开源框架进行分布式通信，比如 Mina、Netty 等，你可以理解他们是对 socket 的封装和增强。

Socket/ServerSocket

Socket 是对传输层的封装，所以除了 IP 地址以及端口，还需要指定通讯协议(应用层协议，比如 http)，才可进行两点之间的通信。

示例代码：

// Socket服务端
public class SocketServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        while (true) {
            final Socket socket = server.accept();
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        PrintWriter writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
                        while (true) {
                            //读取客户端发送过来的消息
                            String line = reader.readLine(); 
                            if (line == null) {
                                break;
                            } else {
                                System.out.println(System.currentTimeMillis() +  "服务端收到数据：" + line);
                            }
                            //给客户端发送一条消息回复
                            writer.println(" - 我收到了你的消息，客户端");
                            writer.flush();
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

// Socket客户端
public class SocketClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Socket socket = new Socket("localhost", 8888);
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); //读取服务端信息
        PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);  // 往服务端写数据
        writer.println("你好，服务端");
        while (true) {
            String serverData = reader.readLine();
            if (serverData == null) {
                break;
            } else {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + " - 客户端收到数据：" + serverData);
            }
        }
        writer.close();
        socket.close();
    }
}

Multicast

Java 组播示例：

/**
 * 组播
 * 如果你在大街上喊一声美女，将会有一组人(女)回头看你
 */
public class Multicast {

    public static class MulticastServer {
        public static void main(String[] args) {
            try {
                //  组定义
                //  组的地址端处于 224.0.0.0 - 239.255.255.255
                InetAddress group = InetAddress.getByName("224.5.5.6");
                MulticastSocket server = new MulticastSocket();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    String data = "你好年轻人";
                    server.send(new DatagramPacket(data.getBytes(), data.getBytes().length, group, 8888)); // DatagramPacket: UDP数据包
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                }
            } catch (UnknownHostException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class MulticastClient {
        public static void main(String[] args) {
            try {
                InetAddress group = InetAddress.getByName("224.5.5.6");
                MulticastSocket client = new MulticastSocket(8888);
                client.joinGroup(group); // 加入指定的组中
                byte[] buf = new byte[256];
                while (true) {
                    DatagramPacket msgPkg = new DatagramPacket(buf, buf.length);
                    client.receive(msgPkg);
                    
                    String msg = new String(msgPkg.getData());
                    System.out.println(msg);
                }
            } catch (UnknownHostException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

二、分布式通信基础