從零建構tcp/ip協定(這次叫pct協定)
這篇部落格是讀完《圖解tcp/ip協定》和《tcp/ip協定詳解卷一：協定》之後的總結
我從0建構了一個可靠的雙工的有序的基于流的協定，叫做pct協定 :)
osi七層模型和tcp/ip四層模型
談到計算機網絡，就一定會說起osi七層模型和tcp/ip四層模型，不過我們先從為何分層 說起。
為什麼要分層
軟體開發的過程中，我們經常聽到的詞語是"解耦"，"高内聚，低耦合"等等諸如此類的 詞語，又常聽見寫java的同學念叨着"橋接模式"，"面向接口"等詞語，那麼他們說的這些 詞語的核心問題是什麼呢?我們先從一個簡單的問題看起：
現在我們需要做一個推送系統，要對接android和ios兩個系統，大家都知道，apple有統一
的推送管道，apns，是以我們隻要接入這個就好，但是android的推送在國内是百家争鳴，
就拿之前我為公司接入推送通知來舉例，要接入極光，小米，可能要接入華為推送。
那我要怎麼從具體的推送裡抽象出來呢?運用面向對象的想法，我們很容易就能想到， 我們有一個父類，叫 basepush ，他的子類就是具體的
mipush , jpush , hmspush 。 父類中有 push_by_id 和 push_by_tag
等方法，子類重寫。這樣我們在具體實作的時候 執行個體化子類，并且調用對應的方法就好。這種思想其實就是面向接口程式設計，在java中我們
可以轉變一下程式設計的寫法，把繼承變成接口。在python中我們就可以直接腦補這種寫法。 用圖來表示，純粹面向對象的時候我們的想法是這樣的：
如果我們把上面的圖倒過來，就變成了面向接口：
在使用面向接口之後，我們就是做了這樣一種假設：
def push(pusher, id):
pusher.push_by_id(id)
即，傳給push函數的pusher執行個體一定存在 push_by_id 方法。正是基于這樣一種假設， 我們得以把具體業務代碼和具體的推送商劃分開來，這就是所謂的抽象，也就是一種分層。
要分層的原因也就顯現出來了，為了把不同的東西錯綜複雜的關系劃分開來，也就是古話 說的"快刀斬亂麻"的這種感覺。
兩種網絡模型
日常程式設計裡我們用的最多的就是tcp了，udp也是有的，但是很少，舉一些常見的例子：
dns -> udp
連接配接mysql -> tcp
連接配接redis -> tcp
rpc -> tcp
通路網站 -> tcp
當然了，這隻是常見實作方式如此，其實用udp也是可以實作的。這篇部落格裡我們暫時不讨論 udp。我們先來看tcp/ip四層是怎麼分層的：
ascii 表格其實挺好看的，最後渲染的時候因為寬字元的原因格式有點亂掉了，下同
+------------+-----------------------+
| 層 | 例如 |
| 應用層 | http協定 |
| 傳輸層 | tcp |
| 網絡互連層 | ip |
| 網絡接口層 | 如網線，雙絞線，wi-fi |
我們直接把 tcp/ip 四層協定 映射到 osi七層協定 上看：
+--------------+---------------+----------------+
| osi 七層協定 | 例如 | 對應tcp/ip四層 |
| 應用層 | http協定 | |
+--------------+---------------+ |
| 表示層 | | 應用層 |
| 會話層 | | |
| 傳輸層 | tcp | 傳輸層 |
| 網絡層 | ip | 網際層 |
| 資料鍊路層 | 網際網路，wi-fi | |
+--------------+---------------+ 網絡接口層 |
| 實體層 | 雙絞線，光纜 | |
接下來我們将從底層逐層向上來解析網絡，最後我們将簡略的介紹tcp(tcp的知識足夠 寫好幾本書，一篇部落格裡遠遠介紹不完。不信可以看看tcp/ip協定詳解那三卷書加起來 有多厚)。
實體層
實體層，顧名思義，就是實體的，可見的東西。也就是平時我們所說的光纖，wi-fi(無線電波)
等，我們知道計算機是用0和1來表示的，對應到不同的媒體裡是不同的表現形式，
是以為了把實體層的實作屏蔽掉，我們把這些都分到一層裡，例如wi-fi通過波的
波峰與波谷可以表示出0和1的狀态(我們平時會說成1和-1，對應計算機裡其實就是1和0)。
對應到電裡，我們可以用高電壓和低電壓來表示出1和0。如同最開始講的例子一樣，
我們不管具體的媒體是什麼，隻知道，我們用的這個媒體有辦法表示1和0。
資料鍊路層
如果我們去郵局寫一封信，填完收件人之後，郵局派發的順序可能是，先投遞到指定的 國家，然後投遞到具體的省，然後市。。。逐次投遞下去。那麼我們玩電腦的時候，計算機 要怎麼把a發給b的資訊準确送達呢?
肯定大家都要有一個位址，上一節我們知道了，不同的媒體都有他的方式表示1和0，那麼
我們給媒體的兩端加上位址，我們叫做mac位址，如何?就拿路由器來說吧，路由器的 mac位址叫做 router ，手機的mac位址叫做
phoner ，為了表示成0和1，我們分别取 字元串的ascii的二進制來表示，路由器叫做 1110010 1101111 1110101
1110100 1100101 1110010 , 而手機則叫做： 1110000 1101000 1101111 1101110
1100101 1110010 ，現在我們終于可以發資訊 了，最少是相鄰的兩個東西可以透過某種媒體來發資訊，是以我們定下這樣的協定：
協定，其實就是一種約定 :)
最開始我們發送111表示資訊開始
然後，我們先有48個bit表示發送者的mac位址，再有48個bit表示接受者的mac位址
之後，就是我們要發送的資訊
最後我們發送000表示結束，如果開頭和結尾不是這樣的，那麼說明這是假的資訊。
知道上面為啥手機叫 phoner 而不叫 phone 了嘛 :) 就是為了保證地指名長度一樣
"hello" 的二進制表示是 "1101000 1100101 1101100 1101100 1101111"，如果路由器要向 手機發送 "hello"的話，那麼就發送這樣一串二進制(用換行分割，這樣更容易看清楚):
這樣表示看起來可行，不過遇到一個問題，就是如果這一串二進制中間就出現了000怎麼辦? 因為計算機讀取的時候是從頭開始讀的，這樣子計算機就會亂掉。
為了解決這個問題，我們修改一下協定，在111之後加上發送者位址+接受者位址+所要發送的 資訊的長度。我們用 16個位元組來表示，也就是說這中間不能發送多于 2 ** 16 個bit。
是以協定變成了：
随後我們用16個bit表示包的長度
發送者位址+接收者位址+hello的bit長度是 6 * 8 + 6 * 8 + 5 * 8 = 136，二進制表示 為: 00000000 10001000
是以發送的整個資訊變成了：
網絡層
現在我們終于可以發送資訊了。不過有個缺點，我們隻能在相鄰的時候才可以發送資訊， 那有沒有辦法可以借助兩兩傳遞，在不同的地方也發送資訊呢?有，那就是我們的網絡層 也就是ip(我們能遇到的最通俗易懂的一個名詞了，暫時把它當作網絡層的代名詞也不為過)。
剛剛我們已經學會了一種技術，就是配置設定一個位址，剛剛的叫做mac位址，我們用來做 相鄰兩個節點的定位。其實這個位址也可以用來在多個節點之間找人，基于這樣一種 技術：每個節點都知道和自己相鄰的節點的mac位址，那麼，比如這樣一種連接配接方式：
a - b - c - e
\ /
- d -
a向e發送消息，就可以這樣：
a向b和d發消息：給我發到e去
b和d接到之後發現來源是a，是以就隻給c發消息：給我發到e去
c接到消息之後發現來源是b和d，是以就給e發消息：給我發到e去
e接到消息之後發現接收方是自己，是以就把消息吞了
你别說，這種方式好像真的行得通呢，除了有一個顯著的問題，a向e發送一份消息， 最後e收到了兩份，這個我們需要到後面進行去重。我們先打上一個todo的标簽吧。
還有一個細節問題，不知道大家發現了麼，剛才我們說過，mac位址是相鄰兩個節點
通信用的，裡面有來源位址和目标位址，如果我們向上面這樣傳輸的話，每個節點都
隻是把裡面的資訊傳過去，但是來源位址卻改要改寫成自己的mac位址，要不然的話，
b就不知道資訊是a發來的還是c發來的呀，對不對?那問題就來了，e要怎麼知道資訊 其實是從a發過來的呢?
沒辦法了，我們隻好在傳輸的資訊裡把真正的來源位址寫進去，是以我們又定了一個 協定，我們管它叫做ip：
mac攜帶的資訊的開始，是來源的ip位址，32個bit表示
然後是目标的ip位址，32個bit表示
然後是我要帶的資訊
那和上面的資料鍊路層的協定合一下起來，假設來源位址是 192.168.1.1 ，目标位址是 192.168.1.2 ，發送的資訊還是 "hello"，整個包就像這樣：
111(開始)
00000000 11001000(長度)
01110010 01101111 01110101 01110100 01100101 01110010(來源mac位址)
01110000 01101000 01101111 01101110 01100101 01110010(目标mac位址)
11000000 10101000 00000001 00000001(來源ip位址)
11000000 10101000 00000001 00000010(目标ip位址)
01101000 01100101 01101100 01101100 01101111(字元串"hello")
000(結束)
這樣是不是就很科學?那必須的。哎呀，終于可以跨節點發送消息了，小開心～
可是還是有問題，如果我想确定a發的資訊一定送達了e怎麼辦?怎麼提供可靠性?ip這一層 并不提供可靠性，隻是說盡量送達。看來有必要再來一層!
傳輸層
我們知道，一台計算機上可能有很多個程式在運作，那怎麼區分不同的程式呢?是以我們 給程式加上了id，叫做pid。那計算機網絡通信的時候怎麼區分呢?又假設n個程序想和另外 一台機器上的某一個程序通信呢?怎麼辦?
不如我們再配置設定一個id吧，他們共同持有這個id就好了。我們把這個id叫做端口(port)。 這樣子的話，通過ip位址我們可以确定計算機，通過端口我們可以确定一個或多個程序。
我們繼續造協定，不過這一次我們想要這個協定賊可靠，是以要多做一些工作。其實要是 按照七層協定來實作的話，完全不必在這一層幹這麼多事情，不同的層幹不同的事情嘛， 對不對。不過為了了解tcp協定，我們呀，也跟着來自己捏造一個協定，不如叫pct好了。
繼續，我們要在ip帶的資訊裡規定好我們這樣發：
首先是來源位址的端口号，8個bit來表示，因為ip裡面已經待了ip位址，我這裡就不重複帶了
然後是目标位址的端口号，8個bit來表示
這樣，簡單的pct協定就做好了。
還有一個問題，就是我們要保證發出去的資訊是有序的，因為可能有的資訊走光纖， 有的資訊走wi-fi，他們傳輸速率不一樣嘛。
是以我們在協定裡這樣寫：
然後是這個包的序号，8個bit來表示
但是我們說好了要把這個協定打造成一個可靠的協定，可不能食言。我想想，怎麼讓他
可靠呢，無非就是我發一個資訊，你告訴我你收到了，要是你不告訴我，我就發到你告訴我
為止。差不多就是這麼個意思。但是呢，又不想構造多個不同的協定，你知道，程式設計的時候 要是寫一堆的if-else樹那可就很蛋疼了。再改改協定：
然後是想确認的包的序号，8個bit來表示
咦，點睛之筆耶，這個确認的包的序号，因為我們是雙向通信，我發他資訊的時候還可以順便 确認我收到了他的包啊，真是一箭雙雕。
tcp是一個面向流的協定，什麼叫流?車流，水流，車流比較形象。車和車之間是分開的，
但是速度一快起來，就可以把它們看成連起來的。tcp也是這樣，單個包之間是分開的，
但是卻可以看作是連起來，為什麼呢?因為每個包裡都帶了ip位址和端口号，ip位址和端口 号一樣的，就可以看作是連起來的 :)
是以我們可以想象一下，我們的ip位址是 192.168.1.1 , 端口号是 1, 目标的ip位址是 192.168.1.2 , 端口号是 2。那我們發送這樣的包：
00000000 11101000(長度)
00000001(來源的端口号)
00000010(目标的端口号)
00000001(發送的包的序号是1)
00000000(已經确認的包的序号是0，表示啥都沒有嘛)
duang，就這樣，我們建構起了屬于自己的可靠的基于流的雙工的協定 :)
順便我們還完成了上面的todo，通過序号我們就可以判斷這個包是不是重複了，哈哈哈， 一箭n雕~
tcp三次握手四次揮手滑動視窗擁塞控制等就不講了，還是去看《tcp/ip協定詳解卷一》吧 :)
應用層
這下我們終于可以放心大膽的發送消息了，pct協定是個負責任的協定，如果能送到，他就一定 會送到，并且是有序的，要是網絡壞掉了，實在連不上，他就會告訴我網絡連不上。
這樣子來程式設計友善多了呀。
現在我想知道浏覽器和伺服器是怎麼通信的。我們來看看百度。
$ telnet www.baidu.com 80
trying 183.232.231.173...
connected to www.baidu.com.
escape character is '^]'.
get / http/1.1
http/1.1 302 moved temporarily
date: sat, 12 aug 2017 10:45:14 gmt
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</html>
^]
telnet>
connection closed.
輸入 get / http/1.1 之後回車，百度就給我傳回了下面的一長串，然後浏覽器再根據 傳回的内容進行渲染，這又是一個大話題了，不講了不講了，收工 :)
作者：佚名
來源：51cto