Android常用的网络协议串讲

1.前言

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现在社会处处都在使用网络，例如，浏览网页、即时聊天以及手机支付等。可是，网络对大部分人而言只是个名词，只知道插上网线、开启数据流量就可以用网络了。但是，作为移动开发人员，不了解网络组成还是有点心虚的。我根据看到的文章，大概地讲一下认识的思路，有错的希望大家指出。

2.网络协议架构

Models.png

网络主要有两种模型可供参考，最基本的是OSI七层参考模型，从底层到表层主要包括（详见羽若其的博客）：

• 物理层：连接网络的硬件设备，就是将电脑连接起来的物理手段，如光纤。
• 数据链路层：建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能，如32位和64位计算机，他们的解码方式是不一样的，数据链路层就规定了二进制数据的解读方式。
• 网络层：进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。网络层建立了主机之间的通信，它在网络层引入了一套地址机制：网络地址，简称网址（IP地址）。通过IP地址，可以找到任意一台计算机。
• 传输层：定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错效验，定义了端口和端口之间的通信，使不同的应用程序能够接收到自己所需要的数据。
• 会话层：包括建立、管理、终止会话，使应用程序之间的通信实现自动寻址，自动收发数据。
• 表示层：数据的表示、安全、压缩。比如要用基于Unix系统的MAC电脑给PC机发送数据，表示层为我们解决了通信间语法的问题。
• 应用层：网络服务与最终用户的一个接口。比如不同的文件类型要用不同的应用程序打开，应用层中就规定了不同应用程序的数据格式。

但是，七层参考模型过于详细，所以把因特网TCP/IP协议族内的所有协议进行归类，抽象为右图所示的四层参考模型。

3.各协议串讲

TCP/IP Model.png

网络互连层主要包括三个协议：ICMP、IGMP和IP。其中IP协议是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。
　　传输层以IP协议为基础，有两大协议：TCP、UDP，主要解决数据如何在网络中传输，详细可参考sunshine静的博客。

TCP（传输控制协议）	UDP（用户数据报协议）
面向连接，发送数据前建立连接	无连接，发送数据前不建立连接
逻辑通信信道是全双工的可靠信道，传送数据（理论上）无差错、不丢失、不重复，且按序到达	不可靠信道，不提供差错恢复和数据重传，尽最大努力交付，但不保证可靠交付
面向字节流，把数据看成一连串无结构的字节流	面向报文，没有拥塞控制（当网络拥塞时，不会使源主机的发送速率降低，适合实时应用）
点到点连接	支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
首部开销大，20个字节	首部开销小，只有8个字节

应用层基于TCP协议可以划分为：HTTP、HTTPS两种协议，主要解决如何包装数据和识别数据。由于HTTPS是HTTP的安全版，两个协议有些共同点：客户端每次请求，服务端都得响应；请求结束后，会主动释放连接，所以“无状态”。

HTTP（超文本传输协议）	HTTPS（加密的超文本传输协议）
调用套接字接口（Socket），明文传输，不安全	被嵌入加密套接字层（SSL），密文传输，安全
端口80	端口443
不需要证书	需要到CA申请证书

4.Socket与长连接

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Socket本身并不是协议，而是一个针对TCP或UDP的调用接口（API），使用它才能按照底层协议进行网络通信。它包含进行网络通信必需的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远程主机的IP地址，远程进程的协议端口。
　　Socket虽不占层级，但起到连接应用层和传输层的作用。这种设计可以解决多应用导致多个传输层连接并发时，区分不同网络连接的通信，防止数据传输的冲突。

Socket使用TCP建立长连接	使用HTTP建立长连接
双方互相发送数据	服务器只能被动接受客户端请求予以回应
通信时长为连接建立到断开	短连接，无通信时长，得不断发送请求
系统为了节约资源，会关闭长时间不用的连接；服务器为了区分用户是否在线，也会设置过期时间。需每隔一段时间，发送空包表明仍需连接	建立连接需耗资源，越频繁地询问服务器的操作，越耗资源

5.三次握手和四次挥手

Handshake.png

现在知道使用TCP协议传数据需先建立连接，这个过程通常称为“三次握手”：

• 第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送SYN（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers）包（Seq=X），客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。
• 第二次握手：服务器接收客户端SYN包并确认（Ack=X+1），同时向客户端发送一个SYN包（Seq=Y），即SYN+Ack包，此时服务器进入SYN_RECEIVED状态。
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+Ack包，向服务器发送确认包（Ack=Y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

Wave.png

连接一旦建立，除非有一方主动关闭连接，否则理论上会一直保持下去。关闭的流程，与建立流程很类似：

• 第一次挥手：客户端向服务器发起中断请求，向服务器发送FIN包（seq=u），客户端进入FIN_WAIT状态，等待服务器确认。
• 第二次挥手：服务器接收客户端FIN包，但数据可能没发送完，先只确认（ack=u+1），同时向客户端发送一个ACK包（seq=v），此时服务器进入CLOSE_WAIT状态。
• 第三次挥手：服务器数据传送完毕，向客户端发送FIN包（seq=w），服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端确认。
• 第四次挥手：客户端接收服务器FIN包，在确认（ack=w+1）的同时，向服务器发送一个ACK包（seq=u+1）。由于担心网络影响ACK包的传递，为重发丢失的ACK报文，客户端进入TIME_WAIT状态。服务器收到ACK包后，进入CLOSED状态，客户端等待2MSL仍没有收到服务器反馈，也进入CLOSED状态，完成四次挥手。
  　　由于Socket连接通常是基于TCP协议的，所以建立连接的过程也符合“三次握手”，步骤为：服务器监听、客户端请求和连接确认。

6.总结

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网络协议很多，纵向上是一层套一层，横向上则是种类繁多，为不同情况专门设计。所以了解协议对理解应用场景很有启发，也有助于解读相应的通信框架。