什么叫协议？主流协议族TCP/IP协议与HTTP协议的联系及区别！

一. 协议协议，究竟什么是协议？

其实，协议就是规定！就是一系列约定俗称的规则，使彼此之间的沟通（通信）更加快捷！（闭门造车，车门合辙~）

1.举个例子

假如你现在开发一个计算服务器和一个计算器。计算器程序每次会把运算符和操作数放到一个数据包里发送给计算服务器进行计算请求。然后服务器返回结果响应。

我们在上述通信过程中，遵循的协议大概如下图所示：（其实就是通信规则嘛）

如果没有上述协议的规范化，我们自然就没有办法统一 数据包的格式，也没有办法统一 响应状态码的值。

这种情况下，就相当于两个语言不通的人讲话，自然无法交流。

只有当我们统一了交流语言，也就是统一了 协议 之后，通信才能正常进行，彼此才能知道对方的状态。

2.计算机网络一般分为5层

每一层都有自己的协议，我们一层一层来介绍，为什么要有这样的协议。

应用层

最常见的应用层协议就是访问网站用的HTTP协议了。

试想，如果没有统一的HTTP协议，那么我们访问不同的网站服务器，将是以下情形：

如果用户A（浏览器）用Apache的格式去访问Tomcat服务器，毫无疑问，TomCat无法理解你请求的内容。

也就是说，浏览器得根据不同的服务器类型，发送不同格式的协议数据包。这简直是太麻烦了！
既然都是访问网站，为什么不统一一种数据格式呢？我们每次访问网站就按照这种格式传递数据不就好了嘛？

因此，国际标准化组织提出统一的HTTP协议。
所有的浏览器公司，都要按照HTTP协议的设定，来设计自己的程序。
同样的，所有的服务器公司，也要按照HTTP协议的设定，设计自己的服务器程序。

如此一来，Google浏览器可以用相同的数据格式访问各种服务器，不仅如此，IE, 360都是如此，大家相处和睦，通信不会有问题。

传输层

传输层的代表协议是TCP和UDP。传输层的主要作用就是控制数据传输过程的可靠性。（UDP除外）
一般来讲，传输层的功能都是由操作系统实现了。

试想，如果Windows和Linux实现不同的传输层协议，那么由于数据格式的差异，彼此之间无法通信。

因此，传输层协议的统一性也是必要的。 它使不同操作系统之间也能进行可靠传输
国际标准化组织就提出了TCP和UDP这两个统一标准。

网络层

网络层同理。它要完成寻址的功能，必然要有同种格式的地址才行。那么IP协议应运而生，通过规定IP地址，在网络中唯一标识一台计算机。如果地址格式都不同，那如何寻址？

此外，统一网络层协议，可以让数据包经过不同厂商生产的路由器进行传播。甭管你是华为路由器还是TPLink路由器，只要都服从IP协议，那就可以传输数据包。

数据链路层

数据链路层主要负责一个链路之间信息的传递。

只要你是以太网网卡，那么不管你是哪个公司生产的，都要求是根据以太网协议设计而来，都能识别以太网的首部。因此规定了以太网协议。

物理层

我们都知道，计算机里面都是1010
那么物理传输中，可以用高低电平、光、无线信号等手段模拟二进制来传播。
如果通信双方使用的物理协议都不一致，那么对信息的理解必然会出错：

三.总结

为什么网络中要有协议这个概念？
为什么要将相同功能的协议进行统一化？
为什么通信双方要用相同的协议？

为了快捷有效的通信！！！

二. TCP/IP协议简介

现在Internet（因特网）使用的主流协议族是TCP/IP协议族，它是一个分层、多协议的通信体系。简单说一下TCP/IP协议族体系结构以及主要协议

1.TCP/IP协议族体系结构以及主要协议

TCP/IP协议族是一个四层协议系统，自底而上分别是数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务，如下图所示。

1.1 数据链路层

数据链路层实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介（比如以太网、令牌环等）上的传输。不同的物理网络具有不同的电气特性，网络驱动程序隐藏了这些细节，为上层协议提供一个统一的接口。
数据链路层两个常用的协议是ARP协议（Address Resolve Protocol，地址解析协议）和RARP协议（Reverse Address Resolve Protocol，逆地址解析协议）。它们实现了IP地址和机器物理地址（通常是MAC地址，以太网、令牌环和802.11无线网络都使用MAC地址）之间的相互转换。
网络层使用IP地址寻址一台机器，而数据链路层使用物理地址寻址一台机器，因此网络层必须先将目标机器的IP地址转化成其物理地址，才能使用数据链路层提供的服务，这就是ARP协议的用途。RARP协议仅用于网络上的某些无盘工作站。因为缺乏存储设备，无盘工作站无法记住自己的IP地址，但它们可以利用网卡上的物理地址来向网络管理者（服务器或网络管理软件）查询自身的IP地址。运行RARP服务的网络管理者通常存有该网络上所有机器的物理地址到IP地址的映射。

1.2 网络层

网络层实现数据包的选路和转发。WAN（Wide Area Network，广域网）通常使用众多分级的路由器来连接分散的主机或LAN（Local Area Network，局域网），因此，通信的两台主机一般不是直接相连的，而是通过多个中间节点（路由器）连接的。网络层的任务就是选择这些中间节点，以确定两台主机之间的通信路径。同时，网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，使得在传输层和网络应用程序看来，通信的双方是直接相连的。
网络层最核心的协议是IP协议（Internet Protocol，因特网协议）。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复这一过程，数据包最终到达目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。可见，IP协议使用逐跳（hop by hop）的方式确定通信路径。
网络层另外一个重要的协议是ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）。它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。ICMP协议使用的报文格式如下图所示。

上图中，8位类型字段用于区分报文类型。它将ICMP报文分为两大类：一类是差错报文，这类报文主要用来回应网络错误，比如目标不可到达（类型值为3）和重定向（类型值为5）；另一类是查询报文，这类报文用来查询网络信息，比如ping程序就是使用ICMP报文查看目标是否可到达（类型值为8）的。有的ICMP报文还使用8位代码字段来进一步细分不同的条件。比如重定向报文使用代码值0表示对网络重定向，代码值1表示对主机重定向。ICMP报文使用16位校验和字段对整个报文（包括头部和内容部分）进行循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC），以检验报文在传输过程中是否损坏。不同的ICMP报文类型具有不同的正文内容。ICMP报文格式可以参考ICMP协议的标准文档RFC 792。
需要指出的是，ICMP协议并非严格意义上的网络层协议，因为它使用处于同一层的IP协议提供的服务（一般来说，上层协议使用下层协议提供的服务）。

1.3 传输层

传输层为两台主机上的应用程序提供端到端（end to end）的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。下图展示了传输层和网络层的这种区别。

上图中，垂直的实线箭头表示TCP/IP协议族各层之间的实体通信（数据包确实是沿着这些线路传递的），而水平的虚线箭头表示逻辑通信线路。该图中还附带描述了不同物理网络的连接方法。可见，数据链路层（驱动程序）封装了物理网络的电气细节；网络层封装了网络连接的细节；传输层则为应用程序封装了一条端到端的逻辑通信链路，它负责数据的收发、链路的超时重连等。
传输层协议主要有三个：TCP协议、UDP协议和SCTP协议。
TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流（stream）的服务。TCP协议使用超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确地发送至目的端，因此TCP服务是可靠的。使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态、读写缓冲区，以及诸多定时器等。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。TCP服务是基于流的。基于流的数据没有边界（长度）限制，它源源不断地从通信的一端流入另一端。发送端可以逐个字节地向数据流中写入数据，接收端也可以逐个字节地将它们读出。
UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）则与TCP协议完全相反，它为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。“不可靠”意味着UDP协议无法保证数据从发送端正确地传送到目的端。如果数据在中途丢失，或者目的端通过数据校验发现数据错误而将其丢弃，则UDP协议只是简单地通知应用程序发送失败。因此，使用UDP协议的应用程序通常要自己处理数据确认、超时重传等逻辑。UDP协议是无连接的，即通信双方不保持一个长久的联系，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收端的地址（IP地址等信息）。基于数据报的服务，是相对基于流的服务而言的。每个UDP数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出，否则数据将被截断。
SCTP协议（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）是一种相对较新的传输层协议，它是为了在因特网上传输电话信号而设计的。SCTP协议的具体内容可参考其标准文档RFC 2960。

1.4 应用层

应用层负责处理应用程序的逻辑。数据链路层、网络层和传输层负责处理网络通信细节，这部分必须既稳定又高效，因此它们都在内核空间中实现，如图1所示。而应用层则在用户空间实现，因为它负责处理众多逻辑，比如文件传输、名称示。而应用层则在用户空间实现，因为它负责处理众多逻辑，比如文件传输、名称查询和网络管理等。如果应用层也在内核中实现，则会使内核变得非常庞大。当然，也有少数服务器程序是在内核中实现的，这样代码就无须在用户空间和内核空间来回切换（主要是数据的复制），极大地提高了工作效率。不过这种代码实现起来较复杂，不够灵活，且不便于移植。本书只讨论用户空间的网络编程。
应用层协议很多，图1仅列举了其中的几个：
ping是应用程序，而不是协议，前面说过它利用ICMP报文检测网络连接，是调试网络环境的必备工具。
telnet协议是一种远程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务，本书后续章节将会多次使用telnet客户端登录到其他服务上。
OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）协议是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。
DNS（Domain Name Service，域名服务）协议提供机器域名到IP地址的转换，我们将在后面简要介绍DNS协议。
应用层协议（或程序）可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议。应用层协议（或程序）通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如DNS协议。我们可以通过/etc/services文件查看所有知名的应用层协议，以及它们都能使用哪些传输层服务。

三. HTTP协议简介

HTTP协议—WWW的核心

众所周知，Internet的基本协议是TCP/IP协议，目前广泛采用的FTP、Archie Gopher等是建立在TCP/IP协议之上的应用层协议，不同的协议对应着不同的应用。WWW服务器使用的主要协议是HTTP协议，即超文体传输协议。由于HTTP协议支持的服务不限于WWW，还可以是其它服务，因而HTTP协议允许用户在统一的界面下，采用不同的协议访问不同的服务，如FTP、Archie、SMTP、NNTP等。另外，HTTP协议还可用于名字服务器和分布式对象管理。

1. HTTP协议特点

HTTP是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。它于1990年提出，经过几年的使用与发展，得到不断地完善和扩展。目前在WWW中使用的是HTTP/1.0的第六版，HTTP/1.1的规范化工作正在进行之中，而且HTTP-NG(Next Generation of HTTP)的建议已经提出。
HTTP协议的主要特点可概括如下：
1.支持客户/服务器模式。
2.简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。
由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快。
3.灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
4.无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
5.无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

2. 几个重要概念

1.连接(Connection)：一个传输层的实际环流，它是建立在两个相互通讯的应用程序之间。
2.消息(Message)：HTTP通讯的基本单位，包括一个结构化的八元组序列并通过连接传输。
3.请求(Request)：一个从客户端到服务器的请求信息包括应用于资源的方法、资源的标识符和协议的版本号
4.响应(Response)：一个从服务器返回的信息包括HTTP协议的版本号、请求的状态(例如“成功”或“没找到”)和文档的MIME类型。
5.资源(Resource)：由URI标识的网络数据对象或服务。
6.实体(Entity)：数据资源或来自服务资源的回映的一种特殊表示方法，它可能被包围在一个请求或响应信息中。一个实体包括实体头信息和实体的本身内容。
7.客户机(Client)：一个为发送请求目的而建立连接的应用程序。
8.用户代理(User agent)：初始化一个请求的客户机。它们是浏览器、编辑器或其它用户工具。
9.服务器(Server)：一个接受连接并对请求返回信息的应用程序。
10.源服务器(Origin server)：是一个给定资源可以在其上驻留或被创建的服务器。
11.代理(Proxy)：一个中间程序，它可以充当一个服务器，也可以充当一个客户机，为其它客户机建立请求。请求是通过可能的翻译在内部或经过传递到其它的服务器中。一个代理在发送请求信息之前，必须解释并且如果可能重写它。
代理经常作为通过防火墙的客户机端的门户，代理还可以作为一个帮助应用来通过协议处理没有被用户代理完成的请求。
12.网关(Gateway)：一个作为其它服务器中间媒介的服务器。与代理不同的是，网关接受请求就好象对被请求的资源来说它就是源服务器；发出请求的客户机并没有意识到它在同网关打交道。
网关经常作为通过防火墙的服务器端的门户，网关还可以作为一个协议翻译器以便存取那些存储在非HTTP系统中的资源。
13.通道(Tunnel)：是作为两个连接中继的中介程序。一旦激活，通道便被认为不属于HTTP通讯，尽管通道可能是被一个HTTP请求初始化的。当被中继的连接两端关闭时，通道便消失。当一个门户(Portal)必须存在或中介(Intermediary)不能解释中继的通讯时通道被经常使用。
14.缓存(Cache)：反应信息的局域存储。

3. 运作方式

HTTP协议是基于请求／响应范式的。一个客户机与服务器建立连接后，发送一个请求给服务器，请求方式的格式为，统一资源标识符、协议版本号，后边是MIME信息包括请求修饰符、客户机信息和可能的内容。服务器接到请求后，给予相应的响应信息，其格式为一个状态行包括信息的协议版本号、一个成功或错误的代码，后边是MIME信息包括服务器信息、实体信息和可能的内容。
许多HTTP通讯是由一个用户代理初始化的并且包括一个申请在源服务器上资源的请求。最简单的情况可能是在用户代理(UA)和源服务器(O)之间通过一个单独的连接来完成
当一个或多个中介出现在请求／响应链中时，情况就变得复杂一些。中介由三种：代理(Proxy)、网关(Gateway)和通道(Tunnel)。一个代理根据URI的绝对格式来接受请求，重写全部或部分消息，通过URI的标识把已格式化过的请求发送到服务器。网关是一个接收代理，作为一些其它服务器的上层，并且如果必须的话，可以把请求翻译给下层的服务器协议。一个通道作为不改变消息的两个连接之间的中继点。当通讯需要通过一个中介(例如：防火墙等)或者是中介不能识别消息的内容时，通道经常被使用。

在用户代理(UA)和源服务器(O)之间有三个中介(A,B和C)。一个通过整个链的请求或响应消息必须经过四个连接段。这个区别是重要的，因为一些HTTP通讯选择可能应用于最近的连接、没有通道的邻居，应用于链的终点或应用于沿链的所有连接。每个参与者都可能从事多重的、并发的通讯。例如，B可能从许多客户机接收请求而不通过A，并且／或者不通过C把请求送到A，在同时它还可能处理A的请求。
任何针对不作为通道的汇聚可能为处理请求启用一个内部缓存。缓存的效果是请求／响应链被缩短，条件是沿链的参与者之一具有一个缓存的响应作用于那个请求。下图说明结果链，其条件是针对一个未被UA或A加缓存的请求，B有一个经过C来自O的一个前期响应的缓存拷贝。

在Internet上，HTTP通讯通常发生在TCP/IP连接之上。缺省端口是TCP 80，但其它的端口也是可用的。但这并不预示着HTTP协议在Internet或其它网络的其它协议之上才能完成。HTTP只预示着一个可靠的传输。
以上简要介绍了HTTP协议的宏观运作方式，下面介绍一下HTTP协议的内部操作过程。
首先，简单介绍基于HTTP协议的客户/服务器模式的信息交换过程，如图2-4所示，它分四个过程，建立连接、发送请求信息、发送响应信息、关闭连接。

在WWW中，“客户”与“服务器”是一个相对的概念，只存在于一个特定的连接期间，即在某个连接中的客户在另一个连接中可能作为服务器。WWW服务器运行时，一直在TCP80端口(WWW的缺省端口)监听，等待连接的出现。
下面，讨论HTTP协议下客户/服务器模式中信息交换的实现。

1.建立连接 连接的建立是通过申请套接字(Socket)实现的。客户打开一个套接字并把它约束在一个端口上，如果成功，就相当于建立了一个虚拟文件。以后就可以在该虚拟文件上写数据并通过网络向外传送。
2.发送请求
打开一个连接后，客户机把请求消息送到服务器的停留端口上，完成提出请求动作。
HTTP/1.0 请求消息的格式为：
请求消息=请求行(通用信息|请求头|实体头) CRLF[实体内容]
请求 行=方法 请求URL HTTP版本号 CRLF
方 法=GET|HEAD|POST|扩展方法
U R L=协议名称+宿主名+目录与文件名
请求行中的方法描述指定资源中应该执行的动作，常用的方法有GET、HEAD和POST。不同的请求对象对应GET的结果是不同的，对应关系如下：
对象 GET的结果
文件 文件的内容
程序 该程序的执行结果
数据库查询 查询结果
HEAD——要求服务器查找某对象的元信息，而不是对象本身。
POST——从客户机向服务器传送数据，在要求服务器和CGI做进一步处理时会用到POST方法。POST主要用于发送HTML文本中FORM的内容，让CGI程序处理。
一个请求的例子为：
GET http://networking.zju.edu.cn/zju/index.htm HTTP/1.0
头信息又称为元信息，即信息的信息，利用元信息可以实现有条件的请求或应答 。
请求头——告诉服务器怎样解释本次请求，主要包括用户可以接受的数据类型、压缩方法和语言等。
实体头——实体信息类型、长度、压缩方法、最后一次修改时间、数据有效期等。
实体——请求或应答对象本身。
3.发送响应
服务器在处理完客户的请求之后，要向客户机发送响应消息。
HTTP/1.0的响应消息格式如下：
响应消息=状态行(通用信息头|响应头|实体头) CRLF 〔实体内容〕
状 态 行=HTTP版本号 状态码 原因叙述
状态码表示响应类型
1×× 保留
2×× 表示请求成功地接收
3×× 为完成请求客户需进一步细化请求
4×× 客户错误
5×× 服务器错误
响应头的信息包括：服务程序名，通知客户请求的URL需要认证，请求的资源何时能使用。
4.关闭连接
客户和服务器双方都可以通过关闭套接字来结束TCP/IP对话

四. TCP/IP 和 HTTP 的区别和联系

1. 故事一

下个月你就要结婚了，打个电话给老王。

你先打开电话本，查找“老王”的电话号码：老王 -> 13987654321（DNS解析）。

然后你用手机拨打了13987654321（IP）。

你的手机连接到了联通的基站（路由器），联通（你自己的网关）发现这是个移动的手机号，通过移动的帮助，找到了老王的手机（MAC），老王的手机开始响铃。

“嘟……”（TCP握手）

-“喂？老绿啊！”

-“哈哈，是我啊，老王！（连接建立）下个月我结婚，你有空吗？”（开始传输数据，先说事）

-“噢，有啊！”

“那你记一下地址啊（再说时间地点）！北京市东长安街16号午门太和殿。”

“诶，你慢点说（流量控制），我记一下。”

-“北京市”（缩小了滑动窗口）

“嗯，然后呢？”（ACK）

“东长安街16号”

“东……16号”（ACK）-“午门太和殿”

“午门（ACK“午门”）什么殿？你再说一遍，我没听清！”（“太和殿”传输失败，数据包丢失）

-“太和殿”（重传）

“好！记下了”（传输成功）-

“那回见啊！”（准备断开连接）

“好嘞！”【通话已结束】（连接断开）

刚才的例子实际上传递了一段信息：我下个月结婚。HTTP只是信息的载体，刚才说的“汉语”就是HTTP。你也可以用其他协议传递，比如“I’m getting married next month”，只要对方能理解协议，那就是同一个意思。电话线路相当于一个TCP连接。TCP提供了流量控制、数据重传等机制保证了数据可靠顺序传输。当然这个例子中，可靠传输是靠人来保证的。

HTTP和TCP的联系，是HTTP（要结婚的消息）使用TCP（电话）提供的“传输能力”。除此之外，没了。

网络协议就是一个栈，提供对等通信。这里解释下对等。老王和老绿只与电话发生交互，他们不理解声音如何转换成电信号，也不理解电磁波如何传播。他们只知道，我对着电话说汉语，对方就能听到汉语。老王和老绿就是一个对等的协议层。两部电话也是对等的协议层，它们给上面的老王和老绿提供传输语音的服务。而电话提供的服务，底层又依赖电磁波传递无线信号。最后形成了一个个服务层，完成了打电话这个事情。再举个栗子，两个老板要约时间谈生意，他们会跟自己的秘书下达指令，让秘书搞定约会这个事。双方的秘书会互相联系，约好时间地点和司机，最后搞定这个问题。老板们不会跟对方的秘书联系（除非是小老板对马老板，那他们实际上就是不对等的），因为他们不是一个层次的。

把上文层次的概念，放到计算机网络中，就是协议栈。协议栈的每一层，都专注于自己层的事情：HTTP专注于要传输的信息（HTTP是信息的载体，所以在协议里面会标注信息长度，信息类型等），TCP专注于传输的可靠（为了可靠传输，TCP会给自己层的包标注大小和顺序，并且有确认机制），IP负责因特网传输（IP也有自己的格式，自己查吧），再下面的层负责与局域网和硬件打交道。

简单来说，网络协议栈里面，每层都解决了计算机通信流程的某一环节的问题。它们使用下层提供的能力跟对方机器的相应协议层通信，给上层提供自己的服务。

最后，TCP的下层是IP。“我下个月结婚”这几个字，你也可以通过短信（UDP）或微信（其他传输协议）来发送。虽然传输层协议不一样（电话 vs 短信），底层还是依赖IP协议（发短信仍然需要知道对方的电话号码）。

2. 故事二

写信时把成文字写到信纸上，信纸就是http

把这个信纸塞进信封里，这个信封就是tcp

把这个信封写上地址交给邮局，地址就是IP

一层套一层，环环相扣，就是协议的联系，每层每步都是协议。

五. 网络七层