网络协议相关知识介绍

网络的五层划分

网络层次的划分有OSI（Open System Interconnect，开放式系统互联）七层模型和TCP/IP模型。
OSI模型按照从顶层到底层划分7层，分别是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
由于OSI模型划分的层数太多、模型比较复杂，实现起来比较困难，因此当前网络模型使用的是TCP/IP模型。
TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将网络分成四个层次，每一层都有对应的协议：

• 应用层，支持网络应用，应用协议仅仅是网络应用的一个组成部分，运行在不同主机上的进程则使用应用层协议进行通信，包含的协议有HTTP、STMP、FTP
• 传输层，负责为信源和信宿提供应用程序进程间的数据传输服务，包含的协议有TCP、UDP
• 网络层，负责将数据报独立地从信源发送到信宿，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题，对应的是协议有IP协议、ARP协议等
• 网络接口层，该层也可细分为数据链路层和物理层，网络层负责将数据报独立地从信源发送到信宿，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题。数据链路层负责将IP数据报封装成合适在物理网络上传输的帧格式并传输，或将从物理网络接收到的帧解封，取出IP数据报交给网络层。协议有以太网、Wi-Fi、MPLS等。

网络各层连接示意图

TCP和UDP的区别

先说UDP吧，UDP的全称是User Datagram Protocol，又称为用户数据报文协议，UDP只提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份（所以UDP有时候也被认为是不可靠的数据报协议），而且不保证接收端可以收到。在一些即时通讯领域会采用UDP。

TCP的全程是Transmission Control Protocol，又称为传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

那么TCP是如何保证可靠性的呢？

TCP保证可靠性的手段有：停止等待协议、滑动窗口协议、流量控制、拥塞控制等。

• 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。
• 超时重传：当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
• TCP给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
• 校验和：TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
• TCP的接收端会丢弃重复的数据。
• 流量控制：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的我数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。
• 拥塞控制：当网络拥塞时，减少数据的发送。

TCP的三次握手

三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，指的是在建立TCP连接的过程中，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。

• 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
• 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
• 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

3次握手

那么为什么需要3次握手呢？

我们先来分析一下如果只有2次握手会怎么样，客户端发送一个请求，服务端发出一个响应，此时的情况下连接有可能根本就没有建立起来，因为网络传输是要花费时间的，服务端处理一个客户端连接也可以需要时间，客户端有可能在发送一个连接请求之后马上就关闭了，而此时服务端只是向客户端发送了一个确认的包，紧接着就开始处理网络请求了，这种情况下是不可能成功的。而且既然不需要等待客户端再次发出一个确认数据包，2次握手等同于1次握手，连接不可靠。

如果超过3次握手也没这个必要，毕竟3次就已经可以保证连接建立了。

TCP的四次挥手

四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，也就是说断开连接的时候需要客户端和服务端总共发送4个包来确认连接的断开。这个断开连接的过程可以由客户端和服务端任意一方来发起。

四次挥手——客户端主动关闭

• 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
• 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
• 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

4次挥手还存在着两端同时发起主动关闭的情况，流程图如下：

四次挥手——双方同时主动关闭.png

那么为什么需要4次挥手才能保证连接的断开呢？
这是因为客户端和服务端的读写是双向的，客户端和服务端都要分别发出两个包：

• 一个数据包用来表示不再发送数据了
• 一个数据包用来表示不再接收数据了

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