一、TCP/IP协议
计算机与网络设备要相互通信,双方就必须基于相同的方法。比如,如何探测到通信目标、由哪一边先发起通信、使用哪种语言进行通信、怎样结束通信等规则都需要事先确定。不同的硬件、操作系统之间的通信,所有的这一切都需要一种规则。而我们就把这种规则称为协议(protocol)。
TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称,比如:TCP,UDP,IP,FTP,HTTP,ICMP,SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。
TCP/IP模型是互联网的基础,它是一系列网络协议的总称。这些协议可以划分为四层,分别为链路层、网络层、传输层和应用层。
- 链路层:负责封装和解封装IP报文,发送和接受ARP/RARP报文等。
- 网络层:负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。
- 传输层:负责对报文进行分组和重组,并以TCP或UDP协议格式封装报文。
- 应用层:负责向用户提供应用程序,比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
OSI七层模型 | TCP/IP概念层模型 | 功能 | TCP/IP协议族 |
---|---|---|---|
应用层 | 应用层 | 文件传输,电子邮件,文件服务,虚拟终端 | TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet 等等 |
表示层 | 应用层 | 数据格式化,代码转换,数据加密 | 没有协议 |
会话层 | 应用层 | 解除或建立与别的接点的联系 | 没有协议 |
传输层 | 传输层 | 提供端对端的接口 | TCP,UDP |
网络层 | 网络层 | 提供端对端的接口 | IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP |
数据链路层 | 链路层 | 传输有地址的帧以及错误检测功能 | SLIP,CSLIP,PPP,MTU |
物理层 | 链路层 | 以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 | ISO2110,IEEE802,IEEE802.2 |
在网络体系结构中网络通信的建立必须是在通信双方的对等层进行,不能交错。 在整个数据传输过程中,数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾(仅数据链路层需要封装协议尾)部分,也就是要对数据进行协议封装,以标识对应层所用的通信协议。
二、TCP
当一台计算机想要与另一台计算机通讯时,两台计算机之间的通信需要畅通且可靠,这样才能保证正确收发数据。例如,当你想查看网页或查看电子邮件时,希望完整且按顺序查看网页,而不丢失任何内容。当你下载文件时,希望获得的是完整的文件,而不仅仅是文件的一部分,因为如果数据丢失或乱序,都不是你希望得到的结果,于是就用到了TCP。
TCP协议全称是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,由 IETF 的RFC 793定义。TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构,你可以把它想象成排水管中的水流。
1. TCP连接过程
如下图所示,可以看到建立一个TCP连接的过程为(三次握手的过程):
第一次握手
客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后,客户端便进入 SYN-SENT 状态。
第二次握手
服务端收到连接请求报文段后,如果同意连接,则会发送一个应答,该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号,发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。
第三次握手
当客户端收到连接同意的应答后,还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态,服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态,此时连接建立成功。
通俗的说法:
1)Client:嘿,李四,是我,听到了吗?
2)Server:我听到了,你能听到我的吗?
3)Client:好的,我们互相都能听到对方的话,我们的通信可以开始了。
2. TCP断开链接
建立一个连接需要三次握手,而断开一个连接需要四次挥手,这由TCP的半关闭造成。既然一个TCP连接是全双工(即数据在两个方向上能同时传递),因此每个方向必须单独地关闭。原则就是当一方完成它的数据发送任务就能发送一个FIN来终止这个方向上的连接。当一端收到一个FIN,它必须通知应用层另一端已经终止了数据传送。理论上客户端和服务端都可以发起主动关闭,但是更多情况下是客户端主动发起。
第一次挥手
若客户端 A 认为数据发送完成,则它需要向服务端 B 发送连接释放请求。
第二次挥手
B 收到连接释放请求后,会告诉应用层要释放 TCP 连接。然后会发送 ACK 包,并进入 CLOSE_WAIT 状态,此时表明 A 到 B 的连接已经释放,不再接收 A 发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的,所以 B 仍旧可以发送数据给 A。
第三次挥手
B 如果此时还有没发完的数据会继续发送,完毕后会向 A 发送连接释放请求,然后 B 便进入 LAST-ACK 状态。
第四次挥手
A 收到释放请求后,向 B 发送确认应答,此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL(最大段生存期,指报文段在网络中生存的时间,超时会被抛弃) 时间,若该时间段内没有 B 的重发请求的话,就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后,也便进入 CLOSED 状态。
通俗的说法:
1)Client:我所有东西都说完了
2)Server:我已经全部听到了,但是等等我,我还没说完
3)Server:好了,我已经说完了
4)Client:好的,那我们的通信结束
3、TCP协议的特点
面向连接
面向连接,是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”,这样能建立可靠的连接。建立连接,是为数据的可靠传输打下了基础。仅支持单播传输
每条TCP传输连接只能有两个端点,只能进行点对点的数据传输,不支持多播和广播传输方式。面向字节流
TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输,而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。可靠传输
对于可靠传输,判断丢包,误码靠的是TCP的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据(假设丢失了)将会被重传。提供拥塞控制
当网络出现拥塞的时候,TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量,缓解拥塞TCP提供全双工通信
TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据,因为TCP连接的两端都设有缓存,用来临时存放双向通信的数据。当然,TCP可以立即发送一个数据段,也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段(最大的数据段大小取决于MSS)
三、UDP
UDP协议全称是用户数据报协议,在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包,是一种无连接的协议。在OSI模型中,在第四层——传输层,处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点,也就是说,当报文发送之后,是无法得知其是否安全完整到达的。
它有以下几个特点:
面向无连接
首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的,想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工,不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。
具体来说就是:
在发送端,应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议,UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议,然后就传递给网络层了
在接收端,网络层将数据传递给传输层,UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层,不会任何拼接操作有单播,多播,广播的功能
UDP 不止支持一对一的传输方式,同样支持一对多,多对多,多对一的方式,也就是说 UDP 提供了单播,多播,广播的功能。UDP是面向报文的
发送方的UDP对应用程序交下来的报文,在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文,既不合并,也不拆分,而是保留这些报文的边界。因此,应用程序必须选择合适大小的报文不可靠性
首先不可靠性体现在无连接上,通信都不需要建立连接,想发就发,这样的情况肯定不可靠。
并且收到什么数据就传递什么数据,并且也不会备份数据,发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。
再者网络环境时好时坏,但是 UDP 因为没有拥塞控制,一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好,也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包,但是优点也很明显,在某些实时性要求高的场景(比如电话会议)就需要使用 UDP 而不是 TCP。头部开销小,传输数据报文时是很高效的。
UDP 头部包含了以下几个数据:
(1)两个十六位的端口号,分别为源端口(可选字段)和目标端口
(2)整个数据报文的长度
(3)整个数据报文的检验和(IPv4 可选 字段),该字段用于发现头部信息和数据中的错误
因此 UDP 的头部开销小,只有八字节,相比 TCP 的至少二十字节要少得多,在传输数据报文时是很高效的。
四、TCP和UDP对比
1、对比
特点分类 | UDP | TCP |
---|---|---|
是否连接 | 无连接 | 面向连接 |
是否可靠 | 不可靠传输,不使用流量控制和拥塞控制 | 可靠传输,使用流量控制和拥塞控制 |
连接对象个数 | 支持一对一,一对多,多对一和多对多交互通信 | 只能是一对一通信 |
传输方式 | 面向报文 | 面向字节流 |
首部开销 | 首部开销小,仅8字节 | 首部最小20字节,最大60字节 |
适用场景 | 适用于实时应用(IP电话、视频会议、直播等) | 适用于要求可靠传输的应用,例如文件传输 |
2、总结
- TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ,UDP向上层提供无连接不可靠服务。
- 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确,但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为
- 对数据准确性要求高,速度可以相对较慢的,可以选用TCP
五、HTTP
HTTP(超文本传输协议)是利用TCP在两台电脑(通常是Web服务器和客户端)之间传输信息的协议。客户端使用Web浏览器发起HTTP请求给Web服务器,Web服务器发送被请求的信息给客户端。
HTTP是短连接:客户端发送请求都需要服务器端回送响应。请求结束后,主动释放连接,因此为短连接。通常的做法是,不需要任何数据,也要保持每隔一段时间向服务器发送”保持连接”的请求。这样可以保证客户端在服务器端是”上线”状态。
HTTP连接使用的是”请求-响应”方式,不仅在请求时建立连接,而且客户端向服务器端请求后,服务器才返回数据。
六、socket
应用在使用 TCP 或 UDP 时,会用到操作系统提供的类库。这种类库一般被称为 API(Application Programming Interface,应用编程接口)。
Socket是BSD UNIX的进程通信机制,通常也称作”套接字”,用于描述IP地址和端口,是一个通信链的句柄。Socket可以理解为TCP/IP网络的API,它定义了许多函数或例程,程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。电脑上运行的应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。
Socket 本质是编程接口(API),对 TCP/IP 的封装,TCP/IP 也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是 Socket 编程接口。
参考文章:
https://www.cnblogs.com/fundebug/p/differences-of-tcp-and-udp.html
https://www.liwenzhou.com/posts/Go/15_socket/
https://segmentfault.com/a/1190000022410446