深度理解网络协议

开局一张图

IP:

网际协议IP是传输层的心脏,也是网络层中最重要的协议。 

IP层接收由更低层(网络接口层例如以太网设备驱动程序)发来的数据包,
并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层;相反,IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的,
因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。
IP数据包中含有发送它的主机的地址(源地址)和接收它的主机的地址(目的地址)。

TCP/IP: 

  • TCP(Transmission Control Protocol),即传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前,必须先在双方之间建立一个TCP连接,之后才能传输数据。TCP提供超时重发,丢弃重复数据,检验数据,流量控制等功能,保证数据能从一端传到另一端。理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接前,TCP连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求。
  • TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。 通过TCP协议,得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个Socket之间必须建立连接,以便在TCP协议的基础上进行通信,当一个Socket(通常都是Server Socket)等待建立连接时,另一个Socket可以要求进行连接,一旦这两个Socket连接起来,它们就可以进行双向数据传输,双方都可以进行发送和接收操作。

UDP/IP:

  • UDP(User Datagram Protocol),即用户数据报协议,是一个无连接的简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性,它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户端和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,固而传输速度很快。
  • UDP是一种面向无连接的协议,每个数据报都是一个独立的信息,包括完整的源地址或目的地址,它在网路上以任何可能的路径传往目的地,因此能否到达目的地,到达目的地的时间已经内容的正确性都是不能被保证的。

Socket:

  • Socket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。网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换,这个双向链路的一端称为一个Socket,一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。应用程序通常通过“套接字”向网络发送请求或者应答网络请求。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面,但是,Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种,因此两者之间是没有必然联系的。
  • Socket通讯过程:服务器监听某个端口是否有连接请求,客户端向服务端发送连接请求,服务端收到连接请求向客户端发出接收信息,这样一个连接就建立起来了。客户端和服务端都可以相互发送消息与对方进行通讯。
  • Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Scoket去组织数据,以符合指定的协议。
  • 由于通常情况下Socket连接就是TCP连接,因此Socket连接一旦建立,通信双方即可开始相互发送数据内容,直到双方连接断开。但在实际网络应用中,客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点,例如路由器、网关、防火墙等,大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致Socket连接断连,因此需要通过轮询告诉网络,该连接处于活跃状态。

  

  套接字(socket)概念  

  • 套接字(socket)是通信的基石,是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示,包括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、远地主机的IP地址,远地进程的协议端口。
  • 应用层通过传输层进行数据通信时,TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接,许多计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口,区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信,实现数据传输的并发服务。 

  建立socket连接

  • 建立Socket连接至少需要一对套接字,其中一个运行于客户端,称为ClientSocket ,另一个运行于服务器端,称为ServerSocket。
  • 套接字之间的连接过程分为三个步骤:服务器监听,客户端请求,连接确认。

  Socket连接与TCP连接

  • 创建Socket连接时,可以指定使用的传输层协议,Socket可以支持不同的传输层协议(TCP或UDP),当使用TCP协议进行连接时,该Socket连接就是一个TCP连接

现在,我们将目光转到应用层

  

HTTP:

  

  • HTTP(Hypertext Transfer Protocol )协议是建立在TCP协议之上的一种应用,HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式,不仅在请求时需要先建立TCP连接,而且需要客户端向服务器发出请求请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息,服务器端才能回复数据。服务器响应包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。在请求结束后,会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接,因此HTTP连接是一种“短连接”,要保持客户端程序的在线状态,需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即使不需要获得任何数据,客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求,服务器在收到该请求后对客户端进行回复,表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求,则认为客户端“下线”,若客户端长时间无法收到服务器的回复,则认为网络已经断开。
  • 为了获得适当的传输速度,则需要TCP花费额外的回路链接时间(RTT)。每一次链接的建立需要这种经常性的开销,而其并不带有实际有用的数据,只是保证链接的可靠性。因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法:HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息,因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。
  • 结论:HTTP是应用层协议,其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用SOCKET实现HTTP。SOCKET是实现传输层协议的一种编程API,可以是TCP,也可以是UDP。

WEBSOCKET:

  

WebSocket是html5规范

  • WdbSocket是html5规范中的一个部分,它借鉴了socket这种思想,为web应用程序客户端和服务端之间(注意是客户端服务端)提供了一种全双工通信机制。同时,它建立在TCP之上,同 HTTP 一样是一种应用层协议,一开始的握手需要借助HTTP请求完成

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