关于前端那些事 :二、几个重要协议TCP/IP和UDP(每天进步一点点)

1.什么是TCP/IP协议

要想了解什么是TCP/IP协议,就要知道为什么有这个协议。中国人和中国人说话,要遵循汉语的的语法结构,使用汉语的发音。当我们和外国人交流时,就要适用外国的语言了,遵循外国的语法机构和发音。其实这就是一种协议,只不过我们称之为语言。计算机再这方面体现的更为直观,两台机器之间该如何通信呢,就需要制定各种各样的协议了。例如:文件传输适用TCP协议。域名系统适用DNS协议。有了些协议的存在,各种数据流按照规则传输,计算机之间得意通信。

TCP/IP协议是一个协议集合。大家叫的时候方便说,所以统称为TCP/IP。TCP/IP协议族中有一个重要的概念是分层,TCP/IP协议按照层次分为以下四层。应用层、传输层、网络层、数据链路层。为什么要分层?这就如同邓小平1978年的大包干,责任到人。一个层只负责一个层次的问题,如果出问题了,和其他的层次无关,只要维护这个层次也就好了。其实编程语言里也能体现这个分层理论,即封转性、隔离。这里不再延伸细谈。

在上一篇文章中说到了OSI七层模型,在这里TCP/IP也分层了。对照上一篇文章的图:这里写图片描述

由此可见,只不过是划分的方式不同而已,下面是在网上找的图(通信数据流)

这里写图片描述

这里我们主要看TCP、IP、DNS。。。

二:几个协议

1.IP协议

IP(Internet protocol),这里的IP不是值得我们通常所说的192.168.1.1.这个IP指的是一种协议,而后面的数字值得是IP地址。IP协议的作用在于把各种数据包准确无误的传递给对方,其中两个重要的条件是IP地址,和MAC地址(Media Access Control Address)。由于IP地址是稀有资源,不可能每个人都拥有一个IP地址,所以我们通常的IP地址是路由器给我们生成的IP地址,路由器里面会记录我们的MAC地址。而MAC地址是全球唯一的,除去人为因素外不可能重复。举一个现实生活中的例子,IP地址就如同是我们居住小区的地址,而MAC地址就是我们住的那栋楼那个房间那个人。

2.TCP协议

按层次分,TCP属于传输层,提供可靠的字节流服务。什么叫字节流服务呢?这个名字听起来让人不知所以然,下面听下我通俗的解释。所谓的字节流,其实就类似于信息切割。比如你是一个卖自行车的,你要去送货。安装好的自行车,太过庞大,又不稳定,容易损伤。不如直接把自行车拆开来,每个零件上都贴上收货人的姓名。最后送到后按照把属于同一个人的自行车再组装起来,这个拆解、运输、拼装的过程其实就是TCP字节流的过程。

接下来就是响当当的TCP三次握手和四次挥手:

首先介绍一下tcp的报文格式:
这里写图片描述

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上图中有几个字段需要重点介绍下:
  (1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。
  (2)确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。
  (3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:
  (A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
  (B)ACK:确认序号有效。
  (C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  (D)RST:重置连接。
  (E)SYN:发起一个新连接。
  (F)FIN:释放一个连接。

然后下面这个是tcp三次握手和四次挥手的总图

这里写图片描述

上图中

第一次握手:客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口,以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。
第二次握手:服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时,将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的ISN加1以.即X+1。
第三次握手:客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写ISN的+1。
用一张图解释就是
这里写图片描述

然后是四次挥手:

第一次挥手:客户端发送一个FIN,用来关闭服务端到Server的数据传送,客户端进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手:服务端 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),服务端进入CLOSE_WAIT状态
第三次挥手:服务端发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,服务端进入LAST_ACK状态。
第四次挥手:客服端收到FIN后,服务端进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给服务端,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

这里有几个问题:

【问题1】为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?
答:因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,”你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?
答:虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入CLOSE状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

三、最后说一下UDP

UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)
(1) UDP是一个非连接的协议,传输数据之前源端和终端不建立连接,当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据,并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端,UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制;在接收端,UDP把每个消息段放在队列中,应用程序每次从队列中读一个消息段。
(2) 由于传输数据不建立连接,因此也就不需要维护连接状态,包括收发状态等,因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
(3) UDP信息包的标题很短,只有8个字节,相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
(4) 吞吐量不受拥挤控制算法的调节,只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
(5)UDP使用尽最大努力交付,即不保证可靠交付,因此主机不需要维持复杂的链接状态表(这里面有许多参数)。
(6)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给IP层。既不拆分,也不合并,而是保留这些报文的边界,因此,应用程序需要选择合适的报文大小。

我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常,其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包,然后对方主机确认收到数据包,如果数据包是否到达的消息及时反馈回来,那么网络就是通的。

最后的最后小结TCP与UDP的区别:

1.基于连接与无连接;
2.对系统资源的要求(TCP较多,UDP少);
3.UDP程序结构较简单;
4.流模式与数据报模式 ;
5.TCP保证数据正确性,UDP可能丢包,TCP保证数据顺序,UDP不保证。

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