功不唐捐【基础篇】——TCP/IP协议

TCP/IP，是互联网各类协议族的总称，包括了很多协议，它为设备在互联网内传输信息规定了标准。

TCP/IP分层

四层模型

关于TCP/IP分层的说法有很多，在这里我们将它按照层次分为以下四层：
1. 应用层
应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。
比如：FTP（文件传输协议）、DNS（域名系统）……
另外HTTP协议也属于该层（https增加了http安全性）
2. 传输层
由两个协议组成
- TCP（传输控制协议）
- UDP（用户数据报协议）
3. 网络层
网络层处理网络上流动的数据包。
数据包是网络传输的最小单位，而本层决定了数据包是怎样（路线）传送的对方。
4. 链路层
处理网络连接的硬件部分。

通信过程

在进行网络通信时，会按照层的顺序：发送端从应用层向下，接收端则往从下向上走。

TCP的三次握手和四次挥手

先介绍一下涉及到的概念：

1. 位码即tcp标志位,有6种标示:
   
   • SYN(synchronous建立联机)
   • ACK(acknowledgement 确认)
   • PSH(push传送)
   • FIN(finish结束)
   • RST(reset重置)
   • URG(urgent紧急)
2. Sequence number(顺序号码) 和 Acknowledge number(确认号码）
3. 状态：CLOSED、LISTEN、SYN_RCVD等等；

三次握手

1. 第一次握手：A发送位码为syn＝1,随机产生sequence number=1234567的数据包到服务器，B由SYN=1知道，A要求建立联机；
2. 第二次握手：B收到请求后要确认联机信息，向A发送acknowledge number=(客户端的sequence number+1),syn=1,ack=1,随机产生sequence number=3456789的包
3. 第三次握手：A收到后检查acknowledge number是否正确，（即第一次发送的sequence number+1,以及位码acknowledge 是否为1）若正确，A会再发送acknowledge number=(B的seq+1),ack=1，B收到后确认sequence 值与ack=1则连接建立成功。
4. 三次握手完成，A与B开始传送数据。

四次挥手

1. 客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送（报文段4）
2. 服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
3. 服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A（报文段6）。
4. 客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）

状态详解

• CLOSED：表示初始状态。
• LISTEN：表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。
• SYN_RCVD： 这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。
• SYN_SENT： 这个状态与SYN_RCVD呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
• ESTABLISHED：表示连接已经建立了。
• FIN_WAIT_1：FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
• FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接。
• TIME_WAIT： 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
• CLOSING： 这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？其实细想一下，也不难得出结论：那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。
• CLOSE_WAIT： 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。
• LAST_ACK：这个状态是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。

TCP和UDP区别

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）。

区别

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，TCP包头20字节；UDP少，UDP包头8个字节）；
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。