一、网络协议
网络协议如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规则(如语言)一样,计算机之间能够进行相互通信是因为它们都共同遵守一定的规则,即网络协议。
OSI参考模型和TCP/IP模型在不同的层次中有许多不同的网络协议,如图所示:
我们今天主要讨论的是传输层的协议,即考虑应用程序之间的逻辑通信。简单来说就是数据该如何发送给其他机器;
二、UDP
UDP(User Datagram Protocol):用户数据报协议;UDP是面向无连接的通信协议,即在数据传输时,数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说,当一台计算机向另外一台计算机发送数据时,发送端不会确认接收端是否存在,就会发出数据,同样接收端在收到数据时,也不会向发送端反馈是否收到数据。
2.1 UDP传输过程
UDP是面向报文传递数据的;在UDP传输过程中,分别为发送端和接受端;
发送端使用UDP发送数据时,首先将其包裹成一个UDP报文(包含数据与首部格式)通过网络将其发送给接收端;接受端接收到UDP报文后,首先去掉其首部,将数据部分交给应用程序进行解析;
需要注意的是,UDP不保证数据传递的可靠性,在传递过程中可能出现丢包等情况,另外,即使接收方不存在报文依旧被发送出去(丢包)。但正是因为UDP不需要花费额外的资源来建立可靠的连接,因此UDP传输速度快,资源消耗小;
2.2 UDP报文格式
一个完整的UDP报文包含首部和载荷(数据)两部分,首部由 4 个 16 位(2 字节)长的字段,共8个字节组成,分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度和校验值。
UDP 报文中每个字段的含义如下:
- 源端口:发送端所使用应用程序的UDP端口,接受端的应用程序理由这个字段的值作为响应的目的地址;这个字段是可选的,所以发送端的应用程序不一定会把自己的端口号写入该字段中。如果不写入端口号,则把这个字段设置为 0。这样,接收端的应用程序就不能发送响应了。
- 目的端口:接收端计算机上 UDP 软件使用的端口。
- 长度:表示 UDP 数据报长度,单位:字节;包含 UDP 报文头+UDP 数据长度。因为 UDP 报文头长度是 8 个字节,所以这个值最小为 8。
- 校验值:可以检验数据在传输过程中是否被损坏。
2.3 UDP总结
由于使用UDP协议消耗资源小,通信效率高;因此一般用于实时性要求比较高的场合如:音频、视频的传输等;例如视频会议都使用UDP协议,如果出现了网络丢包情况也只是造成卡帧现象,对整体影响不大
但是在使用UDP协议传送数据时,由于UDP的面向无连接性,不能保证数据的完整性,因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。UDP的交换过程如下图所示。
三、TCP
TCP(Transmission Control Protocol):传输控制协议;TCP协议是面向连接的通信协议;即传输数据之前,在发送端和接收端建立逻辑连接,然后再传输数据,它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。
在TCP连接中必须要明确客户端(发送端)与服务器端(接收端),由客户端向服务端发出连接请求,每次连接的创建都需要经过“三次握手”;
3.1 TCP报文格式
一个完整的TCP报文同样也是由首部和数据载荷组成;TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。
- 源端口:占2个字节,16个比特;表示发送该报文的应用程序端口号,用于接收端的响应;
- 目的端口号:占2个字节,16个比特;标识接受该TCP报文的应用程序端口号;
- 序号:数据载荷中的数据都是有顺序的,序号用于标识发送端向接收端发送的数据字节流的位置;
序号占4个字节,32个比特位,取值范围
2^32-1
,序号增加到最后一个时,下一个序列号又回到0;
- 确认号:期望收到对方下一个TCP报文序号的起始位置,同时也是对之前收到的数据进行确认;
确认号和序号一样,占4个字节,32个比特位,取值范围
2^32-1
,确认号增加到最后一个时,下一个确认号又回到0;
A向B发送数据:
B向A发送数据:
若确认号=n,则表明,序号n-1为止的所有数据都已正确接收,期望接收序号为n的数据;
- 本次的序列号:上次的确认号
- 本次的确认号:上次的序列号+1
- 数据偏移:占4个比特,用来指出数据载荷部分的起始处距离报文的起始处有多远;也就是TCP首部的长度。需要注意的是数据偏移以4个字节为单位;
如图:
-
保留字段:占6个比特,保留为今后使用,但目前为0;
-
窗口: 占2个字节,16个比特;用于流量控制和拥塞控制,表示当前接收缓冲区的大小。在计算机网络中,通常是用接收方的接收能力的大小来控制发送方的数据发送量。TCP连接的一端根据缓冲区大小确定自己的接收窗口值,告诉对方,使对方可以确定发送数据的字节数。
-
校验和:占2个字节,16比特;检查报文的首部和数据载荷两部分,底层依赖于具体的校验算法;
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紧急指针:占2个字节,16比特;用来指明紧急数据的长度;当发送端有紧急数据时,可将紧急数据插队到发送缓存的最前面,并立刻封装到一个TCP报文段中进行发送。紧急指针会指出本报文段数据载荷部分包含了多长的紧急数据,紧急数据之后是普通数据
-
选项:附加一些额外的首部信息;
-
填充:由于选项的长度可变,因此用来填充的确认报文首部能被4整除(因为数据偏移字段,也就是首部长度字段,是以4字节为单位的);
-
标志位:
- ACK(确认):取值为1时确认号字段才有效;取值为0时确认号字段无效,一般情况下都为1;
- SYN(同步):在连接建立时用来同步序号
- FIN(终止):为1时表明发送端数据发送完毕要求释放连接
- RST(复位):用于复位TCP连接,值为1时说明连接出现了异常,必须释放连接,然后再重新建立连接,有时RST置1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个TCP连接;
- PSH(推送):为1时接收方应尽快将这个报文交给应用层,而不必等到接受缓存都填满后再向上交付
- URG(紧急):为1时表明紧急指针字段有效,取值为0时紧急字段无效;
3.2 三次握手
由于TCP是基于可靠通信的,在发送数据之前必须建立可靠的连接;TCP建立连接的过程分为三个步骤,我们称为”三次握手”;
简单的过程如下图所示:
- 1)第一次握手:发送端向接收端端发出连接请求,等待接受的响应。
- 2)第二次握手,接收端向发送端响应,通知发送端收到了连接请求。
- 3)第三次握手,客户端再次向服务器端发送确认信息,确认连接。整个交互过程如下图所示。
我们结合TCP报文原理来具体分析一下三次握手的详细流程:
原理图如下:
-
1)第一次握手:首先A使用TCP连接向B发送报文(此报文不携带载荷,只有首部),报文中的SYN记为1(如果发送失败,重新发送记为2),序号记为x
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2)第二次握手:B接受到A发送的报文后,给A发送一个确认报文(该报文也仅有首部),报文中SYN和ACK都取值为1,用于标志这是一个确认报文段;同时此次响应的序号记为y,确认号为上一次序号x加1的值,表示已经成功接收到x+1之前的所有内容,下一次开始接受x+1之后的数据(包含x+1的数据);
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3)第三次握手:A再次向B发送TCP确认,序号为x+1,代表发送序号x之后的数据;确认号为y+1,代表已经接收了来自B的响应的全部数据;
3.3 四次挥手
TCP建立连接时需要”三次握手”,断开连接时则需要”四次挥手”;
原理图如下:
- 1)A向B发送连接释放请求,标记FIN=1(表示需要断开连接);序号记为u(u为之前已发送的最后一个字节数据的序号+1),确认号记为v(v为之前已接受的最后一个字节数据的序号+1)
- 2)B收到A发送的断开连接请求后开始响应,标记序号为v,确认号为u+1(代表已经成功接收A发送的数据,接下来开始接受u+1及之后序号的数据)
- 3)主机B如果仍有数据需要传输依旧可以传输,如果B没有数据需要发送时,需给A发送连接释放报文。标记FIN=1,序号为w(同理,此时w是B之前已发送最后一个字节数的序号+1),确认号为u+1;
- 4)A接收到B发送的连接释放报文后,最终给B发送一个TCP确认报文,代表确定接受到B需要连接断开。序号为u+1,确认号为w+1(代表B发送的数据以及全部接受完毕)
3.4 TCP总结
使用TCP协议传输数据时,必须要建立可靠连接(三次握手),当连接关闭时还需要四次挥手,对性能损耗较大,如果频繁的创建和关闭TCP连接性能势必会有很大影响。但是由于TCP的可靠传输,对一些数据完整性要求较高的场合比较适用,如文件上传下载等;
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