网络协议相关知识介绍

网络的五层划分

网络层次的划分有OSI(Open System Interconnect,开放式系统互联)七层模型和TCP/IP模型。
OSI模型按照从顶层到底层划分7层,分别是:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
由于OSI模型划分的层数太多、模型比较复杂,实现起来比较困难,因此当前网络模型使用的是TCP/IP模型。
TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将网络分成四个层次,每一层都有对应的协议:

  • 应用层,支持网络应用,应用协议仅仅是网络应用的一个组成部分,运行在不同主机上的进程则使用应用层协议进行通信,包含的协议有HTTP、STMP、FTP
  • 传输层,负责为信源和信宿提供应用程序进程间的数据传输服务,包含的协议有TCP、UDP
  • 网络层,负责将数据报独立地从信源发送到信宿,主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题,对应的是协议有IP协议、ARP协议等
  • 网络接口层,该层也可细分为数据链路层和物理层,网络层负责将数据报独立地从信源发送到信宿,主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题。数据链路层负责将IP数据报封装成合适在物理网络上传输的帧格式并传输,或将从物理网络接收到的帧解封,取出IP数据报交给网络层。协议有以太网、Wi-Fi、MPLS等。
网络各层连接示意图

TCP和UDP的区别

先说UDP吧,UDP的全称是User Datagram Protocol,又称为用户数据报文协议,UDP只提供数据的不可靠传递,它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去,就不保留数据备份(所以UDP有时候也被认为是不可靠的数据报协议),而且不保证接收端可以收到。在一些即时通讯领域会采用UDP。

TCP的全程是Transmission Control Protocol,又称为传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

那么TCP是如何保证可靠性的呢?

TCP保证可靠性的手段有:停止等待协议、滑动窗口协议、流量控制、拥塞控制等。

  • 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。
  • 超时重传:当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。
  • TCP给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用层。
  • 校验和:TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  • TCP的接收端会丢弃重复的数据。
  • 流量控制:TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间,TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的我数据。当接收方来不及处理发送方的数据,能提示发送方降低发送的速率,防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。
  • 拥塞控制:当网络拥塞时,减少数据的发送。

TCP的三次握手

三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,指的是在建立TCP连接的过程中,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。

  • 第一次握手:Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。
  • 第二次握手:Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。
  • 第三次握手:Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。
3次握手

那么为什么需要3次握手呢?

我们先来分析一下如果只有2次握手会怎么样,客户端发送一个请求,服务端发出一个响应,此时的情况下连接有可能根本就没有建立起来,因为网络传输是要花费时间的,服务端处理一个客户端连接也可以需要时间,客户端有可能在发送一个连接请求之后马上就关闭了,而此时服务端只是向客户端发送了一个确认的包,紧接着就开始处理网络请求了,这种情况下是不可能成功的。而且既然不需要等待客户端再次发出一个确认数据包,2次握手等同于1次握手,连接不可靠。

如果超过3次握手也没这个必要,毕竟3次就已经可以保证连接建立了。

TCP的四次挥手

四次挥手(Four-Way Wavehand)即终止TCP连接,也就是说断开连接的时候需要客户端和服务端总共发送4个包来确认连接的断开。这个断开连接的过程可以由客户端和服务端任意一方来发起。

四次挥手——客户端主动关闭
  • 第一次挥手:Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。
  • 第二次挥手:Server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),Server进入CLOSE_WAIT状态。
  • 第三次挥手:Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。
  • 第四次挥手:Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

4次挥手还存在着两端同时发起主动关闭的情况,流程图如下:

四次挥手——双方同时主动关闭.png

那么为什么需要4次挥手才能保证连接的断开呢?
这是因为客户端和服务端的读写是双向的,客户端和服务端都要分别发出两个包:

  • 一个数据包用来表示不再发送数据了
  • 一个数据包用来表示不再接收数据了

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