TCP/IP协议简单小结

你的名字 2021-12-01 11:22 242阅读 0赞

**目录**

1 TCP/IP协议概述

2 经典问题总结

Q1：为什么建立一个TCP连接需要三次握手而关闭一个TCP连接需要四次挥手？

Q2：详细解释三次挥手、四次握手。

Q3：TCP为什么不是两次握手？

Q4：TCP和UDP的区别是什么？

Q5：为什么UDP有时比TCP更有优势？

Q6： 用socket实现TCP/UDP通信的程序步骤

Q7：什么是面向字节流，什么是面向报文？

Q8：什么是面向连接和面向无连接？

3 相关协议

3.1 HTTP

3.2 FTP

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# **1 TCP/IP****协议概述** #

**起源**：60年代末的美国政府资助的一个分组交换网络研究项目。

**作用**：允许不同操作系统之间进行相互通信，被称为是Internet的基础。

**分层**：TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议的组合，TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统。

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每一层负责不同的功能：

1) **链路层**，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的**设备驱动程序**和计算机中对应的**网络接口卡**。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

2) **网络层**，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。

3 ) **运输层**主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。

4 ) **应用层**负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些

通用的应用程序：

• Telnet 远程登录。

• FTP 文件传输协议。

• SMTP 简单邮件传送协议。

• SNMP 简单网络管理协议。

# **2 经典问题总结** #

## **Q1****：为什么建立一个****TCP****连接需要三次握手而关闭一个****TCP****连接需要四次挥手？** ##

> 建立一个TCP连接，需要三次握手。而关闭一个TCP连接，需要四次挥手，这是因为TCP的半关闭（half-close）造成的。

## **Q2****：详细解释三次挥手、四次握手。** ##

> 三次握手的最主要目的是保证连接是双工的，可靠更多的是通过重传机制来保证的。
> 
> **三次握手：**指建立一个TCP连接时，需要客户端服务端总共发送3个包以确认连接的建立，**这是确保信息正确传输的条件**。
> 
> **第一次握手（客户端向服务端发起请求）**：Client将标志位SYN置为1（表示要发起一个连接），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（服务端接收请求后回复客户端响应）**：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（客户端收到服务端请求后，回给客户端一个确认信息）**：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。

> **四次挥手：**终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。
> 
> **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。

## **Q3****：****TCP****为什么不是两次握手？** ##

> 防止已失效的连接请求又传送到服务器端，因而产生错误。
> 
> 假设改为两次握手，client端发送的一个连接请求在服务器滞留了，这个连接请求是无效的，client已经是closed的状态了，而服务器认为client想要建立一个新的连接，于是向client发送确认报文段，而client端是closed状态，无论收到什么报文都会丢弃。而如果是两次握手的话，此时就已经建立连接了。服务器此时会一直等到client端发来数据，这样就浪费掉很多server端的资源。

## **Q4****：****TCP****和****UDP****的区别是什么？** ##

> 1.  TCP协议是有连接的，有连接的意思是开始传输实际数据之前TCP的客户端和服务器端必须通过三次握手建立连接，会话结束之后也要四次挥手结束连接。而UDP是无连接的；
> 2.  TCP协议保证数据按序发送，按序到达，提供**超时重传**来保证可靠性，但是UDP不保证按序到达，甚至不保证到达，只是努力交付，即便是按序发送的序列，也不保证按序送到。
> 3.  TCP协议所需资源多，TCP首部需20个字节（不算可选项），UDP首部字段只需8个字节。
> 4.  TCP有流量控制和拥塞控制，UDP没有，网络拥堵不会影响发送端的发送速率；
> 5.  TCP是一对一的连接，而UDP则可以支持一对一，多对多，一对多的通信；
> 6.  TCP面向的是字节流的服务，UDP面向的是报文的服务；
> 7.  tcp延时高，适用于数据传输准确度要求高的场合，udp适用于数据传输量大，实时性要求高的场合
> 
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## **Q5****：为什么****UDP****有时比****TCP****更有优势？** ##

> UDP以其简单、传输快的优势，在越来越多场景下取代了TCP,如实时游戏。
> 
> （1）网速的提升给UDP的稳定性提供可靠网络保障，丢包率很低，如果使用应用层重传，能够确保传输的可靠性。
> 
> （2）TCP为了实现网络通信的可靠性，使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程，由于TCP内置的系统协议栈中，极难对其进行改进。
> 
> 采用TCP，一旦发生丢包，TCP会将后续的包缓存起来，等前面的包重传并接收到后再继续发送，延时会越来越大，基于UDP对实时性要求较为严格的情况下，采用自定义重传机制，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成影响。

## **Q6： 用socket实现TCP/UDP通信的程序步骤** ##

**socket是一个套接字，就是为网络服务提供的一种机制，通信的两端都有Socket，网络通信其实就是Socket间的通信，数据在两个Socket间通过IO传输。**

> **udp****的发送端：**
> 
> 1，建立udp的socket服务，创建对象时如果没有明确端口，系统会自动分配一个未被使用的端口。
> 
> 2，明确要发送的具体数据。
> 
> 3，将数据封装成了数据包。
> 
> 4，用socket服务的send方法将数据包发送出去。
> 
> 5，关闭资源。
> 
> **udp****的接收端：**
> 
> 1，创建udp的socket服务，必须要明确一个端口，作用在于，只有发送到这个端口的数据才是这个接收端可以处理的数据。
> 
> 2，定义数据包，用于存储接收到数据。
> 
> 3，通过socket服务的接收方法将收到的数据存储到数据包中。
> 
> 4，通过数据包的方法获取数据包中的具体数据内容，比如ip、端口、数据等等。
> 
> 5，关闭资源。
> 
> **TCP****客户端：**
> 
> 1，建立tcp的socket服务，最好明确具体的地址和端口。这个对象在创建时，就已经可以对指定ip和端口进行连接(三次握手)。
> 
> 2，如果连接成功，就意味着通道建立了，socket流就已经产生了。只要获取到socket流中的读取流和写入流即可，只要通过getInputStream和getOutputStream就可以获取两个流对象。
> 
> 3，关闭资源。
> 
> **TCP****服务端：**
> 
> 1，创建服务端socket服务，并监听一个端口。
> 
> 2，服务端为了给客户端提供服务，获取客户端的内容，可以通过accept方法获取连接过来的客户端对象。
> 
> 3，可以通过获取到的socket对象中的socket流和具体的客户端进行通讯。
> 
> 4，如果通讯结束，关闭资源。注意：要先关客户端，再关服务端。

## **Q7：什么是面向字节流，什么是面向报文？** ##

> **面向字节流：**虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。
> 
>  **面向报文：**面向报文的传输方式是应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，则IP层需要分片，降低效率。若太短，会是IP太小。

## **Q8：什么是面向连接和面向无连接？** ##

> 面向连接举例：两个人之间通过电话进行通信。
> 
> 面向无连接举例：邮政服务，用户把信函放在邮件中期待邮政处理流程来传递邮政包裹。显然，不可达代表不可靠。
> 
> TCP面向连接，UDP面向无连接（在默认的阻塞模式下）：
> 
> 在TCP协议中，当客户端退出程序或断开连接时，TCP协议的recv函数会立即返回不再阻塞，因为服务端自己知道客户端已经退出或断开连接，证明它是面向连接的；TCP通信需要服务器端侦听listen、接收客户端连接请求accept，等待客户端connect建立连接后才能进行数据包的收发（recv/send）工作。
> 
> 在UDP协议中，recvfrom这个接收函数将会始终保持阻塞，因为服务端自己不知道客户端已经退出或断开连接，证明它是面向无连接的。UDP则服务器和客户端的概念不明显，服务器端即接收端需要绑定端口，等待客户端的数据的到来。后续便可以进行数据的收发（recvfrom/sendto）工作。

# 3 相关协议 #

## 3.1 HTTP ##

>  HTTP是Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写。它的发展是万维网协会（World Wide Web Consortium）和Internet工作小组IETF（Internet Engineering Task Force）合作的结果。HTTP协议（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示(如文本先于图形)等。 HTTP是一个应用层协议，由请求和响应构成，是一个标准的客户端服务器模型。HTTP是一个无状态的协议。

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默认HTTP的端口号为80，HTTPS的端口号为443。

HTTP协议是一个无状态的协议，同一个客户端的这次请求和上次请求是没有对应关系。

![2019081822373626.png][]

> **工作流程**
> 
> 一次HTTP操作称为一个事务，其工作过程可分为四步：
> 
> 1.  首先客户机与服务器需要建立连接。只要单击某个超级链接，HTTP的工作开始。 
> 2.  建立连接后，客户机发送一个请求给服务器，请求方式的格式为：统一资源标识符（URL）、协议版本号，后边是MIME信息包括请求修饰符、客户机信息和可能的内容。 
> 3.  服务器接到请求后，给予相应的响应信息，其格式为一个状态行，包括信息的协议版本号、一个成功或错误的代码，后边是MIME信息包括服务器信息、实体信息和可能的内容。 
> 4.  客户端接收服务器所返回的信息通过浏览器显示在用户的显示屏上，然后客户机与服务器断开连接。 如果在以上过程中的某一步出现错误，那么产生错误的信息将返回到客户端，有显示屏输出。对于用户来说，这些过程是由HTTP自己完成的，用户只要用鼠标点击，等待信息显示就可以了。

## **3.2 FTP** ##

> FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议） 是 TCP/IP 协议组中的协议之一。FTP协议包括两个组成部分，其一为FTP服务器，其二为FTP客户端。其中FTP服务器用来存储文件，用户可以使用FTP客户端通过FTP协议访问位于FTP服务器上的资源。在开发网站的时候，通常利用FTP协议把网页或程序传到Web服务器上。此外，由于FTP传输效率非常高，在网络上传输大的文件时，一般也采用该协议。
> 
> 默认情况下FTP协议使用TCP端口中的 20和21这两个端口，其中20用于传输数据，21用于传输控制信息。但是，是否使用20作为传输数据的端口与FTP使用的传输模式有关，如果采用主动模式，那么数据传输端口就是20；如果采用被动模式，则具体最终使用哪个端口要服务器端和客户端协商决定。

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文件传输中的处理过程

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzc1MzIxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

常用FTP命令

> FTP是文件传输的Internet标准。与多数其他 TCP应用不同，它在客户进程和服务器进程之间使用两个TCP连接 — 一个控制连接，它一直持续到客户进程与服务器进程之间的会话完成为止；另一个按需可以随时创建和撤消的数据连接。

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