淺談TCP/IP

Python之禪發表於2018-05-28

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每個人每天都在依賴網路通訊，那麼這些裝置之間究竟是如何通訊的？我在這裡寫下這篇文章，你卻能在千山萬水之外閱讀它。今天簡要談一下通訊協議。

網路通訊協議主要是對資訊的傳輸速率、傳輸程式碼、程式碼結構、傳輸控制步驟、差錯控制等做出的規定並制訂的標準。

協議主要由以下三個部分組成：

OSI不是規範，準確的來說，是一個抽象的參考模型，他沒有提供任何具體的實現標準。現有網路大多數可以通過OSI模型來進行分析，瞭解OSI模型有助於分析和管理網路。

OSI是一個分層結構，共有七層：

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TCP/IP協議簇先於OSI參考模型開發，因此層次無法完全和OSI模型對應起來。他將不同的通訊功能整合到不同的網路層次，形成了一個具有四層的體系結構。

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有人也將其分為5層，將鏈路層從網路介面層剝離出來。

網路介面層：主要負責向網路物理介質傳送/接收資料包。因為TCP/IP沒有對物理層和鏈路層進行定義，所以它支援各種底層的網路技術和標準。
網路層：負責處理IP資料包的傳輸、路由選擇、流量控制和擁塞控制。ARP/RARP協議用於將IP地址與底層實體地址進行相互轉換。IP協議既是網路層的核心協議，也是整個TCP/IP協議簇的核心協議。
傳輸層：為兩臺主機提供端到端的通訊。傳輸層主要包括傳輸控制協議TCP（提供可靠的面向連線的傳輸服務），使用者資料包協議UDP（簡單高效的無連線的服務）。可以根據上層應用的實際需求來選擇
應用層：直接為特定的應用程式提供服務，如檔案傳輸協議FTP，簡單郵件傳輸協議SMTP，超文字傳輸協議HTTP。

面向連線與無連線：

想要通過面向連線的協議在兩臺主機之間通訊，需要兩臺主機之間首先建立連線，才能通訊。如何建立/斷開連線？這就涉及到三次握手和四次揮手。後續再講。

而無連線的協議在通訊前不需要建立連線，就像寄信，只需要知道目的地地址就行了（請注意，這只是一個比喻，發郵件並不是使用的無連線協議，因為無連線的協議通常是不可靠的）

可靠與不可靠

可靠的協議保證資料能傳輸到目的地，而且內容不會發生變化。TCP就是一種可靠的協議。

不可靠的協議不能保證將資料傳送到目的地，但是它會盡力而為，還會檢驗送到目的地的資料是否完整。UDP就是一種不可靠的協議。

那麼有人可能會說了？既然有了可靠的協議，還需要不可靠的協議幹什麼？不是多此一舉嗎？非也，下面詳細說說TCP和UDP的優缺點。

位元組流與資料包

位元組流協議表示可以將傳送方傳輸給接收方的資料看作是位元組流。先發出的資料將會被先接收到。TCP屬於位元組流協議。

資料包協議是將資料一個個傳送，沒有順序。UDP就是一種資料包協議。

套接字（Socket）

網路層中，IP利用協議號來指定傳輸協議，傳輸層中，TCP/UDP使用埠號來區分應用程式。將一個IP地址和一個埠號結合，就形成了一個套接字（也稱為插座），套接字用來標明網路中的唯一網路程式。

TCP：

優點：可靠，穩定 TCP的可靠體現在TCP在傳遞資料之前，會有三次握手來建立連線，而且在資料傳遞時，有確認、視窗、重傳、擁塞控制機制，在資料傳完後，還會斷開連線用來節約系統資源。
缺點：慢，效率低，佔用系統資源高，易被攻擊 TCP在傳遞資料之前，要先建連線，這會消耗時間，而且在資料傳遞時，確認機制、重傳機制、擁塞控制機制等都會消耗大量的時間，而且要在每臺裝置上維護所有的傳輸連線，事實上，每個連線都會佔用系統的CPU、記憶體等硬體資源。而且，因為TCP有確認機制、三次握手機制，這些也導致TCP容易被人利用，實現DOS、DDOS、CC等攻擊。

UDP：

優點：快，比TCP稍安全 UDP沒有TCP的握手、確認、視窗、重傳、擁塞控制等機制，UDP是一個無狀態的傳輸協議，所以它在傳遞資料時非常快。沒有TCP的這些機制，UDP較TCP被攻擊者利用的漏洞就要少一些。但UDP也是無法避免攻擊的，比如：UDP Flood攻擊。
缺點：不可靠，不穩定因為UDP沒有TCP那些可靠的機制，在資料傳遞時，如果網路質量不好，就會很容易丟包。

那麼，哪些場景使用TCP，哪些場景使用UDP？

TCP：郵件，遠端登入等等。UDP：NDS，廣播，即時通訊，視訊電話等等。