Android與物聯網裝置通訊-UDP&TCP協議

香脆的大雞排發表於2019-03-02
AndroidUDPTCP協議

有很多小夥伴私聊我說更新太慢，奪命吹吹吹。一週一次，還不能滿足你們嗎？

好，那我不寫了。╭(╯^╰)╮！！！

額，儘量保持完成稽核後就交貨釋出啦。實際上前面的章節都是週末完成等到週三才發的。

上一節我們細說了網路模型分層。知道了七層分法實際現在只有五層了。今天我們展開來學習傳輸層UDP和TCP的協議。因為這兩個協議關聯性比較大，且篇幅不高。故合併層一個小節學習。

章節

目錄

  • UDP
  • TCP

UDP （User Datagram Protocol）

它是一種高速但資料不可靠的協議，為什麼說它不可靠呢？是因為與之對應的TCP是非常可靠和穩定的。我們先看一下UDP的報文結構再講解傳遞資料過程的原理。

UDP報文

image.png

可以看到很簡單，沒有什麼東西需要特別說明的，根據前幾節的知識就可以推斷出來。UDP的效率高並非在報文上，而是它的傳輸機制就是隻管往外發，對方能不能接收到（是否存在），並不關心。

你一定還記得網路不通的時候ping一下，這種小秀的騷操作的把？沒有錯它的底層就是依靠UDP協議直接實現的，ping的過程就是客戶端組裝UDP報文，和DNS伺服器接收解析UDP並響應客戶端的過程。當ping不通的時候就會出現超時，即DNS伺服器不回覆客戶端。

所以UDP的傳輸可理解成來資料了，就不管三七二一就是一個走你，拜拜了您勒。也不去校驗到底有沒有收到。

正常情況下一條報文會被路由、交換機經過一層層轉發，最後到該接收的位置。他們依靠上一節提到的資料鏈路層和網路層來尋找主機。UDP協議只關心埠。這種最典型的UDP稱為單播UDP，除此之外還有組播和廣播。關於組播和廣播，我們後續的章節講到做查詢裝置時會詳細講解，並做一個小demo。

TCP（Transmission Control Protocol）

相對UDP來說TCP協議就要穩定很多了。同樣我們先看報文結構，再學習傳輸原理。

TCP報文

image.png

我們重點看幾個欄位說明：

  • 序號： 表示傳送端當前包位於整組資料的第幾個位元組，也叫流水號。用於確保資料組的穩定性。

  • ack號： 也叫確認號，表示接收方收到了多少個位元組，表示期待下一組資料的位元組序號。

  • 資料偏移： 一般不用，但是出現在TCP頭裡如果可選欄位增加後，就要在資料偏移中指明偏移的位置，最多可以將20位元組的頭擴充套件到60個位元組。

  • 控制位： 6個標誌位URG ACK PSH RST SYN FIN每一個表示一個控制功能，也就是告訴對方當前的包是做什麼用的標識。

  • 視窗： 接收端告訴傳送端自身的快取大小的。避免過大的資料包導致接收端接受不過來而丟失資料。

控制位詳解

  • URG： 緊急指標標誌是否有效。

  • ACK： 確認序號是否有效。

  • PSH： 重新整理快取標誌1有效，0忽略，要求把資料儘快給應用，而不要放在快取裡。（java裡的flush方法）

  • RST： 異常標誌，表示強制斷開連線，在異常的情況下。

  • SYN： 連線過程同步序號標誌。

  • FIN： finish標誌，用於釋放連線1表示關閉連線。

咋一看你會發現TCP的報文比UDP複雜了好多，一大堆東西。我的老夥計，別擔心。那麼底層的事情又不要你處理。你只需要知道它們在幹嘛。並且值得說的是在Java上做socket程式設計時，你根本就感知不到底層欄位的狀態。到上層在處理資料的時候僅僅只有一個輸入流和輸出流了。這樣極大的方便了應用層的簡便開發。

TCP協議分析

我們知道TCP是面向連線的，它嚴格的把控住了每一次傳輸的資料的穩定性。那麼它是如何做到的呢？乾巴巴的說太過於抽象，現在我們實際動手寫一下程式碼(kotlin)搭配利刃wireshark分析一下。

服務端

fun main(args: Array<String>) {
  val ss=  ServerSocket(22222);
    while (true){
        val accept = ss.accept()
        val dataInputStream = DataInputStream(accept.getInputStream())
        val dataOutputStream = DataOutputStream(accept.getOutputStream())
        val s = dataInputStream.readUTF()
        dataOutputStream.writeUTF("hello Server")
        dataInputStream.close()
        dataOutputStream.close()
        accept.close()
        println(s)
    }
}
複製程式碼

客戶端

fun main(args: Array<String>) {
    val socket = Socket("192.168.0.5", 22222);
    val dataOutputStream = DataOutputStream(socket.getOutputStream())
    val dataInputStream = DataInputStream(socket.getInputStream())
    dataOutputStream.writeUTF("hello")
    val s = dataInputStream.readUTF()
    dataInputStream.close()
    dataOutputStream.close()
    socket.close()
    println(s)
}
複製程式碼

值得注意的是wireshark無法直接抓到TCP在本地的迴路包，但是我們可以使用命令列配置一下就可以了，不然抓不到本機的迴路包。

  • 給路由表新增一條 route add 本機IP mask 255.255.255.255 路由IP metric 1

  • 抓完刪除route delete 本機IP

為了方便演示，我這裡使用了兩塊網路卡。所以往路由裡新增了兩次迴路IP。

這裡首先我們開啟服務端，進入了迴圈監聽狀態，隨後開啟了客戶端連線上後傳送一個hello，服務端收到後回覆了一個hello Server。再沒有做更多的事情了。我們來看一下通過wireshark抓到的包。

image.png

  • 客戶端： 192.168.0.4埠：55705（作業系統協議棧分配）
  • 服務端： 192.168.0.5 埠：22222（我們定義的）

1.啟動服務端後，作業系統將開始對22222埠的SYN包進行監聽。

2.客戶端啟動，並嘗試連線服務端，由作業系統協議棧隨機分配一個傳送埠。

握手:

3.客戶端組裝一組SYN報文傳送至服務端22222號端，標記客戶端seq為0。（完成第一次握手）

4.服務端收到SYN包，並組裝一組SYN、ACK報文，內容是告訴客戶端我確認了你的SYN包，並期待你的下一組資料從1開始，標記服務端seq為0。（完成第二次握手）

5.客戶端收到服務端返回的SYN、ACK包報文，，標記客戶端seq為1，並組裝一組ACK報文，內容是告訴服務端期望收到的下一組ack從1開始。（完成第三次握手）

發包:

6.客戶端組裝了一組PSH、ACK包，並帶上ack=1，內容為hello，傳送個服務端。

7.服務端收到了內容為hello的包，確認後將ack加上收到的內容的長度。組裝一組PSH、ACK並帶上ack=8傳送給客戶端。

揮手:

8.客戶端收到服務端的訊息，更新自己的seq=8,並組裝一組FIN、ACK包，並帶上ack=15確認號，嘗試請求斷開連線。（客戶端第一次主動揮手）

9.服務端收到客戶端的FIN包，更新自己的seq=15，並組裝一組FIN、ACK包，並帶上ack=8傳送給客戶端。（服務端確認，開始第二次揮手。）

10.客戶端收到服務端的ack包並檢測seq是否一致，組裝一組ACK包傳送給服務端。（第三次揮手）

11.服務端收到客戶端的ack並檢測seq是否一致,組裝一組ACK包傳送給客戶端。（第四次揮手）

上面描述的這個過程從字面上去看並沒有太大意義，我希望你真正開啟wireshark和程式碼，除錯著玩玩。

回顧過程：

握手： 客戶端和服務端會先進行三次握手，握手的時候會告訴對方自身的窗體大小和ack確認號。這個過包的功能是從ACK、SYN來達到認識的。

傳輸資料： 在接受對方的資料時，在下一組包裡帶上ACK標記告知對方我已經收到了多少內容，期待下一組內容的起始位置。

揮手： 相互確認包是否傳送完整，再雙方確認了ACK後。才真正揮手完畢。

丟包或包校驗不對情況： 作業系統協議棧會根據ACK和SEQ號對控制位為ACK的包進行校驗，如果對不上則要求重發上一組包。

到此UDP&TCP的協議我們就學習完了。這裡沒有去演示UDP包的抓取過程，因為如果TCP都會了UDP就不是什麼難題。再一個沒有展示wireshark的具體使用過程，因為網上實在有很多優秀的教程了。

即便如此，我敢打賭的是如果讀者是第一次接觸TCP/IP絕對會因為很多概念和發來發去的欄位搞得頭暈或者一知半解。因為我的能力還不足以讓你看看文章就完全懂了。（原話出自凱哥 ^o^）

聽我一句勸，這個時候不要放棄，成熱打鐵趕快開啟分析工具，照著我前面的程式碼跑起來。再拿出紙筆寫寫畫一畫。深挖一下真正的去感受它們的巧妙之處。你會感覺這個設計是非常棒的。

話說大家看得真的有收穫嗎？如果覺得不錯，又想獎勵我一下戳這裡打賞（聽說打賞有吹更效果噢）。

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