TCP/IP、HTTP和Socket總結

YuBilai發表於2019-10-17
TCPHTTP

1.這些都是什麼?

  • 既然是網路傳輸，涉及幾個系統之間的互動，那麼首先要考慮的是如何準確的定位到網路上的一臺或者幾臺主機，另一個是如何進行可靠高效的資料傳輸.這裡就要使用到TCP/IP協議。

1.1 TCP/IP協議組

  • TCP/IP協議(傳輸控制協議)由網路層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。
  1. IP層負責網路主機的定位,資料傳輸的路由,由IP地址可以唯一的確定Internet上的一臺主機。
  2. TCP層負責面向應用的可靠的或費可靠的資料傳輸機制，這是網路程式設計的主要物件。
  • TCP/IP是個協議組,可分為三個層次:網路層,傳輸層和應用層:
  1. 網路層：IP協議、ICMP協議、ARP協議、RARP協議和BOOTP協議；
  2. 傳輸層：TCP協議與UDP協議；
  3. 應用層：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等協議；
  • HTTP是應用層協議，其傳輸都是被包裝成TCP協議傳輸。可以用Socket實現HTTP。Socket是實現傳輸層協議的一種程式設計API,可以是TCP，也可以是UDP。

1.2 TCP

  • TCP，即傳輸控制協議，提供的是面向連線、可靠的位元組流服務。當客戶和伺服器彼此交換資料前，必須先在雙方之間建立一個TCP連線，之後才能傳輸資料。TCP提供超時重發，丟棄重複資料，檢驗資料，流量控制等功能，保證資料能從一端傳到另一端。理想狀態下，TCP連線一旦建立，在通訊雙方中的任何一方主動關閉連線前，TCP連線都將被一直保持下去。斷開連線時伺服器和客戶端均可以主動發起斷開TCP連線的請求。 TCP是一種面向連線的保證可靠傳輸的協議。通過TCP協議，得到的是一個順序的無差錯的資料流。傳送方和接收方的成對的兩個Socket之間必須建立連線，以便在TCP協議的基礎上進行通訊，當一個Socket(通常都是Server Socket)等待建立連線時，另一個Socket可以要求進行連線，一旦這兩個Socket連線起來，它們就可以進行雙向資料傳輸，雙方都可以進行傳送和接收操作。
  • TCP特點
  1. TCP是面向連線的協議，通過三次握手建立連線，通訊完成時要拆除連線，由於TCP是面向連線協議，所以只能用於點對點的通訊。而且建立連線也需要消耗時間和開銷。
  2. TCP傳輸資料無大小限制，進行大資料傳輸。
  3. TCP是一個可靠的協議，它能保證接收方能夠完整正確地接收到傳送方傳送的全部資料。
  • TCP的三次握手
  1. 第一次握手：客戶端傳送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；
  2. 第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也傳送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；
  3. 第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN＋ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ack=k+1)，此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手；

【適用情況】

  • TCP傳送的包有序號，對方收到包後要給一個反饋，如果超過一定時間還沒收到反饋就自動執行超時重發，因此TCP最大的優點是可靠。一般網頁（http）、郵件（SMTP)、遠端連線(Telnet)、檔案(FTP)傳送就用TCP
  • TCP在網路通訊上有極強的生命力，例如遠端連線（Telnet）和檔案傳輸（FTP）都需要不定長度的資料被可靠地傳輸。但是可靠的傳輸是要付出代價的，對資料內容正確性的檢驗必然佔用計算機的處理時間和網路的頻寬，因此TCP傳輸的效率不如UDP高。

1.3 UDP

  • UDP,即使用者資料包協議，是一個無連線的簡單的面向資料包的運輸層協議。UDP不提供可靠性，它只是把應用程式傳給IP層的資料包傳送出去，但是並不能保證它們能到達目的地。由於UDP在傳輸資料包前不用在客戶端和伺服器之間建立一個連線，且沒有超時重發等機制，固而傳輸速度很快。
  • UDP是一種面向無連線的協議，每個資料包都是一個獨立的資訊，包括完整的源地址或目的地址，它在網路上以任何可能的路徑傳往目的地，因此能否到達目的地，到達目的地的時間已經內容的正確性都是不能被保證的。
  • UDP特點：
  1. UDP是面向無連線的通訊協議，UDP資料包括目的埠號和源埠號資訊，由於通訊不需要連線，所以可以實現廣播傳送。
  2. UDP傳輸資料時有大小限制，每個被傳輸的資料包必須限定在64KB之內。
  3. UDP是一個不可靠的協議，傳送方所傳送的資料包並不一定以相同的次序到達接收方。

【適用情況】

  • UDP是面向訊息的協議，通訊時不需要建立連線，資料的傳輸自然是不可靠的，UDP一般多用於多點通訊和實時的資料業務，比如語音廣播、視訊、QQ、TFTP（簡單檔案傳送）、SNMP(簡單網路管理協議)、RTP（實時傳送協議）RIP（路由資訊協議，如報告股票市場，航空資訊）、DNS(域名解釋）。注重速度流暢。
  • UDP操作簡單，而且僅需要較少的監護，因此通常用於區域網高可靠性的分散系統中client/server應用程式。例如視訊會議系統，並不要求音訊視訊資料絕對的正確，只要保證連貫性就可以了，這種情況下顯然使用UDP會更合理一些。

1.4 Socket

  • Socket通常也稱作“套接字”，用於描述IP地址和埠，是一個通訊鏈的控制程式碼。網路上的兩個程式通過一個雙向的通訊連線實現資料的交換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket,一個Socket由一個IP地址和一個埠號唯一確定。應用程式通常通過“套接字”向網路傳送請求或者應答網路請求。Socket是TCP/IP協議的一個十分流行的程式設計介面，但是，Socket所支援的協議種類也不光TCP/IP一種，因此兩者之間是沒有必然聯絡的。

  • Socket通訊過程：伺服器監聽某個埠是否有連線請求，客戶端向服務端傳送連線請求，服務端收到連線請求向客戶端發出接收資訊，這樣一個連線就建立起來了。客戶端和服務端都可以相互傳送訊息與對方進行通訊。

  • Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，一組簡單的介面就是全部，讓Scoket去組織資料，以符合指定的協議。

  • 由於通常情況下Socket連線就是TCP連線，因此Socket連線一旦建立，通訊雙方即可開始相互傳送資料內容，直到雙方連線斷開。但在實際網路應用中，客戶端到伺服器之間的通訊往往需要穿越多箇中間節點，例如路由器、閘道器、防火牆等，大部分防火牆預設會關閉長時間處於非活躍狀態的連線而導致Socket連線斷連，因此需要通過輪詢告訴網路，該連線處於活躍狀態。

1.套接字（socket）概念

  • 套接字（socket）是通訊的基石，是支援TCP/IP協議的網路通訊的基本操作單元。它是網路通訊過程中端點的抽象表示，包括進行網路通訊必需的五種資訊：連線使用的協議、本地主機的IP地址、本地程式的協議埠、遠地主機的IP地址，遠地程式的協議埠。 應用層通過傳輸層進行資料通訊時，TCP會遇到同時為多個應用程式程式提供併發服務的問題。多個TCP連線或多個應用程式程式可能需要通過同一個TCP協議埠傳輸資料。為了區別不同的應用程式程式和連線，許多計算機作業系統為應用程式與TCP／IP協議互動提供了套接字(Socket)介面。應用層可以和傳輸層通過Socket介面，區分來自不同應用程式程式或網路連線的通訊，實現資料傳輸的併發服務。

2.建立socket連線

  • 建立Socket連線至少需要一對套接字，其中一個執行於客戶端，稱為ClientSocket ，另一個執行於伺服器端，稱為ServerSocket。

  • 套接字之間的連線過程分為三個步驟：伺服器監聽，客戶端請求，連線確認。

  • 伺服器監聽：伺服器端套接字並不定位具體的客戶端套接字，而是處於等待連線的狀態，實時監控網路狀態，等待客戶端的連線請求；

  • 客戶端請求：指客戶端的套接字提出連線請求，要連線的目標是伺服器端的套接字。為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連線的伺服器的套接字，指出伺服器端套接字的地址和埠號，然後就向伺服器端套接字提出連線請求。

  • 連線確認：當伺服器端套接字監聽到或者說接收到客戶端套接字的連線請求時，就響應客戶端套接字的請求，建立一個新的執行緒，把伺服器端套接字的描述發給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，雙方就正式建立連線。而伺服器端套接字繼續處於監聽狀態，繼續接收其他客戶端套接字的連線請求。

3.Socket連線與TCP連線

  • 建立Socket連線時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket可以支援不同的傳輸層協議（TCP或UDP），當使用TCP協議進行連線時，該Socket連線就是一個TCP連線。

【適用情況】

  • 很多情況下，需要伺服器端主動向客戶端推送資料，保持客戶端與伺服器資料的實時與同步。此時若雙方建立的是Socket連線，伺服器就可以直接將資料傳送給客戶端；

1.5 HTTP

  • HTTP協議是建立在TCP協議之上的一種應用，HTTP連線使用的是“請求—響應”的方式，不僅在請求時需要先建立TCP連線，而且需要客戶端向伺服器發出請求請求中包含請求方法、URI、協議版本以及相關的MIME樣式的訊息，伺服器端才能回覆資料。伺服器響應包含訊息的協議版本、一個成功和失敗碼以及相關的MIME式樣的訊息。在請求結束後，會主動釋放連線。從建立連線到關閉連線的過程稱為“一次連線”。由於HTTP在每次請求結束後都會主動釋放連線，因此HTTP連線是一種“短連線”，要保持客戶端程式的線上狀態，需要不斷地向伺服器發起連線請求。通常的做法是即使不需要獲得任何資料，客戶端也保持每隔一段固定的時間向伺服器傳送一次“保持連線”的請求，伺服器在收到該請求後對客戶端進行回覆，表明知道客戶端“線上”。若伺服器長時間無法收到客戶端的請求，則認為客戶端“下線”，若客戶端長時間無法收到伺服器的回覆，則認為網路已經斷開。

  • 為了獲得適當的傳輸速度，則需要TCP花費額外的迴路連結時間（RTT）。每一次連結的建立需要這種經常性的開銷，而其並不帶有實際有用的資料，只是保證連結的可靠性。因此HTTP/1.1提出了可持續連結的實現方法：HTTP/1.1將只建立一次TCP的連結而重複地使用它傳輸一系列的請求/響應訊息，因此減少了連結建立的次數和經常性的連結開銷。

  • 結論：HTTP是應用層協議，其傳輸都是被包裝成TCP協議傳輸。可以用SOCKET實現HTTP。SOCKET是實現傳輸層協議的一種程式設計API，可以是TCP，也可以是UDP。

【適用情況】

  • 若雙方建立的是HTTP連線，則伺服器需要等到客戶端傳送一次請求後才能將資料傳回給客戶端，因此，客戶端定時向伺服器端傳送連線請求，不僅可以保持線上，同時也是在“詢問”伺服器是否有新的資料，如果有就將資料傳給客戶端。

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