TCP/IP传输协议
TCP/IP是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP
和IP
两个协议,而是指一个由FTP
、SMTP
、TCP
、UDP
、IP
等协议构成的协议簇, 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性,所以被称为TCP/IP协议。(来自百度百科)
TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构,在TCP/IP协议中,它们被简化为了四个层次。
网络接口层
由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层所以,网络接口层既是传输数据的物理媒介,也可以为网络层提供一条准确无误的线路。
网络层
在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。
IP协议
网络层引入了IP协议,制定了一套新地址,使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络,这套地址就是网络地址,也就是所谓的IP地址。IP协议将这个32位的地址分为两部分,前面部分代表网络地址,后面部分表示该主机在局域网中的地址。如果两个IP地址在同一个子网内,则网络地址一定相同。为了判断IP地址中的网络地址,IP协议还引入了子网掩码,IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。
传输层
链路层定义了主机的身份,即MAC地址,而网络层定义了IP地址,明确了主机所在的网段,有了这两个地址,数据包就从可以从一个主机发送到另一台主机。但实际上数据包是从一个主机的某个应用程序发出,然后由对方主机的应用程序接收。而每台电脑都有可能同时运行着很多个应用程序,所以当数据包被发送到主机上以后,是无法确定哪个应用程序要接收这个包。因此传输层引入了UDP协议来解决这个问题,为了给每个应用程序标识身份。
UDP
UDP协议定义了端口,同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号,并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息,当数据包到达主机以后,就可以根据端口号找到对应的应用程序了。UDP协议比较简单,实现容易,但它没有确认机制,数据包一旦发出,无法知道对方是否收到,因此可靠性较差,为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。
TCP
TCP即传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。简单来说TCP就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认,如果有一个数据包丢失,就收不到确认,发送方就必须重发这个数据包。为了保证传输的可靠性,TCP协议在UDP基础之上建立了三次对话的确认机制,即在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。TCP数据包和UDP一样,都是由首部和数据两部分组成,唯一不同的是,TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度,以确保单个TCP数据包不必再分割。 [4]
传输层的主要工作是定义端口,标识应用程序身份,实现端口到端口的通信,TCP协议可以保证数据传输的可靠性。
应用层
应用层是直接对应用程序进行服务的,对不同种类的应用程序,他们会根据自己的需要使用不同协议,邮件传输应用使用了SMTP协议、万维网应用使用了HTTP协议、远程登录服务应用使用了有TELNET协议。
TCP三次握手与四次挥手
TCP三次握手
TCP三次握手其实是建立TCP连接的过程,在建立连接时,客户端和服务器端一共需要发送3个数据包进行连接的确认。
在socket编程中,这一过程由Client执行connect来触发。
(1)第一次握手:Client将数据包中的标志位SYN置为1,随机产生一个seq=J,并将数据包发送给Server,Client及逆行SYN_SENT状态,等待Server确认。
(2)第二次握手:Server收到数据包后,通过识别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。
(3)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,将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则建立连接成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client和Server之间就可以传输数据了。
TCP四次挥手
TCP四次挥手就是终止TCP连接的过程,由于TCP连接是全双工(允许数据在两个方向上同时传输,理解为两条通道)的,因此每条通道都需要单独关闭,一共需要客户端和服务器端发送4个包进行断开连接的确认。
在socket编程中,这一过程可以由客户端或服务器端执行close来触发,下图是客户端发起close。
(1)第一次挥手:Client发送一个FIN报文,用来关闭Client到Server的数据传送,报文中会指定一个序列号M,Client进行FIN_WAIT_1状态。
(2)第二次挥手:Server收到FIN报文后,发送ACK报文,且把序列号M+1作为ACK报文的值,表明已经收到Client报文的值了,此时Server处于CLOSE_WAIT状态
(3)第三次挥手:服务器随后发送一个FIN报文,用来关闭Server到Client的数据传送,报文中会指定一个序列号N,此时Server处于LAST_ASK状态。
(4)第四次挥手:Client收到FIN后,发送ACK报文,且把序列号N+1作为ACK报文的值,此时客户端处于TIME_WAIT状态,经过2MSL(最大报文生存时间)进入CLOSED状态。服务端收到ACK报文后关闭连接,此时Server处于CLOSED状态。
为什么TIME_WAIT要等待2MSL?
因为IP协议的不可靠性,Client直接关闭连接,可能导致服务端没有收到最后ACK,那么Server就会在超时之后继续发送FIN,但此时已经找不到对应的连接,就会产生错误。
三次握手 & 四次挥手?
在建立连接时,ACK和SYN是放在同一个报文中发送给客户端,这样经过三次确认,可以确保服务器端和客户端正常建立连接。
在断开连接时,服务器端接收到了FIN报文后,虽然客户端不再发送数据了,但还可以接收数据,对于服务端来说,也许还有数据没有发送完,所以先发送ACK报文表示接收到了FIN报文,等服务端不需要发送报文时,再发送FIN报文到客户端。