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网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。例如,网络中一个微机用户和一个大型主机的操作员进行通信,由于这两个数据终端所用字符集不同,因此操作员所输入的命令彼此不认识。为了能进行通信,规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符后,才进入网络传送,到达目的终端之后,再变换为该终端字符集的字符。当然,对于不相容终端,除了需变换字符集字符外还需转换其他特性,如显示格式、行长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换。 [1] 展开全文
网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。例如,网络中一个微机用户和一个大型主机的操作员进行通信,由于这两个数据终端所用字符集不同,因此操作员所输入的命令彼此不认识。为了能进行通信,规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符后,才进入网络传送,到达目的终端之后,再变换为该终端字符集的字符。当然,对于不相容终端,除了需变换字符集字符外还需转换其他特性,如显示格式、行长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换。 [1]
信息
目    的
使两个进程相互通信
解    释
描述进程之间信息交换数据
外文名
Network Protocol
中文名
网络协议
性    质
网络术语
网络协议术语简介
网络协议指的是计算机网络中互相通信的对等实体之间交换信息时所必须遵守的规则的集合。对等实体通常是指计算机网络体系结构中处于相同层次的信息单元。一般系统网络协议包括五个部分:通信环境,传输服务,词汇表,信息的编码格式,时序、规则和过程。1969年美国国防部建立最早的网络——阿帕计算机网络时,发布了一组计算机通信协议的军用标准,它包括了五个协议,习惯上以其中的TCP和IP两个协议作为这组协议的通称。 TCP/IP是因特网的正式网络协议,是一组在许多独立主机系统之间提供互联功能的协议,规范因特网上所有计算机互联时的传输、解释、执行、互操作,解决计算机系统的互联、互通、操作性,是被公认的网络通信协议的国际工业标准。TCP/IP是分组交换协议,信息被分成多个分组在网上传输,到达接收方后再把这些分组重新组合成原来的信息。除TCP/IP外,常用的网络协议还有PPP、SLIP等。 [2] 
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  • 网络协议、socket、webSocket

    万次阅读 多人点赞 2019-07-31 19:20:28
    一、网络协议 网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。 1、OSI七层协议 OSI是一个开放性的通信系统互连参考模型,他是一个定义得非常好的协议规范。OSI模型有7层结构,从上到下分别...

    一、网络协议

    网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。

    1、OSI七层协议

    OSI是一个开放性的通信系统互连参考模型,他是一个定义得非常好的协议规范。OSI模型有7层结构,从上到下分别是 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层。

    下面的图表显示不同的协议在最初OSI模型中的位置:

    7 应用层 例如HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP

    6 表示层 例如XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP

    5 会话层 例如ASAP、TLS、SSH、ISO 8327 / CCITT X.225、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD sockets

    4 传输层 例如TCP、UDP、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL

    3 网络层 例如IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、 X.25

    2 数据链路层 例如以太网、令牌环、HDLC、帧中继、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP

    1 物理层 例如线路、无线电、光纤、信鸽

    2、TCP/IP协议组

    TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议,定义了主机如何连入因特网及数据如何在它们之间传输的标准,从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称,但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层,TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中。

    应用层:TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet 等等

    传输层:TCP,UDP

    网络层:IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP

    数据链路层:SLIP,CSLIP,PPP,MTU

    3、OSI七层和TCP/IP四层的关系

    3.1 OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念,TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。

    3.2 OSI先有模型,后有协议,先有标准,后进行实践;而TCP/IP则相反,先有协议和应用再提出了模型,且是参照的OSI模型。

    3.3 OSI是一种理论下的模型,而TCP/IP已被广泛使用,成为网络互联事实上的标准。

    3.4 OSI的应用层、表示层、会话层可以算到TCP/IP的应用层里。

    4、总结

    每一抽象层建立在低一层提供的服务上,并且为高一层提供服务。

    通过上述介绍,就可以搞清楚例如HTTP协议和TCP协议的区别之类的问题了。TPC协议是一种传输层协议,主要解决数据如何在网络中传输,而HTTP协议是应用层协议,主要解决如何包装数据。关于TCP和HTTP协议的关系,网上有一段比较容易理解的介绍:“我们在传输数据时,可以直接使用(传输层)TCP协议,但是那样的话,如果没有应用层,便无法识别数据内容,如果想要使传输的数据有意义,则必须使用到应用层协议,应用层协议有很多,比如HTTP、FTP、TELNET等,也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP协议作为应用层协议,以封装HTTP文本信息,然后使用TCP作为传输层协议将它发到网络上。”

    TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是基于连接的协议,也就是说,在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来,其中的过程非常复杂,我们这里只做简单、形象的介绍,你只要做到能够理解这个过程即可。我们来看看这三次对话的简单过程:主机A向主机B发出连接请求数据包:“我想给你发数据,可以吗?”,这是第一次对话;主机B向主机A发送同意连接和要求同步(同步就是两台主机一个在发送,一个在接收,协调工作)的数据包:“可以,你什么时候发?”,这是第二次对话;主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步:“我现在就发,你接着吧!”,这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步,经过三次“对话”之后,主机A才向主机B正式发送数据。

    UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议,它不与对方建立连接,而是直接就把数据包发送过去!UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。比如,我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常,其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包,然后对方主机确认收到数据包,如果数据包是否到达的消息及时反馈回来,那么网络就是通的。例如,在默认状态下,一次“ping”操作发送4个数据包(如图2所示)。大家可以看到,发送的数据包数量是4包,收到的也是4包(因为对方主机收到后会发回一个确认收到的数据包)。这充分说明了UDP协议是面向非连接的协议,没有建立连接的过程。正因为UDP协议没有连接的过程,所以它的通信效果高;但也正因为如此,它的可靠性不如TCP协议高。QQ登陆采用TCP协议和HTTP协议,你和好友之间发送消息时主要采用UDP协议发消息,因此有时会出现收不到消息的情况。

     

    二、socket

    我们经常把socket翻译为套接字,socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层,它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用以实现进程在网络中通信。socket是一组接口,在设计模式中,socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让socket去组织数据,以符合指定的协议。

     

    三、webSocket

    1、简介

    WebSocket协议是基于TCP的一种新的网络协议,和http协议一样属于应用层协议,它实现了浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信,也就是允许服务器主动发送信息给客户端。我在实现二维码扫描登录时曾使用过,有了它就不需要通过轮询或者建立长连接的方式来使客户端实时获取扫码状态,因为当扫码后,服务器端可以主动发送消息通知客户端。

    2、webSocket和http的区别

    http链接分为短链接和长链接,短链接是每次请求都要重新建立TCP链接,TCP又要三次握手才能建立,然后发送自己的信息。即每一个request对应一个response。长链接是在一定的期限内保持TCP连接不断开。客户端与服务器通信,必须要由客户端发起然后服务器返回结果。客户端是主动的,服务器是被动的。

    简单的说,WebSocket协议之前,双工通信是通过多个http链接轮询来实现的,这导致了效率低下。WebSocket解决了这个问题,他实现了多路复用,他是全双工通信。在webSocket协议下客服端和浏览器可以同时发送信息。建立了WebSocket之后服务器不必在浏览器发送request请求之后才能发送信息到浏览器。这时的服务器已有主动权想什么时候发就可以什么时候发送信息到客户端,而且信息当中不必再带有head的部分信息了。与http的长链接通信来比,这种方式不仅能降低服务器的压力,而且信息当中也减少了部分多余的信息。

    3、webSocket和socket的区别

    就像Java和JavaScript,并没有什么太大的关系,但又不能说完全没关系。可以这么说:

    • 命名方面,Socket是一个深入人心的概念,WebSocket借用了这一概念;
    • 使用方面,完全两个东西。

    总之,可以把WebSocket想象成HTTP,HTTP和Socket什么关系,WebSocket和Socket就是什么关系。

    最后附上一张有意思的图片:

     

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  • 计算机网络协议——通信协议综述

    万次阅读 多人点赞 2019-09-03 23:20:58
    通信协议综述概述一、为什么学习网络协议1.1 常见的网络协议二、网络分层的真正含义2.1 为什么网络要分层?2.2 浏览点击请求过程2.3 揭秘层与层之间的关系三、ifconfig 命令行的由来3.1 ip地址3.2 无类型域间选路...

    这个专栏的计算机网络协议,我是在极客时间上学习 已经有三万多人购买的刘超老师趣谈网络协议专栏,讲的特别好,像看小说一样学习到了平时很枯燥的知识点,计算机网络的书籍太枯燥,感兴趣的同学可以去付费购买,绝对物超所值,本文就是对自己学习专栏的总结,评论区可以留下你的问题,咱们一起讨论!


    概述

    本文也是根据专栏里的板块,对通信网络协议做一个综述,共分为四节去进行介绍;

    • 为什么学习网络协议?
    • 网络协议分层的真正含义;
    • ifconfig命令行的背后;
    • DHCP和PXE:ip的由来;

    一、为什么学习网络协议

    协议

    协议的三要素是:语法、语义、顺序
    连通互联网世界,只教给一台电脑做什么是不够的,需要教会一大片机器做什么,这就是网络协议。只有通过网络协议,才能够使得一大片机器互相协作、共同完成一件事。

    1.1 常见的网络协议

    采用一个下单购物的场景,看看整个过程运用了哪些网络协议。


    首先,在浏览器中输入一个网址www.taobao.com URL,浏览器只知道名字是www.taobao.com,但是不知道具体的地点,所以不知道该如何访问;

    于是,打开地址簿去查找,可以使用一般的地址簿DNS去查找,也可以采用更为精确的地址簿查找协议HTTPDNS

    无论哪一种查找,最后都会得到一个地址:106.114.134.24(任意赋值),这个是IP地址,相当于你在互联网世界中的“门牌号”。知道了目标地址,浏览器开始打包他们的请求。对于普通的浏览请求,往往会采用HTTP协议;但是对于购物的请求,往往需要进行加密传输,因而使用HTTPS协议。无论是什么协议,里面都会声明“你要买什么和买多少”。HTTP头中包含了请求的信息:

    HTTP
    DNS、HTTP、HTTPS所在的层为应用层;


    经过封装以后,浏览器会将应用层的包交给下一层去完成,然后通过socket编程来实现。下一层是传输层,传输层有两种协议:

    • 无连接的协议UDP
    • 面向连接的协议TCP

    对于支付来说,往往采用TCP协议,所谓的面向连接就是,TCP会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达,就会重新发送,直至到达;TCP协议中有两个端口,一个是浏览器监听的端口,一个是电商服务器监听的端口。操作系统往往通过端口来判断,它得到的包应该给哪个进程;
    TCP协议


    传输层封装完之后,浏览器会将包交给操作系统的网络层。网络层的协议是IP协议,在IP协议里面会有源IP地址,即浏览器的所在的机器的IP地址和目标IP地址,也就是电商所在的IP地址
    IP地址
    目标IP就是电商地址的门牌号,操作系统知道了目的地的门牌号,就要想着该如何找到目的地;

    首先先判断,目的地是在本地还是在外地;电商系统一般都在那遥远的地方,就比如你到国外要去海关一样,去外地就要经过网关。操作系统启动以后,就会被DHCP协议配置IP地址,以及默认的网关IP地址192.168.1.1;

    如果是本地通信就是靠吼——ARP协议,操作系统大吼一声,谁是192.168.1.1啊?网关会回答它,我就是。这个本地地址就是MAC地址,吼靠的就是ARP协议;

    IP包

    于是操作系统将IP包交给了下一层,也就是MAC层。网卡再将包发出去,包里面包含MAC地址,因此可以到达网关。网关收到包以后,会根据自己的知识,判断下一步该怎么走。网关往往是一个路由器,到了某个IP地址应该怎么走,这个叫作路由表

    路由器就像唐僧西天取经路过的一个个国家之间的城关,每个城关都连接着两个国家,每一个国家都相当于一个局域网,每个国家的内部都可以使用MAC地址进行通信;

    一旦跨越城关,就需要拿出IP头来,里面记录着IP源地址(东土大唐),欲前往西天拜佛取经(目的IP地址),路过宝地,借宿一晚,请问接下来该如何走?
    在这里插入图片描述
    城关与城关之间的沟通协议叫做路由协议,常用的由OSPF和BGP

    城关与城关之间是一个国家,网络包知道了要去哪个城关的时候,还是要使用国家内部的MAC地址,通过下一个城关的MAC地址,找到下一个城关,然后在问下一步该怎么走,一直走到最后一个城关。最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是,对着这个国家吼一声,谁是目标IP啊?目标服务器就会回复一个MAC地址。网络包过关后,通过这个MAC地址就能找到目标服务器;


    目标服务器发现MAC地址对上了以后,取下MAC头来,发送给操作系统的网络层,发现IP地址对上了,在取下IP头。IP头里会写上一层封装的TCP协议,然后交给传输层,即TCP层

    在这一层中,对于收到的每个包,都会有一个回复说明收到了。这个回复的包绝非这次单次请求的结果,例如购物是否成功,扣了多少钱等,而仅仅是TCP层的一个说明,即收到之后的回复。当然这个回复,会沿着刚才来的方向走回去,报个平安,防止在传输过程中造成的丢包等。

    如果过一段时间还没有收到的话,发的端TCP层会重新发送这个包,还是上面的请求,直到收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。对于浏览器来讲,就发送了一次下单请求,TCP层不断自己闷头重试。除非TCP这一层出了问题,例如连接断了,才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。

    当网络包平安到达TCP层之后,TCP头中有目标端口号,通过这个端口号,可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号,假设一个Tomcat,将这个包发给电商网站。

    电商网站的进程得到的是HTTP请求知道要买什么东西,买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个Tomcat只是个接待员,负责统筹处理这个请求,而不是所有的事情都自己做。例如,这个接待员要告诉专门管理订单的进程,登记要买某个商品,买多少,要告诉管理库存的进程,库存要减少多少,要告诉支付的进程,应该付多少钱,等等。

    如何告诉相关的进程呢?往往通过RPC调用,即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候,接待员不用关心中间的网络互连问题,会由RPC框架统一处理。RPC框架有很多种,有基于HTTP协议放在HTTP的报文里面的,有直接封装在TCP报文里面的。

    当接待员发现相应的部门都处理完毕,就回复一个HTTPS的包,告知下单成功。这个HTTPS的包,会像来的时候一样,经过千难万险到达你的个人电脑,最终进入浏览器,显示支付成功;

    看到这里相信你对于自己之前学过的计算机网络知识有一个连串的感觉了吧,很多公司的面试题都会问在浏览器中输入一个URL的整个过程? 把这一连串说完,相信你的面试官也会觉得你学的很扎实;
    网络协议

    二、网络分层的真正含义

    计算机网络知识点需要背诵,但是更是要理解透彻;

    2.1 为什么网络要分层?

    因为不同层次之间有不同的沟通方式,叫做协议。就像一家公司也是分“层次”,分为总经理、经理、组长、员工,每个人之间都有不同的沟通方式;

    因为复杂的程序都要分层,想象网络包就是一段Buffer,或者一块内存,是有格式的。同时,想象自己是一个处理网络包的程序,而且这个程序可以跑在电脑上,可以跑在服务器上,可以跑在交换机上,也可以跑在路由器上。你想象自己有很多的网口,从某个口拿进一个网络包来,用自己的程序处理一下,再从另一个网口发送出去;

    当然网络包的格式很复杂,这个程序也很复杂,复杂的程序都要分层,这是程序设计的要求。

    2.2 浏览点击请求过程

    浏览点击请求过程如下所示:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    假设你发现这个包的MAC地址和你的相符,那说明就是发给你的,于是需要调用process_layer3(buffer):这个时候,Buffer里面往往就没有二层的头了,因为已经在上一个函数的处理过程中拿掉了,或者将开始的偏移量移动了一下。在这个函数里面,摘掉三层的头,看看到底是发送给自己的,还是希望自己转发出去的;

    如果IP地址不是自己的,那就应该转发出去;如果IP地址是自己的,那就是发给自己的。根据IP头里面的标识,拿掉三层的头,进行下一层的处理,到底是调用process_tcp(buffer)呢,还是调用process_udp(buffer)呢?

    假设地址是TCP,就会调用process_tcp(Buffer)。这时候,Buffer里面没有三层的头,就需要查看四层的头,看这是一个发起,还是一个应答,又或者是一个正常的数据包,然后分别由不同的逻辑进行处理。如果是发起或者应答,接下来可能要发送一个回复包;如果是一个正常的数据包,就需要交给上层了。交给谁呢?是不是有**process_http(buffer)**函数呢?

    如果你是一个网络包处理程序,你不需要有process_http(buffer),而是应该交给应用去处理。交给哪个应用呢?在四层的头里面有端口号,不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口,那你发给浏览器就行了。至于浏览器怎么处理,和你没有关系;

    浏览器是解析HTML,显示出页面来。当你再次点击鼠标,点击动作被浏览器捕获,于是浏览器知道又会发起另一个HTTP请求了,于是使用端口号,将请求发送给你。

    你应该调用send_tcp(buffer)。不用说,Buffer里面就是HTTP请求的内容。这个函数里面加一个TCP的头,记录下源端口号。浏览器会给你目的端口号,一般为80端口;

    然后调用send_layer3(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容,以及TCP的头。在这个函数里面加一个IP的头,记录下源IP的地址和目标IP的地址;随后调用send_layer2(buffer),**Buffer里面已经有了HTTP的头和内容、TCP的头,以及IP的头。这个函数里面要加一下MAC的头,记录下源MAC地址,得到的就是本机器的MAC地址和目标的MAC地址。**不过,这个还要看当前知道不知道,知道就直接加上;不知道的话,就要通过一定的协议处理过程,找到MAC地址。反正要填一个,不能空着;

    2.3 揭秘层与层之间的关系

    现实生活中,往往是员工说一句,组长补充两句,然后经理补充两句,最后总经理再补充两句。但是在网络世界,应该是总经理说话,经理补充两句,组长补充两句,员工再补充两句。

    TCP在三次握手时,TCP每一个消息都会带着IP层和MAC层。因为,TCP每次发送一个消息,IP层和MAC层的所有机制都要重新运行一次,所以TCP在三次握手时,IP和MAC也运行了好久。

    只要是在网络上跑的包,都是完整的。可以有下层没上层,绝对不可能有上层没下层;如果一个HTTP协议的包跑在网络上,它一定是完整的。无论这个包经过哪些设备,它都是完整的。所谓的二层设备、三层设备只是跑在设备上的程序不同;

    • 二层设备:只把MAC头摘下来,看看到底是丢弃、转发,还是自己留着;
    • 三层设备:把MAC头摘下来之后,再把IP头摘下来,看看到底是丢弃、转发,还是自己留着;

    三、ifconfig 命令行的由来

    ifconfig是linux系统中查询ip地址的一个命令,windows是ipconfig;

    3.1 ip地址

    IP地址是一个网卡在网络世界的通讯地址,相当于我们现实世界的门牌号。
    例如:10.100.122.2就是一个IP地址,地址被分为四个部分,每个部分8个bit,所以IP地址总共是32位;

    IP地址被分成了5类,A-E类
    IP地址
    在网络地址中,A、B、C类主要分为两个部分,前一部分是网络号,后一部分是主机号。大家都是六单元1001号,你是小区A的,我是小区B的;

    ip地址范围

    3.2 无类型域间选路(CIDR)

    无类型域间选路,简称CIDR,将IP地址一分为二,前面是网络号,后面是主机号。10.100.122.2/24,这个IP地址中有一个斜杠,斜杠后面有个数字24,这种地址表示形式,就是CIDR,后面24的意思是,32位中,前24位是网络号,后8位是主机号。

    伴随着CIDR存在的,一个是广播地址,10.100.122.125,如果发送这个地址,所有10.100.122网络内的机器都可以收到,另一个是子网掩码,255.255.255.0

    将子网掩码和IP地址按位计算AND,就可以得到网络号,那么上面的ip地址与子网掩码按位取AND,网络号就是10.100.122.0;(1和任意数值取AND,值不变;0和任意数值取AND,即为0);

    3.3 公有IP地址和私有IP地址

    在这里插入图片描述
    平时我们在办公室、学校、家里的IP地址,一般都是私有IP地址,因为这些地址,允许组织内部的IP地址自己管理、自己分配,因此可以重复。就比如你们学校可能由六单元一号,我们学校可能也有六单元1号。

    但是,一旦离开学校就需要使用公有IP地址,就像上海市南京西路88号,这个是国家同统一分配的。公有IP地址,由相关的组织去分配,如果使用,需要购买。

    192.168.0.x,是最常见的私有IP地址,家里有wifi,对应就有一个ip地址,但是一般家庭中的上网设备不会超过256个,所以/24基本就够用了。

    举例:CIDR中容易犯错的点
    16.158.165.91/22,这个CIDR,求网络中的第一个地址、子网掩码和广播地址
    16.158的部分不会动,它占了前16位。中间的165,变为二进制为‭10100101‬。除了前面的16位,还剩6位。所以,这8位中前6位是网络号,16.158.<101001>,而**<01>.91是机器号**;所以第一个地址是16.158.<101001><00>.1,即16.158.164.1,子网掩码是255.255.<111111><00>.0,即255.255.252.0,广播地址是16.158.<101001><11>.255,即16.158.167.255.

    这五类地址中,还有一类D类是组播地址,使用这一类地址,属于某个组的机器都能够收到,这就有点类似于公司中大家加入了一个邮件组,发送邮件,加入这个组的大家都能收到;

    IP地址的后面有个scope对于eth0这张网卡来讲,是global,说明这张网卡是可以对外的,可以接收来自各个地方的包。对于lo来讲,是host,说明这张网卡仅仅可以供本机相互通信;

    lo又被称为loopback,又称环回接口,往往会被分配到127.0.0.1这个地址,这个地址可以用于本机通信,经过内核处理以后直接返回,不会在任何网络中出现;

    3.4 MAC地址

    在IP地址的上一行是link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff,这个被称为MAC地址,是一个网卡的物理地址,用十六进制,6个byte表示。既然已经知道了MAC地址,是不是意味着直接可以通过MAC地址进行通信啊?

    个网络包要从一个地方传到另一个地方,除了要有确定的地址,还需要有定位功能。 而有门牌号码属性的IP地址,才是有远程定位功能的。

    比如:你要去某某大学某某学院找小明,你在路上问,有些人不知道某某学院,但是可以给你说某某学校在哪里,但是你直接根据 小明的身份证号 问别人知不知道他在哪个学院,那么肯定没人知道;

    MAC地址更像是身份证,是一个唯一的标识。它的唯一性设计是为了组网的时候,不同的网卡放在一个网络里面的时候,可以不用担心冲突。从硬件角度,保证不同的网卡有不同的标识

    MAC地址是有一定的定位功能的,你可以根据ip地址找到某某学校某某学院某号楼某个实验室,当你到了以后,大吼一声,小明 是哪位,那么他听到了 就会回应你;

    MAC地址的通信范围比较小,局限在一个子网里面。例如,从192.168.0.2/24访问192.168.0.3/24是可以用MAC地址的。一旦跨子网,即从192.168.0.2/24到192.168.1.2/24,MAC地址就不行了,需要IP地址起作用了

    总结:

    • ip是地址,有定位功能;MAC是身份证,无定位功能;
    • CIDR可以用来判断是不是本地人;
    • IP分为公有地址IP和私有地址IP

    四、DHCP和PXE:ip的由来

    只要是在网络上跑的包可以有下层没上层,但是不可以有上层没下层;当一个数据包有自己的ip地址,有目的地的ip地址,但是包发不出去的原因是因为,MAC层还没有填写。

    Linux的默认逻辑是,如果是一个跨网段的调用,它便不会将包直接发送到网络上,而是企图将包发送到网关。网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段;

    4.1 动态主机配置协议(DHCP)

    动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol),简称DHCP

    有了这个协议,网络管理员就轻松多了。他只需要配置一段共享的IP地址。每一台新接入的机器都通过DHCP协议,来这个共享的IP地址里申请,然后自动配置好就可以了。等人走了,或者用完了,还回去,这样其他的机器也能用。

    如果是数据中心里面的服务器,IP一旦配置好,基本不会变,这就相当于买房自己装修。DHCP的方式就相当于租房。你不用装修,都是帮你配置好的。你暂时用一下,用完退租就可以了。

    4.2 解析DHCP的工作方式

    当一台机器加入一个新的网络的时候,只知道自己的mac地址,先吼一句,有人吗?这一步就是DHCP Discover

    新来的机器使用IP地址0.0.0.0发送了一个广播包,目的IP地址为255.255.255.255。广播包封装了UDP,UDP封装了BOOTP。其实DHCP是BOOTP的增强版,但是如果你去抓包的话,很可能看到的名称还是BOOTP协议;

    在这个广播包里,新人喊一句:我是新来的(Boot request),我的MAC地址是多少,但是我还没有ip地址,谁能给我一个?
    在这里插入图片描述
    网络管理员在网络配置了DHCP server,就相当于IP管理员,MAC地址是其唯一的身份。只有MAC地址唯一,IP管理员才能知道这是一个新人,需要租给它一个新的IP地址,这个过程就是DHCP Offer.

    DHCP Offer格式如下:
    里面会有给新人分配的地址;
    DHCP Offer
    DHCP Server仍然使用广播地址作为目的地址。如果同时收到多个IP地址,那么会选择最先到达的DHCP Offer,并且会向网络发送一个DHCP Request广播数据包,其中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址,提供租约的DHCP服务器地址等,并且告诉所有的DHCP Offer,它将接受哪一台服务器所提供的IP地址,感谢其他DHCP服务器,并且请求撤销他们提供的ip地址,以便提供给下一个租用者。

    在这里插入图片描述
    由于还没有收到DHCP server的最后确认,客户端依然使用自己的源ip地址0.0.0.0、255.255.255.255为目标地址进行广播。在BOOTP里面,接受某个DHCP Server的分配 ip;

    当DHCP Server接收到客户机的DHCP request之后,会广播返回给客户机的一个DHCP ACK消息包,表明已经接受客户机的选择,并且将这一IP地址合法租用信息和其他的配置信息都放到该广播包中,发送给客户机,欢迎它加入网络大家庭;

    在这里插入图片描述
    租约达成以后,还是要广播一下,让大家都知道呢

    ip地址的收回和续租

    如果需要续租的话,需要提前租期的50%,客户机会在租期过去50%的时候,直接向为其提供ip地址的DHCP Server发送DHCP Request消息包,客户机收到该服务器的DHCP ACK消息包之后,会根据包中提供的新的租期,以及其他的已经更新的TCP/IP参数更新自己的配置,这样,ip的租用更新就已经完成了。

    网络管理员不仅能自动分配IP地址,还能帮你自动安装操作系统;

    4.3 预启动执行环境(PXE)

    普通的笔记本一般不会有这种雪球,已经预装好了操作系统。但是数据中心的管理员,可能一下子拿到了几百台空的机器,一台一台装就累死了。

    管理员们不仅希望可以分配好ip地址,还可以自动安装系统,装好系统之后会自动分配IP地址,直接启动最好了。

    安装操作系统的过程,只能插在BIOS启动之后了。因为没安装系统之前,连启动扇区都没有。因而这个过程叫做预启动执行环境(Pre-boot Execution Environment),简称PXE。

    默认的DHCP Server是需要配置的,无非是我们配置IP的时候所需要的IP地址段、子网掩码、网关地址、租期等。如果想使用PXE,则需要配置next-server,指向PXE服务器的地址,另外要配置初始启动文件filename。

    这样PXE客户端启动之后,发送DHCP请求之后,除了能得到一个IP地址,还可以知道PXE服务器在哪里,也可以知道如何从PXE服务器上下载某个文件,去初始化操作系统。

    解析PXE的工作过程

    首先是启动PXE客户端第一步是通过DHCP协议告诉DHCP Server,我啥都没有,DHCP Server便租给它一个ip地址,同时给他PXE服务器的地址、启动文件pexlinux.0;

    其次,PXE客户端知道要去PXE服务器下载这个文件后,就可以初始化机器。于是便开始下载,下载的时候使用的是TFTP协议。所以PXE服务器上,往往还需要有一个TFTP服务器。PXE客户端向TFTP服务器请求下载这个文件,TFTP服务器说好啊,于是就将这个文件传给它;

    然后,PXE客户端收到这个文件后,就开始执行这个文件。这个文件会指示PXE客户端,向TFTP服务器请求计算机的配置信息pxelinux.cfg。TFTP服务器会给PXE客户端一个配置文件,里面会说内核在哪里、initramfs在哪里。PXE客户端会请求这些文件;

    最后,启动Linux内核,一旦启动了操作系统,啥都好办。

    在这里插入图片描述

    总结


    本文是对通信协议综述的总结,共分为四节去介绍:

    1. 为什么学习网络协议?
      通过一个简简单单的下单过程,中间牵扯到这么多的协议,展开介绍;

    2. 网络协议分层的真正含义
      始终想象自己是一个处理网络包的程序:如何拿到网络包,如何根据规则进行处理,如何发出去;
      始终牢记一个原则:只要是在网络上跑的包,都是完整的。可以有下层没上层,绝对不可能有上层没下层;

    3. ifconfig命令行的背后;
      IP是地址,有定位功能;MAC是身份证,无定位功能;
      CIDR可以用来判断是不是本地人;
      IP分公有的IP和私有的IP。后面的章节中我会谈到“出国门”,就与这个有关。

    4. DHCP和PXE:ip的由来;
      DHCP协议主要是用来给客户租用IP地址,和房产中介很像,要商谈、签约、续租,广播还不能“抢单”;
      DHCP协议能给客户推荐“装修队”PXE,能够安装操作系统,这个在云计算领域大有用处;

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  • 计算机网络协议(三)——UDP、TCP、Socket

    万次阅读 多人点赞 2019-09-04 08:39:53
    这个专栏的计算机网络协议,我是在极客时间上学习 已经有三万多人购买的刘超老师的趣谈网络协议专栏,讲的特别好,像看小说一样学习到了平时很枯燥的知识点,计算机网络的书籍太枯燥,感兴趣的同学可以去付费购买,...

    概述


    这个专栏的计算机网络协议,我是在极客时间上学习 已经有三万多人购买的刘超老师趣谈网络协议专栏,讲的特别好,像看小说一样学习到了平时很枯燥的知识点,计算机网络的书籍太枯燥,感兴趣的同学可以去付费购买,绝对物超所值,本文就是对自己学习专栏的总结,评论区可以留下你的问题,咱们一起讨论!


    传输层中有两个重要的协议,UDP和TCP,这也是在开发中经常用到的协议,同样也是面试的重点。本篇将分为三节进行介绍:

    • UDP协议
    • TCP协议
    • 套接字Socket

    一、UDP协议

    很多人都会被问到 TCP和UDP的区别,那么大部分人都会回答,TCP面向连接,UDP面向无连接;

    建立连接:是为了在客户端和服务端维护连接,而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态,用这样的数据结构来保证所谓的面向连接的特性;

    简单介绍下TCP和UDP之间的区别:

    • TCP 提供可靠交付,UDP继承了IP包的特性,不保证不丢失,不保证按时到达;
    • TCP是面向字节流的,发送的时候发的是一个流,没头没尾的。UDP继承了IP的特性,基于数据报的,一个个发,一个个收;
    • TCP是可以有拥堵控制的,可以根据网络环境调整自己的行为;UDP就是应用让我发,我就发,管它洪水滔天;
    • TCP是一个有状态的服务,通俗的讲就是有脑子的,可以精确的记着,自己发送了没有,接收到没有,发送到哪个了,应该接收到哪个了,错一点儿都不行;UDP其实是一个无状态服务,无脑子,天真无邪的发出去就发出去呗;

    UDP的包头
    UDP的包头格式很简单,只有源端口号和目标端口号:
    UDP包头


    UDP的三大特点

    • 沟通简单,秉承性善论,相信网络通路默认就是很容易送达的,不容易被丢弃的;
    • 轻信他人,不会建立连接,虽然有端口号,但是监听在这个地方,谁都可以传给他数据,也可以传给任何人数据;
    • 愣头青,做事不懂权变,不会根据网络的情况进行发包的拥塞控制,无论网络丢包丢成啥样了,它该怎么发还怎么发;

    UDP的三大使用场景

    • 需要资源少,在网络情况比较好的内网,或者对于丢包不敏感的应用;
    • 不需要一对一沟通,建立连接,而是可以广播的应用;UDP的不面向连接的功能,可以使得可以承载广播或者多播的协议。DHCP就是一种广播的形式,就是基于UDP协议的;
    • 需要处理速度快,时延低,可以容忍少数丢包,即便网络堵塞,也毫不退缩,一往无前的时候;UDP简单、处理速度快,不像TCP一样,操那么多心;TCP在网络不好出现丢包的时候,拥塞控制策略会主动的退缩,降低发送速度,这就相当于本来环境就差,还自断臂膀,用户本来就卡,这下更卡了

    基于UDP的实际应用

    • 网页或者APP的访问,访问网页和手机APP都是基于HTTP协议(基于TCP)的,建立连接需要多次交互,比较耗时,Google提出了QUIC实现快速连接建立、减少重传时延,自适应拥塞控制;
    • 流媒体的协议,直播协议多使用RTMP(基于TCP),当数据丢包或者网络不好,影响直播的实时性,很多直播应用,都基于UDP实现了自己的视频传输协议;
    • 实时游戏,采用自定义的可靠UDP协议,自定义重传策略,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的影响;
    • IoT物联网,物联网通信协议Thread,就是基于UDP协议的,解决了物联网领域终端资源少,实时性要求高的问题;
    • 移动通信领域:4G网络里,移动流量上网的数据面对的协议GTP-U是基于UDP的;

    总结:

    • 如果将TCP比作成熟的社会人,UDP则是头脑简单的小朋友;TCP复杂,UDP简单;TCP维护连接,UDP谁都相信;TCP会坚持知进退;UDP铁憨憨一个,勇往直前;
    • UDP简单但有简单的用法。它可以用在环境简单、需要多播、应用层自己控制传输的地方。例如DHCP、VXLAN、QUIC

    二、TCP协议(上)

    TCP秉承的是性恶论,天然认为网络环境是恶劣的,丢包、乱序、重传、拥塞都是常见的事情,需要从算法层面来保证可靠性。


    TCP包头格式
    TCP报文格式

    • 源端口号和目标端口号:知道谁发的和发给谁的;
    • 序号:编号是为了解决乱序问题;
    • 确认序号:发出去的包应该有确认,没有收到就应该重新发送,直到送达;
    • 状态位SYN是发起一个连接、ACK是回复、RST是重新连接、FIN是结束连接;
    • 窗口大小:TCP要做流量控制,通信双方各声明一个窗口,标识自己当前能够的处
      理能力,别发送的太快,撑死我,也别发的太慢,饿死我;

    通过对TCP头的解析,我们知道要掌握TCP协议,重点应该关注以下几个问题:

    • 顺序问题 ,稳重不乱;
    • 丢包问题,承诺靠谱;
    • 连接维护,有始有终;
    • 流量控制,把握分寸;
    • 拥塞控制,知进知退;

    2.1 TCP的三次握手

    TCP中所有的问题,都要先建立连接,需要先看连接维护的问题,TCP的连接建立,常被称为三次握手;

    A:您好B,我是A.
    B:您好A,我是B.
    A:您好B

    采用 请求->应答->应答之应答的方式,保证二者的消息传送都是有来有回的;

    三次握手除了双方建立连接外,主要还是为了沟通一件事情,就是TCP包的序号的问题。 每个连接都要有不同的序号。这个序号的起始序号是随着时间变化的,可以看成一个32位的计数器,每4ms加一,其时序图如下:
    状态变化时序图
    1、刚开始客户端和服务端都处于CLOSED状态,服务端先监听某个端口,处于LISTEN状态

    2、客户端主动发起连接请求SYN=1,ACK=0,初始序号为x,之后处于SYN-SENT状态

    3、服务端收到发起的连接请求,如果同意连接就返回SYN=1,ACK=1,确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y,之后处于SYN-RCVD状态

    4、客户端收到服务端发送的SYN和ACK之后,发送ACK的ACK,确认号为 y+1,序号为 x+1。之后处于ESTABLISHED状态,因为它一发一收成功了;

    5、服务端收到ACK的ACK之后,处于ESTABLISHED状态,因为它也一发一收了。


    两次握手或者四次不行吗?

    举个例子:

    在一个网络环境不可靠的情况下,A发出一个连接请求,发出一个请求杳无音信就会一直发,终于有一个包到B了,但是A还不知道会继续发;

    收到A的请求之后,B如果同意连接就会发送应答包给A;但是B的应答包也是一入网络深似海啊,不知道能不能到A,所以当然不能认为和A已经建立了连接;

    还有一个问题就是,A和B建立起短暂的连接通信之后,A之前发送的请求包饶了地球不知道多少圈竟然又到了B,假如B认为这是一个正常的连接请求,同意建立连接,但这个连接不会进行下去,也没有个终结的时候,纯属单相思了,因而两次握手肯定不行。

    B发送的应答可能会发送多次,但是只要一次到达A,A就认为连接已经建立了,因为对于A来讲,他的消息有去有回。A会给B发送应答之应答,而B也在等这个消息,才能确认连接的建立,只有等到了这个消息,对于B来讲,才算它的消息有去有回。

    当然A发给B的应答之应答也会丢,也会绕路,甚至B挂了。按理来说,还应该有个应答之应答之应答,这样下去就没底了。四次握手、还是四十次握手都是可以的,哪怕四百次握手也不能百分百保证可靠,只要双方的消息都有去有回就可以了。

    我们在程序设计的时候可以开启keepalive机制,防止A建立连接后空着,不发数据;


    2.2 TCP的四次挥手


    过程如下:
    A:B啊,我不想玩了;
    B:哦,你不想玩了啊,我知道;
    此时的A很可能是发送完最后的数据就准备不玩了,不能在ACK的时候就关闭连接,此时B还没有忙完自己的事情,还是可以发送数据的,称为半关闭状态
    B:A啊,好吧,那我也不玩了,拜拜;
    A:好的,拜拜;

    断开连接的时序图如下所示:

    在这里插入图片描述
    双方一开始都是处于建立连接的状态:

    • A 发送连接释放报文,FIN=1,就进入FIN_WAIT_1的状态;
    • B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于CLOSE_WAIT(半关闭)状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据;
    • 当 B 不再需要连接时,发送连接释放报文,FIN=1就进入FIN_WAIT_2的状态
    • A 收到后发出确认,进入 TIME-WAIT 状态,等待 2 MSL(最大报文存活时间)后释放连接;
    • B 收到 A 的确认后释放连接;

    四次挥手的原因

    客户端发送了 FIN 连接释放报文之后,服务器收到了这个报文,就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据,传送完毕之后,服务器会发送 FIN 连接释放报文。

    TIME_WAIT

    客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态,此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由:

    • 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文,那么就会重新发送连接释放请求报文,A
      等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
    • 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失,使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

    2.3 TCP状态机

    加黑加粗的部分,是上面说到的主要流程,其中阿拉伯数字的序号,是连接过程中的顺
    序,而大写中文数字的序号,是连接断开过程中的顺序。加粗的实线是客户端A的状态变迁,加粗的虚线是服务端B的状态变迁;
    TCP状态机


    三、TCP协议(下)

    参考了CS-Notes的博文,总结的很好!

    TCP传输是可靠的,需要很多机制保证传输的可靠性,里面也要有恒心,就是各种重传的策略;还需要有智慧,里面包含着大量的算法


    如何成为一个靠谱的协议?
    TCP中为了保证顺序性,每一个包都有一个ID;建立连接的时候,会商定起始的ID是什么,然后按照ID一个个发送。采用**累计确认或者累计应答(cumulative acknowledgment)**的方式去保证不丢包;

    为了记录所有发送的包和接收的包,TCP也需要发送端和接收端分别都有缓存来保存这些记录。发送端的缓存里是按照包的ID一个个排列,根据处理的情况分成四个部分:

    • 发送了并且已经确认的;
    • 发送了并且尚未确认的;
    • 没有发送,但是已经等待发送的;
    • 没有发送,并且暂时还不会发送的;

    3.1 可靠传输

    TCP 使用超时重传来实现可靠传输:如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认,那么就重传这个报文段。

    一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT加权平均往返时间 RTTs 计算如下:
    Alt

    其中,0 ≤ a < 1,RTTs 随着 a 的增加更容易受到 RTT 的影响。

    超时时间 RTO 应该略大于 RTTs,TCP 使用的超时时间计算如下:

    在这里插入图片描述

    其中 RTTd 为偏差的加权平均值


    3.2 TCP滑动窗口

    窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口,接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

    发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。

    接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。
    在这里插入图片描述

    3.3 TCP 流量控制

    流量控制是为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。

    接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。

    3.4 TCP 拥塞控制

    如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像,但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度
    在这里插入图片描述
    TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制:慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复

    发送方需要维护一个叫做拥塞窗口(cwnd)的状态变量,注意拥塞窗口与发送方窗口的区别:拥塞窗口只是一个状态变量,实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

    为了便于讨论,做如下假设:

    • 接收方有足够大的接收缓存,因此不会发生流量控制;
    • 虽然 TCP 的窗口基于字节,但是这里设窗口的大小单位为报文段。

    在这里插入图片描述

    3.4.1 慢开始与拥塞避免

    发送的最初执行慢开始,令 cwnd = 1,发送方只能发送 1 个报文段;当收到确认后,将 cwnd 加倍,因此之后发送方能够发送的报文段数量为:2、4、8 …

    注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍,这样会让 cwnd 增长速度非常快,从而使得发送方发送的速度增长速度过快,网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh,当 cwnd >= ssthresh 时,进入拥塞避免,每个轮次只将 cwnd 加 1。

    如果出现了超时,则令 ssthresh = cwnd / 2,然后重新执行慢开始。

    3.4.2 快重传与快恢复

    在接收方,要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1M2,此时收到 M4,应当发送对 M2 的确认。

    在发送方,如果收到三个重复确认,那么可以知道下一个报文段丢失,此时执行快重传,立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2,则 M3 丢失,立即重传 M3。

    在这种情况下,只是丢失个别报文段,而不是网络拥塞。因此执行快恢复,令 ssthresh = cwnd / 2 ,cwnd = ssthresh,注意到此时直接进入拥塞避免。

    慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值,而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1,而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

    在这里插入图片描述

    四、套接字Socket

    在通信之前,双方都要建立一个Socket。Socket编程进行的是端到端的通信,也只能是端到端协议之上网络层和传输层的。

    在网络层中,Socket函数需要指定到底是IPv4还是IPv6,分别对应设置为AF_INET和AF_INET6。还要指定到底是TCP还是UDPTCP协议是基于数据流的,所以设置为SOCK_STREAM,而UDP是基于数据报的,因而设置为SOCK_DGRAM


    4.1 基于TCP协议的Socket程序函数调用过程

    两端创建Socket之后,TCP的服务端调用bind函数监听一个端口, 给这个Socket赋予一个IP地址和端口

    当服务端有了IP和端口号,就可以调用listen函数进行监听。此时的客户端就可以发起连接请求了;

    在内核中为每个Socket维护两个队列,分别是已经建立了连接、完成三次握手后处于established状态的队列;一个是还没有完全建立连接的队列,三次握手还没完成,处于syn_rcvd的状态。

    接下来,服务端调用accept函数,拿出一个已经完成的连接进行处理。

    在服务端等待的时候,客户端可以通过connect函数发起连接。先在参数中指明要连接的IP地址和端口号,然后开始发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功,服务端的accept就会返回另一个Socket。

    连接建立之后双方开始通过read和write函数来读写数据,下图是基于TCP协议的Socket程序函数调用过程:
    在这里插入图片描述

    4.2 基于UDP协议的Socket程序函数调用过程

    UDP是没有连接的,所以不需要三次握手,也就不需要调用listen和connect,但是,UDP的的交互仍然需要IP和端口号,因而也需要bind函数;但正是没有连接状态,每次通信的时候,都调用sendto和recvfrom,都可以传入IP地址和端口;

    下图就是基于UDP协议的Socket程序函数调用过程
    在这里插入图片描述


    4.3 服务器如何支持高并发?

    在学习了上面的Socket函数之后,可以写一个简单的网络交互程序;

    系统会用一个四元组来标识一个TCP连接

    {本机IP, 本机端口, 对端IP, 对端端口}
    

    最大TCP连接数=客户端IP数×客户端端口数,对IPv4,客户端的IP数最多为2的32次方,客户端的端口数最多为2的16次方,也就是服务端单机最大TCP连接数,约为2的48次方。

    当然最大的TCP连接数还要受到 Socket中的文件描述符以及内存的限制

    如何在资源有限的情况下,进行更多的连接?


    方案一:多进程式

    你相当于一个代理,一旦监听到请求,建立连接就会有一个已连接的Socket,这个时候可以采用fork函数创建一个子进程,将基于已连接Socket的交互交给这个新的子进程来做。子进程就可以通过这个已连接Socket和客户端进行互通了,当通信完毕之后,就可以退出进程。父进程可以通过进程ID查看子进程是否完成项目,是否需要退出。

    相当于来了一个项目,你就找一个外包公司帮你解决这个问题。

    方案二:多线程式
    上面这种方式的问题在于,每次有项目都找外包,这个是不划算的;

    线程就相当于一个公司成立项目组,一个项目做完了,那这个项目组就可以解散,组成另外的项目组;

    通过pthread_create创建一个线程,也是调用do_fork,新的线程也可以通过已连接Socket处理请求,从而达到并发处理的目的。
    多线程式
    基于进程或者线程模型都存在一个问题:
    新到来一个TCP连接,就需要分配一个进程或者线程。一台机器无法创建很多进程或者线程,就是C10K的问题;

    C10K:
    一台机器要维护1万个连接,就要创建1万个进程或者线程,那么操作系统是无法承受的。如果维持1亿用户在线需要10万台服务器,成本也太高了。


    方案三:IO多路复用,一个线程维护多个Socket

    简述一下就是,一个项目组可以看多个项目,每个项目组都应该有个项目进度墙,将自己组看的项目列在那里,然后每天通过项目墙看每个项目的进度,一旦某个项目有了进展,就派人去盯一下。

    Socket是文件描述符,因而某个线程盯的所有的Socket,都放在一个文件描述符集合fd_set(项目进度墙)中,调用select函数来监听文件描述符集合是否有变化,一旦有变化,就会依次查看每个文件描述符。那些发生变化的文件描述符在fd_set对应的位都设为1,表示Socket可读或者可写,从而可以进行读写操作,然后再调用select,接着盯着下一轮的变化。

    方案四:IO多路复用
    方案三中采用select函数来查看fd_set是否有Socket发生变化,每次轮询都会影响性能,且能查看的数量由FD_SETSIZE限制;

    改成事件通知的方式,情况就会好很多,项目组不需要通过轮询挨个盯着这些项目,而是当项目进度发生变化的时候,主动通知项目组,然后项目组再根据项目进展情况做相应的操作。

    通过epoll多路复用模型,它不是通过轮询的方式,而是通过注册callback函数
    方式,当某个文件描述符发送变化的时候,就会主动通知。
    在这里插入图片描述
    如上图所示,进程打开了Socket m, n, x等多个文件描述符,现在需要通过epoll来监听这些Socket是否都有事件发生。其中epoll_create创建一个epoll对象,对应着打开文件列表中那个的一项,通过红黑树来保存这个epoll要监听的所有Socket。

    epoll_ctl添加一个Socket的时候,其实是加入这个红黑树;当一个Socket来了一个事件的时候,可以从这个列表中得到epoll对象,并调用call back通知它。

    这种通知方式使得监听的Socket数据增加的时候,效率不会大幅度降低,能够同时监听的Socket的数目也非常的多;


    总结

    • 需要记住TCP和UDP的Socket的编程中,客户端和服务端都需要调用哪些函数;
    • 能够支撑大量连接的高并发的服务端不容易,需要多进程、多线程,而epoll机制能解决C10K问题。
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  • 网络协议 网络协议

    2008-11-23 12:44:52
    网络协议 网络协议 网络协议 网络协议
  • 常见网络协议

    万次阅读 多人点赞 2019-03-26 13:32:50
    一、网络协议 二、TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)       TCP头格式      TCP协议中的三次握手和四次挥手      TCP报文抓取工具三、...

    一、网络协议

    二、TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)

          TCP头格式
          TCP协议中的三次握手和四次挥手
          TCP报文抓取工具
    三、HTTP(HyperText Transfer Protocol,超文本传输协议)

          请求报文结构
          请求报文样例
          请求报文参数详解
          响应报文结构
          响应报文样例
          响应报文参数详解
          HTTP报文抓取工具
          Session和Cookie
    四、相关资料

    ---------------------------------------------------------------------------------------------

    一、网络协议

           国际标准化组织(International Standard Organization,ISO)公布了开放系统互连参考模型(OSI/RM)。OSI/RM是一种分层的体系结构,参考模型共有7层。
    TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)作为Internet的核心协议。它是个协议族,包含多种协议。
    分层的基本想法是每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务,而最高层提供能运行分布式应用程序的服务。

    发送请求的过程是从最顶层(应用层)出发,每一层负责封装属于自己的信息到请求中,最后将一整个请求发送给对方。
    接收请求的过程是从最底层(网络接口层)开始,每一层的协议负责解析属于自己的东西,比如网际层(IP)处理ip信息,传输层(TCP)处理点对点的端口,应用层(HTTP)处理Request或Response的Line\Header\Body。

     

    二、TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)

          TCP是一种面向连接(连接导向)的、可靠的基于字节流的传输层通信协议。TCP将用户数据打包成报文段,它发送后启动一个定时器,另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。
    TCP的特点有:

    • TCP是面向连接的运输层协议
    • 每一条TCP连接只能有两个端点,每一条TCP连接只能是点对点的
    • TCP提供可靠交付的服务
    • TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此,连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
    • 面向字节流。面向字节流的含义:虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块,但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流。

    1、TCP头格式

    (1)   Source Port(源端口号):数据发起者的端口号,16bit。
    (2)   Destination Port(目的端口号):数据接收者的端口号,16bit。
    (3)   Sequence Number(顺序号码,Seq):用于在数据通信中解决网络包乱序(reordering)问题,以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序(TCP会用这个顺序号码来拼接数据),32bit。
    (4)   Acknowledgment Number(确认号码,ack):是数据接收方期望收到发送方在下一个报文段的顺序号码(Seq),因此确认号码应当是上次已成功收到顺序号码(Seq)加1,32bit。
    (5)   Offset(TCP报文头长度):用于存储报文头中有多少个32bit(上图的一行),存储长度为4bit,最大可表示(2^3+2^2+2^1+1)*32bit=60bytes的报文头。最小取值5,5*32bit=20bytes。
    (6)   Reserved(保留):6bit, 均为0
    (7)   TCP Flags(TCP标志位)每个长度均为1bit
              CWR:压缩,TCP Flags值0x80。
              ECE:拥塞,0x40。
              URG:紧急,0x20。当URG=1时,表示报文段中有紧急数据,应尽快传送。
              ACK:确认,0x10。当ACK = 1时,代表这是一个确认的TCP包,取值0则不是确认包。
              PSH:推送,0x08。当发送端PSH=1时,接收端尽快的交付给应用进程。
              RST:复位,0x04。当RST=1时,表明TCP连接中出现严重差错,必须释放连接,再重新建立连接。
              SYN:同步,0x02。在建立连接是用来同步序号。SYN=1, ACK=0表示一个连接请求报文段。SYN=1,ACK=1表示同意建立连接。
              FIN:终止,0x01。当FIN=1时,表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕,并要求释放传输连接。
    (8)   窗口:用来控制对方发送的数据量,通知发放已确定的发送窗口上限。
    (9)   检验和:该字段检验的范围包括头部和数据这两部分。由发端计算和存储,并由收端进行验证。
    (10) 紧急指针:紧急指针在URG=1时才有效,它指出本报文段中的紧急数据的字节数。
    (11) TCP选项:长度可变,最长可达40字节

    备注:ISN(Inital Sequence Number):初始化Sequence Number,发生在建立连接时。

    2、TCP协议中的三次握手和四次挥手

    三次握手可以理解成:

    我打电话给你你没看到,一会之后你又打电话给我问有什么事,我再给你说我有什么什么事

    四次挥手可以理解成:

    我给你说我不想再要你送的东西了,你说不行啊还有很多没有送完(继续在送),(送完啦)你说已经把所有东西都送给我啦,我说我收到了那就结束吧-----------

     

    特别注意

    Seq:是发送方当前报文的顺序号码。
    ack:是发送方期望对方在下次返回报文中给回的Seq。

    建立连接需要三次握手

    第一次握手:客户端向服务端发送连接请求包,标志位SYN(同步序号)置为1,顺序号码为X=0。

    第二次握手:服务端收到客户端发过来报文,由SYN=1知道客户端要求建立联机,则为这次连接分配资源。并向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文,设置初始顺序号码Y=0,将确认序号(ack)设置为上一次客户端发送过来的顺序号(Seq)加1,即X+1 = 0+1=1。

    第三次握手:客户端收到服务端发来的包后检查确认号码(ack)是否正确,即第一次发送的Seq加1(X+1=1)。以及标志位ACK是否为1。若正确,服务端再次发送确认包,ACK标志位为1,SYN标志位为0。确认号码(ack)=Y+1=0+1=1,发送顺序号码(Seq)为X+1=1。Server收到后确认号码值与ACK=1则连接建立成功,可以传送数据了。

    断开连接需要四次挥手

    提醒:中断连接端可以是Client端,也可以是Server端。只要将下面两角色互换即可。
    第一次挥手:客户端给服务端发送FIN报文,用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1,顺序号码为X=1,确认号码为Z=1。意思是说”我Client端没有数据要发给你了,但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK过来。”

    第二次挥手:服务端收到FIN后,发回一个ACK(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1,即X=X+1=2。顺序号码为收到的确认号码=Z。意思是说“你的FIN请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息" 这个时候客户端就进入FIN_WAIT状态,继续等待服务端的FIN报文。

    第三次挥手:当服务端确定数据已发送完成,则向客户端发送FIN报文,关闭与客户端的连接。标志位FIN和ACK置为1,顺序号码为Y=1,确认号码为X=2。意思是告诉Client端“好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了。”

    第四次挥手:客户端收到服务器发送的FIN之后,发回ACK确认(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1,即Y+1=2。顺序号码为收到的确认号码X=2。意思是“我Client端知道可以关闭连接了,但是我还是不相信网络,怕 Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。“(在TIME_WAIT状态中,如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了,它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭,并且所有的资源(包括端口号)都被释放。)

    为什么关闭的时候却是四次挥(握)手?
    因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

    3、TCP报文抓取工具:Wireshark

    捕获过滤器中填入表达式:host www.cnblogs.com and port 80(80等效于http)
    有多个TCP流时在显示过滤器中填入表达式:tcp.stream eq 0 筛选出第一个TCP流(包含完整的一次TCP连接:三次握手和四次挥手)

     

    每条记录都有如下协议层
    (1) Frame:   物理层的数据帧概况
    (2)Ethernet II: 数据链路层以太网帧头部信息
    (3) Internet Protocol Version 4: 互联网层IP包头部信息
    (4)Transmission Control Protocol:  传输层的数据段头部信息,此处是TCP
    (5) Hypertext Transfer Protocol:  应用层的信息,此处是HTTP协议

     

     

    三、HTTP(HyperText Transfer Protocol,超文本传输协议)

          HTTP是一个应用层协议,虽然在2015年已推出HTTP/2版本,并被主要的web浏览器和web服务器支持。但目前使用最广泛的还是HTTP/1.1版本。有关历史请查阅这里
    它的主要特点可概括如下:

    • 支持客户/服务器模式。
    • 简单快速:客户向服务器请求服务时,只需传送请求方法和路径。由于HTTP协议简单,使得HTTP服务器的程序规模小,因而通信速度很快。
    • 灵活:HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
    • 无连接:无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求,并收到客户的应答后,即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
    • 无状态:HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息,则它必须重传,这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面,在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。为了解决这个问题, Web程序引入了Cookie机制来维护状态。

    另外,HTTP请求报文和响应报文都是由开始行(对于请求消息,开始行就是请求行,对于响应消息,开始行就是状态行),消息报头(可选),空行(只有CRLF的行),消息正文(可选)组成。将在下面详细讲解。

    1、请求报文结构

    报文中的数据都使用ASCII编码,各个字段的长度是不确定的(除了作为结尾的CRLF外,不允许出现单独的CR或LF字符)。

    2、请求报文样例

    复制代码
    复制代码
    POST /search HTTP/1.1  
    Accept: image/gif, image/x-xbitmap, image/jpeg, image/pjpeg, application/vnd.ms-excel, application/vnd.ms-powerpoint, 
    application/msword, application/x-silverlight, application/x-shockwave-flash, */*  
    Referer: http://www.google.cn/  
    Accept-Language: zh-cn  
    Accept-Encoding: gzip, deflate  
    User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 6.0; Windows NT 5.1; SV1; .NET CLR 2.0.50727; TheWorld)  
    Host: www.google.cn 
    Connection: Keep-Alive  
    Cookie: PREF=ID=80a06da87be9ae3c:U=f7167333e2c3b714:NW=1:TM=1261551909:LM=1261551917:S=ybYcq2wpfefs4V9g; 
    NID=31=ojj8d-IygaEtSxLgaJmqSjVhCspkviJrB6omjamNrSm8lZhKy_yMfO2M4QMRKcH1g0iQv9u-2hfBW7bUFwVh7pGaRUb0RnHcJU37y-
    FxlRugatx63JLv7CWMD6UB_O_r  
    

    hl=zh-CN&source=hp&q=domety

    复制代码
    复制代码

     

    3、请求报文参数详解

    请求方法

    所有请求方法名称全为大写,目前有9种:

    备注
    安全性:https://en.wikipedia.org/wiki/Hypertext_Transfer_Protocol
    幂等性:表示的操作至多只会被处理一次,每次调用都将返回第一次调用时的处理结果。
    关于HTTP请求GET和POST的区别
    (1).提交形式:
       GET提交的数据会放在URL之后,以?分割URL和传输数据,参数之间以&相连,如EditPosts.aspx?name=test1&id=123456.  POST方法是把提交的数据放在HTTP包的Body中.
    (2).传输数据的大小:
       HTTP协议本身没有对传输的数据大小进行限制,HTTP协议规范也没有对URL长度进行限制。 而在实际开发中存在的限制主要有:
       GET:特定浏览器和服务器对URL长度有限制,例如IE对URL长度的限制是2083字节(2K+35)。对于其他浏览器,如Netscape、FireFox等,理论上没有长度限制,其限制取决于操作系统的支持。
       因此对于GET提交时,传输数据就会受到URL长度的限制。
       POST:由于不是通过URL传值,理论上数据不受限。但实际各个WEB服务器会规定对post提交数据大小进行限制,Apache、IIS6都有各自的配置。
    (3).安全性:
        POST的安全性要比GET的安全性高,具有真正的Security的含义。而且通过GET提交数据,用户名和密码将明文出现在URL上,因为登录页面有可能被浏览器缓存,其他用户浏览历史纪录就可以拿到账号和密码了。

    请求报头域

    报头域指头部中的Key,且不分大小写。

    4、响应报文结构

    如所见,响应报文结构与请求报文结构唯一真正的区别在于第一行中用状态信息代替了请求信息。状态行(status line)通过提供一个状态码来说明所请求的资源情况。

    5、响应报文样例

    复制代码
    复制代码
    HTTP/1.1 200 OK
    Date: Mon, 23 May 2005 22:38:34 GMT
    Content-Type: text/html; charset=UTF-8
    Content-Encoding: UTF-8
    Content-Length: 138
    Last-Modified: Wed, 08 Jan 2003 23:11:55 GMT
    Server: Apache/1.3.3.7 (Unix) (Red-Hat/Linux)
    ETag: "3f80f-1b6-3e1cb03b"
    Accept-Ranges: bytes
    Connection: close
    

    <html>
    <head>
    <title>An Example Page</title>
    </head>
    <body>
    Hello World, this is a very simple HTML document.
    </body>
    </html>

    复制代码
    复制代码

     

    6、响应报文参数详解

    响应状态码

    状态代码由三位数字组成,第一个数字定义了响应的类别,且有五种可能取值。
    1xx:指示信息--表示请求已接收,继续处理。
    2xx:成功--表示请求已被成功接收、理解、接受。
    3xx:重定向--要完成请求必须进行更进一步的操作。
    4xx:客户端错误--请求有语法错误或请求无法实现。
    5xx:服务器端错误--服务器未能实现合法的请求。
    常用状态码:

    200 OK:成功返回状态,对应,GET,PUT,PATCH,DELETE。
    201 created  - 成功创建。
    302 Found:重定向,新的URL会在response中的Location中返回,浏览器将会使用新的URL发出新的Request。

                     例如在IE中输入http://www.google.com. HTTP服务器会返回304, IE取到Response中Location header的新URL, 又重新发送了一 个 Request.
    304 Not Modified:代表上次的文档已经被缓存了, 还可以继续使用。
    400 bad request   - 请求格式错误。
    401 unauthorized   - 未授权。
    403 forbidden   - 鉴权成功,但是该用户没有权限。
    404 not found - 请求的资源不存在。
    405 method not allowed - 该http方法不被允许。
    410 gone - 这个url对应的资源现在不可用。
    415 unsupported media type - 请求类型错误。
    422 unprocessable entity - 校验错误时用。
    429 too many request - 请求过多。
    500 Internal Server Error:服务器发生了不可预期的错误。
    503 Server Unavailable:服务器当前不能处理客户端的请求,一段时间后可能恢复正常。

    响应报头域

    报头域指头部中的Key,且不分大小写。

    7、HTTP报文抓取工具

    Wireshark、Fiddler、HttpWatch(需结合IE)、Telnet
    Wireshark:
    在显示过滤器中填入表达式:http and ip.addr == 42.121.252.58 and tcp.port == 80 过滤出http的响应和请求流程

     

     

    8、Session和Cookie

    说到HTTP,就不得不提Session和Cookie。但严格来说,Session和Cookie并不是http协议的一部分。由于HTTP协议设计原则是无状态的,但是近年来出现了种种需求,其中cookie的作用就是为了解决HTTP协议无状态的缺陷所作出的努力。后来出现的session机制则是又一种在客户端与服务器之间保持状态的解决方案。 具体来说cookie机制采用的是在客户端保持状态的方案,而session机制采用的是在服务器端保持状态的方案。同时我们也看到,由于采用服务器端保持状态的方案在客户端也需要保存一个标识,所以session机制可能需要借助于cookie机制来达到保存标识的目的,但实际上它还有其他选择。

    Session

    Session是可以存储针对于某一个用户的浏览器以及通过其当前窗口打开的任何窗口具有针对性的用户信息存储机制。 
    通常大家认为,只要关闭浏览器,session就消失,其实这是错误的理解。对session来说也是一样的,除非程序通知服务器删除一个session,否则服务器会一直保留。由于关闭浏览器不会导致session被删除,迫使服务器为seesion设置了一个失效时间,当距离客户端上一次使用session的时间超过这个失效时间时,服务器就可以认为客户端已经停止了活动,才会把session删除以节省存储空间.

    (1)第一次访问某个web站点资源时,客户端提交没有带SessionID的请求(请求报文头没有Cookie头域信息)。
      而web服务器会检查是否有SessionID过来,没有则创建SessionID,并根据web程序自身定义在请求哪个资源时添加属于当前会话的信息(也可为空),这个信息列表以SessionID作为标识。然后将SessionID返回给客户端(通过响应报文头的Set-Cookie头域)。
    (2 )客户端再次访问同个web站点时,提交带有SessionID的请求(通过Cookie头域存储SessionID)。由服务端判断session是否失效,如果未失效,可查询属于当前会话的信息列表。如果失效,则创建新的session(产生新的SessionID),而原先的session(包含session带的信息列表)则丢失,无法访问。

    Cookie

    保存SessionID的方式可以采用Cookie,这样在交互过程中浏览器可以自动的按照规则把这个SessionID发回给服务器。Cookie的命名方式类似于SessionID。有时Cookie被人为的禁止,所以出现了其他机制以便在Cookie被禁止时仍然能够把SessionID传递回服务器。这种技术叫做URL重写,就是把SessionID直接附加在URL路径的后面,附加方式也有两种,一种是作为URL路径的附加信息,表现形式为http://www.wantsoft.com/index.asp;jsessionid= ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764 。
    另一种是作为查询字符串附加在URL后面,表现形式为http://www.wantsoft.com/index?js ... 99zWpBng!-145788764 。

     

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