[网络协议]TCP与UDP协议

1. OSI 网络七层模型

• 为使不通计算机厂家的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。
  

各层的主要功能

1. 低三层
   • 物理层：使原始的数据比特流能在物理介质上传输。
   • 数据链路层：通过校验、确认和反馈重发等手段，形成稳定的数据链路。(01010101)
   • 网络层：进行路由选择和流量控制。(IP 协议)
2. 承上启下
   • 传输层：提供可靠的端口到端口的数据传输服务(TCP/UDP 协议)
3. 高三层
   • 会话层：负责建立、管理和终止进程之间的会话和数据交换。
   • 表示层：负责数据格式转换、数据加密与解密、压缩与解压缩等。
   • 应用层：为用户的应用进程提供网络服务。

2. 传输控制协议 TCP

• 传输控制协议(TCP)是 Internet 一个重要的传输层协议。TCP 提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。应用程序在使用 TCP 协议之前，必须先建立 TCP 连接。
  

TCP 三次握手建立连接

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

• 第一次握手：
  客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=x，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
• 第二次握手：
  服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个序号值seq=y，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。
• 第三次握手：
  客户端收到确认后，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=x+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

TCP 四次挥手关闭连接

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

挥手请求可以是Client端，也可以是Server端发起的，我们假设是Client端发起：

• 第一次挥手： Client端发起挥手请求，向Server端发送标志位是FIN报文段，设置序列号seq，此时，Client端进入FIN_WAIT_1状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了。
• 第二次分手：Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK的报文段，ack设为seq加1，Client端进入FIN_WAIT_2状态，Server端告诉Client端，我确认并同意你的关闭请求。
• 第三次分手： Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段，请求关闭连接，同时Client端进入LAST_ACK状态。
• 第四次分手 ： Client端收到Server端发送的FIN报文段，向Server端发送标志位是ACK的报文段，然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，Client端也可以关闭连接了。

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

建立连接时因为当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。所以建立连接只需要三次握手。

由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，TCP是全双工模式。
这就意味着，关闭连接时，当Client端发出FIN报文段时，只是表示Client端告诉Server端数据已经发送完毕了。当Server端收到FIN报文并返回ACK报文段，表示它已经知道Client端没有数据发送了，但是Server端还是可以发送数据到Client端的，所以Server很可能并不会立即关闭SOCKET，直到Server端把数据也发送完毕。
当Server端也发送了FIN报文段时，这个时候就表示Server端也没有数据要发送了，就会告诉Client端，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

3. 用户数据报协议 UDP

• 用户数据报协议 UDP 是 Internet 传输层协议。

• 提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。

使用 UDP 应注意：

• 应用进程更容易控制发送什么数据以及何时发送
• 无需建立连接
• 无连接状态
• 首部开销小

4. UDP 和 TCP 的比较

5. Socket 编程

• Internet 中应用最广泛的网络应用编程接口，实现于 3 种底层协议接口：

  • 数据报类型套接字 SOCK_DGRAM（面向 UDP 接口）
  • 流式套接字 SOCK_STREAM（面向 TCP 接口）
  • 原始套接字 SOCK_RAW（面向网络层协议接口 IP、ICMP 等）

• 主要 Socket API 及其调用过程
  

• Socket API 函数定义

  • listen()、accept() 函数只能用于服务器端。
  • connect() 函数只能用于客户端。
  • socket()、bind()、send()、recv()、sendto()、recvfrom()、close()

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