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网络协议—七/五层模型、三次握手和四次挥手原理详解、UDP/TCP、TCP可靠传输

理解协议、了解TCP/IP网络协议

协议,网络协议的简称,是通信计算机双方必须共同遵从的规则。互联网的每一层,都定义了很多协议。

网络模型

  • 七层网络模型

OSI模型

应用层:为应用程序提供服务并规定应用程序中通信相关的细节。包括文件传输、电子邮件、远程登录(虚拟终端)等协议。
表示层:主要负责数据格式的转换。将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式,或将来自下一层的数据转换为上层能够处理的格式。
会话层:通信管理,负责建立和断开通信连接(数据流动的逻辑通路),以及数据的分割等数据传输相关的管理。
传输层:起着可靠传输的作用。只在通信双方节点上进行处理,而无需在路由器上处理。
网络层:将数据传输到目标地址。地址寻址和路由选择。
数据链路层:负责物理层面上互连的、节点之间的通信传输。
物理层:负责0、1比特流(0、1序列)与电压的高低、光的闪灭之间的互换。
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  • TCP/IP体系结构

从客户端发出http请求到服务器接收,中间会经过一系列的流程。简括就是:

从应用层的发送http请求,到传输层通过三次握手建立tcp/ip连接,再到网络层的ip寻址,再到数据链路层的封装成帧,最后到物理层的利用物理介质传输。

1.应用层(dns,http) DNS解析成IP并发送http请求

2.传输层(tcp,udp) 建立tcp连接(三次握手)

3.网络层(IP,ARP)  IP寻址---路由器属于网络层

4.数据链路层(PPP) 封装成帧

5.物理层(利用物理介质传输比特流) 物理传输(然后传输的时候通过双绞线,电磁波等各种介质)
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TCP/IP体系结构 上图是TCP/IP体系结构,图中包含了每层的协议。TCP把连接作为最基本的对象,每一条TCP连接都有两个端点,这种断点我们叫作套接字(socket),它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字,例如,若IP地址为192.3.4.16,而端口号为80,那么得到的套接字为192.3.4.16:80

网络通信就是交换数据包,是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。例如电脑A向电脑B发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构,基本上是下面这样: 数据包的结构 了解HTTP事务处理过程: HTTP事务处理过程

三次握手

TCP报文首部(相关报文的简单介绍)

确认ACK,仅当ACK=1时,确认号字段才有效。TCP规定,在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1;
同步SYN,在连接建立时用来同步序号。当SYN=1,ACK=0,表明是连接请求报文,若同意连接,则响应报文中应该使SYN=1,ACK=1;
终止FIN,用来释放连接。当FIN=1,表明此报文的发送方的数据已经发送完毕,并且要求释放;
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TCP的建立(三次握手)

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端,被动打开连接的是服务器。 TCP三次握手

  • TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,时刻准备接受客户进程的连接请求,此时服务器就进入了LISTEN(监听)状态。
  • TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向服务器发出请求连接请求报文,这时报文首部中国的同步位SYN=1,同时选择一个初始序列号seq=x;此时,TCP客户端进程进入SYN-SENT(同步已发送)状态。TCP规定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。
  • TCP服务器收到请求报文后,如果同意连接,则发出确认报文。确认报文中应该ACK=1,SYN=1,确认号是ack=x+1,同时也要为自己初始化一个序列号seq=y,此时,TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据,但是同样要消耗一个序号。
  • TCP客户进程收到确认后,还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,ack=y+1,自己的序列号seq=x+1,此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。TCP规定,ACK报文段可以携带数据,但是如果不携带数据则不消耗序号。
  • 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

下面动图展示三次握手的过程(建议自己动手画,多画几次就记住了) TCP三次握手动图展示

  • 三次握手对话模拟:
    • 客户端:你是XXX服务端吗?
    • 服务端:我是XXX服务端,你是客户端吗?
    • 客服端:是的,我是客户端
    • 建立连接成功后,接下来可以进行正式的传输数据。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

主要是防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器,从而产生错误。如果使用的是两次握手建立连接,假设这么一个场景,客户端发送了一个请求连接并且没有丢失,而是在网络节点中滞留太久了,由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文,以为服务器没有收到,此时重新向服务器发送这条报文,此后客户端和服务器经过两次握手完成连接,传输数据,然后关闭连接,此前滞留的那一次请求连接,网络通畅到达了服务器,这个报文本该是失效的,但是,两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接,这将导致不必要的错误和资源的浪费。 如果采用的是三次握手,就算是那一次失效的报文传送过来了,服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文,但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认,就知道客户端并没有请求连接。

四次挥手

TCP的释放(四次挥手)

TCP的释放(四次挥手)

  • 客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。
  • 服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
  • 客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。
  • 服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
  • 客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2*MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。
  • 服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

下面动图展示四次挥手的过程(建议自己动手画) 四次挥手动图展示

  • 四次挥手断开连接
    • 客户端(主动方):我已经关闭了想你那边的信息发送通道,只能被动接收信息了
    • 服务端(被动方):我收到通道关闭的信息了。
    • 服务端(被动方):我现在也关闭了向你那边发送信息的通道。
    • 客户端(主动方):收到你的信息了,断开连接。之后双方无法再通信。

为什么客户端最后还要等待2MSL?

MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

  • 第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。
  • 第二,防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手,关闭连接确是四次挥手呢?

建立连接的时候, 服务器在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,服务器收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,而自己也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即关闭,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送,从而导致多了一次。

如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。

常见状态码

  • 不同范围状态的意义:
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
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  • 最常用到的就是状态码,很多时候都是通过状态码来判断,如(列举几个最常见的):
100——继续。客户端应继续其请求。(post请求时两个数据包)
200——表明该请求被成功地完成,所请求的资源发送回客户端
301——永久性重定向,请求的资源已被永久的移动到新URI
302——临时性重定向,资源知识临时被移动,客户端应继续使用原有URI
304——自从上次请求后,请求的网页未修改过,请客户端使用本地缓存
400——客户端请求有错(譬如可以是安全模块拦截)
401——请求未经授权
403——禁止访问(譬如可以是未登录时禁止)
404——资源未找到
500——服务器内部错误
503——服务不可用
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  • 301永久性重定向和302临时性重定向
    • 301永久性重定向是网页更改地址后对搜索引擎(SEO)最好的方法,只要不是暂时搬移的情况,都建议使用301来做转址。如果我们把一个地址采用301跳转方式跳转的话,搜索引擎会把老地址下原有的外部链接如数转移到新地址下,同时在搜索引擎中彻底废除原先的老地址。不会对网站的排名产生影响。

      假如当你访问 a.com时 永久重定向到了 b.com ;
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      不会再请求a.com
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    • 302临时性重定向,一般对于搜索引擎来说,302不会转移权重,登录后跳转到首页之类的跳转操作用302。会导致网站排名降低。

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UDP&TCP

UDP

  • 无连接;不可靠;面向报文;没有拥塞控制;传输效率高;支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信;
  • 使用场景:对传输效率要求高、对准确性要求低。例如视频音频等对实时性要求较高的情况、广播通信等。

TCP

  • 面向连接;可靠;面向字节流;全双工通信方式;传输效率慢;
  • 使用场景:当对网络通讯质量有要求的时候,比如:整个数据要准确无误地传输给对方,往往用于一些要求可靠的应用,比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议;SMTP等邮件传输协议。
  • 如何保证可靠传输?
    • TCP通过序列号、检验和、确认应答信号、重发控制、连接管理、窗口控制、流量控制、拥塞控制实现可靠性。

TCP可靠传输

可以阅读这篇文章:TCP 协议如何保证可靠传输

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