浅谈TCP/UDPIP SocketHTTP

Posted 2021-04-25 胡亮的编程天地

1.1 TCP/IP协议组

TCP/IP协议(传输控制协议)由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成

· TCP层负责面向应用的可靠的或费可靠的数据传输机制，这是网络编程的主要对象。

TCP/IP是个协议组,可分为三个层次:网络层,传输层和应用层:

· 网络层：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议

· 传输层：TCP协议与UDP协议；

· 应用层：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议

HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用Socket实现HTTP。Socket是实现传输层协议的一种编程API,可以是TCP，也可以是UDP。

HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用Socket实现HTTP。Socket是实现传输层协议的一种编程API,可以是TCP，也可以是UDP。

1.2 TCP

· TCP(Transmission Control Protocol)，即传输控制协议，提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接前，TCP连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求。

· TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。 通过TCP协议，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个Socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个Socket(通常都是Server Socket)等待建立连接时，另一个Socket可以要求进行连接，一旦这两个Socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送和接收操作。

TCP特点

1. TCP是面向连接的协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接协议，所以只能用于点对点的通讯。而且建立连接也需要消耗时间和开销。

2. TCP传输数据无大小限制，进行大数据传输。

3. TCP是一个可靠的协议，它能保证接收方能够完整正确地接收到发送方发送的全部数据。

TCP的三次握手

第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手；

【适用情况】

· TCP发送的包有序号，对方收到包后要给一个反馈，如果超过一定时间还没收到反馈就自动执行超时重发，因此TCP最大的优点是可靠。一般网页（http）、邮件（SMTP)、远程连接(Telnet)、文件(FTP)传送就用TCP

· TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽，因此TCP传输的效率不如UDP高。

1.3 UDP

· UDP(User Datagram Protocol),即用户数据报协议，是一个无连接的简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户端和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，固而传输速度很快。

UDP特点：

1. UDP是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。

2. UDP传输数据时有大小限制，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。

3. UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方。

【适用情况】

· UDP是面向消息的协议，通讯时不需要建立连接，数据的传输自然是不可靠的，UDP一般多用于多点通讯和实时的数据业务，比如语音广播、视频、QQ、TFTP（简单文件传送）、SNMP(简单网络管理协议)、RTP（实时传送协议）RIP（路由信息协议，如报告股票市场，航空信息）、DNS(域名解释）。注重速度流畅。

· UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client/server应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

1.4 TCP和UDP区别

TCP是面向流字符的，数据流间无边界；UDP是面向分组的，分组间有明确的边界。

对于TCP，发送一串数字（1，2，3，4，5），接收时有可能变成两次（1，2）和（2，4，5），或者变成任意接收方式，协议栈只保证接收顺序正确；UDP发送一个分组，接收方或者接收完全失败，如果成功整个分组都会接收到。

TCP建立一个连接需要3次握手IP数据包，断开连接需要4次握手。另外断开连接时发起方可能进入TIME_WAIT状态长达数分钟（视系统设置，windows一般为120秒），在此状态下连接（端口）无法被释放

· TCP是可靠的，通过数据校验保证发送和接收到的数据是一致的；UDP是不可靠的，发送一串数字分组（1，2，3）可能接收到时就变成（1，0，0）了，做UDP连接时需要自己做数据校验。

· TCP数据是有序的，以什么顺序发送的数据，接收时同样会按照此顺序；UDP是无序的，发出（1，2，3），有可能按照（1，3，2）的顺序收到。应用程序必须自己做分组排序。

· TCP因为建立连接、释放连接、IP分组校验排序等需要额外工作，速度较UDP慢许多。TCP适合传输数据，UDP适合流媒体。

· UDP比TCP更容易穿越路由器防火墙。

1.5 Socket

· Socket通讯过程：服务器监听某个端口是否有连接请求，客户端向服务端发送连接请求，服务端收到连接请求向客户端发出接收信息，这样一个连接就建立起来了。客户端和服务端都可以相互发送消息与对方进行通讯。

· Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。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Scoket去组织数据，以符合指定的协议。

· 由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致Socket连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

优点：

1.传输数据为字节级，传输数据可自定义，数据量小。相应的移动端开发，手机费用低

2.传输数据时间短，性能高

3.适合C/S之间信息实时交互

4.可以加密，数据安全性高

缺点：

1.需要对传输的数据进行解析，转化为应用级的数据

2.对开发人员的开发水平要求高

3.相对于Http协议传输，增加了开发量

适用场景：

网络游戏，银行交互，支付。

1.套接字（socket）概念

· 应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

2.建立socket连接

· 建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket ，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

· 套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求

 

 

连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3.Socket连接与TCP连接

· 创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接

【适用情况】
很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；

1.6 HTTP

· HTTP(Hypertext Transfer Protocol )协议是建立在TCP协议之上的一种应用，HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立TCP连接，而且需要客户端向服务器发出请求请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息，服务器端才能回复数据。服务器响应包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即使不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

· 为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性。因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法：HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

· 结论：HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用SOCKET实现HTTP。SOCKET是实现传输层协议的一种编程API，可以是TCP，也可以是UDP。

优点：

 1.基于应用级的接口使用方便

 2.要求的开发水平不高，容错性强

缺点：

 1.传输速度慢，数据包大。

 2.如实现实时交互，服务器性能压力大

 3.数据传输安全性差

适用场景：

公司OA服务，互联网服务

【适用情况】
若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

1.7 网络协议总结

网络由下往上分为
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层

通过初步的了解，知道IP协议对应于网络层，TCP协议对应于传输层，而 HTTP协议对应于应用层，
三者从本质上来说没有可比性

  socket则是对TCP/UDP协议的封装和应用(程序员层面上)。

也可以说，TPC/UDP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。

关于TCP/IP和HTTP协议的关系，网络有一段比较容易理解的介绍

我们在传输数据时，可以只使用(传输层)TCP/IP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。
CSDN上有个比较形象的描述

HTTP是轿车，提供了封装或者显示数据的具体形式;Socket是发动机，提供了网络通信的能力。

实际上，传输层的TCP是基于网络层的IP协议的，而应用层的HTTP协议又是基于传输层的TCP协议的，而Socket本身不算是协议，就像上面所说，它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。
WEB使用HTTP协议作应用层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做传输层协议将它发到网络上。
实际上，Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系

Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。

所以说，Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已，是对TCP/IP协议的抽象，

从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口，比如create、listen、connect、accept、send、read和write等等。

网络有一段关于socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理解

“TCP/IP与UDP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。

这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样，

TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。”