TCP/IP协议随笔

Posted 2021-02-03 peterxiao

　　今天翻博客的时候看到了TCP/IP协议相关的几篇文章，写的非常好，LZ打算把其中的重点整理一下，虽然都是一些概念性的东西，平时编码的时候可能用不到，但是起码我们应该知道自己是在哪一层编码，又有哪些协议在默默的帮我们传递数据。

　　一、TCP/IP是什么

　　LZ用自己的话回答一下这个问题，tcp/ip是什么？

　　简单的说，tcp/ip就是一套规矩。两个计算机要互相通信，就得有规矩，一个非常普遍的例子就是发信件。想像一下，如果信件上面的地址和邮编等信息是随便写的，那么目的地的邮递员收到信件时，一定会一头雾水，不知道到底要送到哪。同样的，如果收件人是“额买瑞肯”，而你写的字是“拆泥渍”，对方肯定是看不懂的，所以双方的语言也要相通。

　　计算机之间要通信，也需要规矩，于是tcp/ip就出现了。tcp和ip分别是两个协议，而tcp/ip一般泛指一个协议族。这个协议族一共包含四层，分别是链路层，网络层，传输层以及应用层。其中tcp是传输层的协议，ip则是网络层的协议。

　　之所以分层，原因就像mvc框架的作用一样，是为了让专业的人做专业的事。还记得设计模式当中的单一职责原则吗，这里其实也正是这个原则的体现。每一层都只做自己应该做的事情，并且把它做好，这样有利于扩展和维护。

　　二、四层简介

　　接下来，LZ就自己的理解，给大家简单介绍一下各个分层。

　　链路层：这是最接近硬件的一层，也是俗称的“底层”。它主要指我们俗称的网卡和网卡驱动程序，网卡是硬件，驱动程序则负责控制网卡。链路层主要负责与传输介质（比如光纤）配合完成实际的数据传输工作。你可以把它想像成高速公路上可恶的收费站，每一条公路的入口和出口都有一个收费站，而这些收费站之间是有协议的，比如按路程收费。这些收费站就像网络接口一样，而公路则像光纤一样。

　　网络层：这一层凌驾于链路层之上，主要负责数据报在网络中的活动，比如该往哪走。这一层就像高速公路上的路标，路标决定了你每到一个路口应该怎么走。网络层恰恰就是做这件事，比如ip协议，其实就是制定一套规则，让数据按照这套规则可以找到目的地。

　　传输层：这一层已经比较接近我等屌丝了，它负责应用程序之间端到端的通信，这么说可能比较难理解。这个比较像物流中的一个场景，比如现在LZ在北京，并且在上海买了一个商品要送过来，那么过程应该是这样的。首先由上海的快递小哥把LZ的商品拿走，然后交给向北京出发运送货物的司机，接下来LZ的商品到北京后会被交给物流公司的统一发货处，最终由快递小哥负责把商品送到LZ手中。请注意，这个过程中，货车司机并不关心货物到底送到哪，他只管送到北京，而最终快递小哥需要把货物送给具体的收货人。这和网络层与传输层的关系类似，网络层只管把数据报从一个计算机送给另外一个计算机，具体是哪个进程的数据，网络层可不管，这便是传输层负责的事了。这里的端到端通信，其实就是指端口到端口的通信。

　　应用层：这一层与我等屌丝已经有肌肤之亲，可谓是再熟悉不过了。比如你天天要用的http协议，它就是应用层的一个协议。http定义了各种协议头，什么请求协议头，响应协议头，乱七八糟的。这些协议头都是干嘛的呢，既然是应用层，当然是给应用程序用的了。比如响应协议头中有文本格式这个头，它就定义了浏览器应该如何展示web服务器发回来的响应信息，比如xml，html还是什么其它的玩意。

　　三、四层小结

　　这么一看，其实tcp/ip协议族挺好理解的，接下来LZ还用上面物流的例子来说明。

　　链路层就是负责运输LZ女朋友的那个司机，他是实际负责运输工作的（也就是实际传输数据的工作）。网络层就是高速路上的路标，负责指引司机在高速上该如何走（也就是在网络上的活动），并让司机正确到达目的地。传输层则是快递小哥，负责在具体的发货人和收获人之间（也就是发送端口和接收端口）的接收。应用层就像是LZ女朋友的使用说明，这就是LZ和卖家之间（也就是应用程序之间）的事了。

　　四、TCP／IP与OSI

　　我们经常听到什么七层模型，OSI和TCP／IP究竟是什么关系？

　　OSI共有七层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。TCP／IP协议族共有四层，分别是链路层，网络层，传输层和应用层。

　　简而言之，它们最大的区别是，OSI只是参考模型，而TCP／IP是目前实际使用的一个协议族，它已经被大部分操作系统所实现。它们的对应关系如下。

　　

　　可以看到，TCP／IP协议族简化了OSI模型，其实这种现象在实际的开发过程中也很常见，LZ举个简单的例子大家就清楚了。

　　相信web项目的开发大部分猿友都不陌生，一般情况下，咱们的分层是Action，Service，Dao这种三层方式，但是在实际开发中，往往不一定按照这个分层去开发。比如有些比较小的项目，会删除Service这一层，由Action直接引用Dao。

　　这其实就和OSI与TCP／IP的关系一样，参考模型始终是参考用的，实际当中不一定就得按照这个去实现。　

　　五、HTTP协议中的短轮询、长轮询、长连接和短连接

　　以前的误解

　　很久之前LZ就听说过长连接的说法，而且还知道HTTP1.0协议不支持长连接，从HTTP1.1协议以后，连接默认都是长连接。但LZ终究觉得对于长连接一直懵懵懂懂的，有种抓不到关键点的感觉。

　　LZ一直认为，HTTP连接分为长连接和短连接，而我们现在常用的都是HTTP1.1，因此我们用的都是长连接。

　　这句话其实只对了一半，我们现如今的HTTP协议，大部分都是1.1的，因此我们平时用的基本上都是长连接。但是前半句是不对的，HTTP协议根本没有长短连接这一说，也正因为误解了这个，导致LZ对于长连接一直不明不白，始终不得其要领，具体下面一段会说到。

　　网络上很多文章都是误人子弟，根本没有说明白这个概念。这里LZ要强调一下，HTTP协议是基于请求/响应模式的，因此只要服务端给了响应，本次HTTP连接就结束了，或者更准确的说，是本次HTTP请求就结束了，根本没有长连接这一说。那么自然也就没有短连接这一说了。

　　之所以网络上说HTTP分为长连接和短连接，其实本质上是说的TCP连接。TCP连接是一个双向的通道，它是可以保持一段时间不关闭的，因此TCP连接才有真正的长连接和短连接这一说。

　　其实知道了以后，会觉得这很好理解。HTTP协议说到底是应用层的协议，而TCP才是真正的传输层协议，只有负责传输的这一层才需要建立连接。

　　一个形象的例子就是，拿你在网上购物来说，HTTP协议是指的那个快递单，你寄件的时候填的单子就像是发了一个HTTP请求，等货物运到地方了，快递员会根据你发的请求把货物送给相应的收货人。而TCP协议就是中间运货的那个大货车，也可能是火车或者飞机，但不管是什么，它是负责运输的，因此必须要有路，不管是地上还是天上。那么这个路就是所谓的TCP连接，也就是一个双向的数据通道。

　　因此，LZ现在甚至觉得，“HTTP连接”这个词就不应该出现，它只是一个应用层的协议，根本就没有所谓的连接这一说。

　　实际上，说HTTP请求和HTTP响应会更准确一些，而HTTP请求和HTTP响应，都是通过TCP连接这个通道来回传输的。

　　不管怎么说，一定要务必记住，长连接是指的TCP连接，而不是HTTP连接。

　　一个疑问　

　　之前LZ一直对一件事有些模糊不清，首先是怎么样就算是把HTTP变成长连接了，是不是只要设置Connection为keep-alive就算是了？

　　如果是的话，那都说HTTP1.1默认是长连接，而观察我们平时开发的Web应用的HTTP头部，Connection也确实是keep-alive，那就是说我们大部分都是用的长连接，但是长连接不是一般用于交互比较频繁的应用吗？像我们这种普通的Web应用，比如博客园这种，长连接有什么用？

　　如果没用的话，那到底应不应该把Connection为keep-alive这个header值给改掉，从而改成短连接？

　　明白了长连接实际上是指的TCP连接，LZ瞬间自己就想明白了上面的那些问题。

　　第一个问题是，是不是只要设置Connection为keep-alive就算是长连接了？

　　当然是的，但要服务器和客户端都设置。

　　第二个问题是，我们平时用的是不是长连接？

　　这个也毫无疑问，当然是的。（现在用的基本上都是HTTP1.1协议，你观察一下就会发现，基本上Connection都是keep-alive。而且HTTP协议文档上也提到了，HTTP1.1默认是长连接，也就是默认Connection的值就是keep-alive）

　　第三个问题，也是LZ之前最想不明白的问题，那就是我们这种普通的Web应用（比如博客园，我的个人博客这种）用长连接有啥好处？需不需要关掉长连接而使用短连接？

　　这个问题LZ现在终于明白了，问题的答案是好处还是有的。

　　好处是什么？

　　首先，刚才已经说了，长连接是为了复用，这个在之前LZ就明白。那既然长连接是指的TCP连接，也就是说复用的是TCP连接。那这就很好解释了，也就是说，长连接情况下，多个HTTP请求可以复用同一个TCP连接，这就节省了很多TCP连接建立和断开的消耗。

　　比如你请求了博客园的一个网页，这个网页里肯定还包含了CSS、JS等等一系列资源，如果你是短连接（也就是每次都要重新建立TCP连接）的话，那你每打开一个网页，基本要建立几个甚至几十个TCP连接，这浪费了多少资源就不用LZ去说了吧。

　　但如果是长连接的话，那么这么多次HTTP请求（这些请求包括请求网页内容，CSS文件，JS文件，图片等等），其实使用的都是一个TCP连接，很显然是可以节省很多消耗的。

　　这样一解释，就很明白了，不知道大家看了这些解释感觉如何，反正LZ在自己想明白以后，有种豁然开朗的感觉。

　　另外，最后关于长连接还要多提一句，那就是，长连接并不是永久连接的。如果一段时间内（具体的时间长短，是可以在header当中进行设置的，也就是所谓的超时时间），这个连接没有HTTP请求发出的话，那么这个长连接就会被断掉。

　　这一点其实很容易理解，否则的话，TCP连接将会越来越多，直到把服务器的TCP连接数量撑爆到上限为止。现在想想，对于服务器来说，服务器里的这些个长连接其实很有数据库连接池的味道，大家都是为了节省连接重复利用嘛，对不对？

　　长轮询和短轮询

　　前面基本上LZ已经把长短连接说的差不多了，接下来说说长短轮询，今天也正是为了研究长短轮询，LZ才顺便研究了下长短连接这回事。

　　短轮询相信大家都不难理解，比如你现在要做一个电商中商品详情的页面，这个详情界面中有一个字段是库存量（相信这个大家都不陌生，随便打开淘宝或者京东都能找到这种页面）。而这个库存量需要实时的变化，保持和服务器里实际的库存一致。

　　这个时候，你会怎么做？

　　最简单的一种方式，就是你用JS写个死循环，不停的去请求服务器中的库存量是多少，然后刷新到这个页面当中，这其实就是所谓的短轮询。

　　这种方式有明显的坏处，那就是你很浪费服务器和客户端的资源。客户端还好点，现在PC机配置高了，你不停的请求还不至于把用户的电脑整死，但是服务器就很蛋疼了。如果有1000个人停留在某个商品详情页面，那就是说会有1000个客户端不停的去请求服务器获取库存量，这显然是不合理的。

　　那怎么办呢？

　　长轮询这个时候就出现了，其实长轮询和短轮询最大的区别是，短轮询去服务端查询的时候，不管库存量有没有变化，服务器就立即返回结果了。而长轮询则不是，在长轮询中，服务器如果检测到库存量没有变化的话，将会把当前请求挂起一段时间（这个时间也叫作超时时间，一般是几十秒）。在这个时间里，服务器会去检测库存量有没有变化，检测到变化就立即返回，否则就一直等到超时为止。

　　而对于客户端来说，不管是长轮询还是短轮询，客户端的动作都是一样的，就是不停的去请求，不同的是服务端，短轮询情况下服务端每次请求不管有没有变化都会立即返回结果，而长轮询情况下，如果有变化才会立即返回结果，而没有变化的话，则不会再立即给客户端返回结果，直到超时为止。　

　　这样一来，客户端的请求次数将会大量减少（这也就意味着节省了网络流量，毕竟每次发请求，都会占用客户端的上传流量和服务端的下载流量），而且也解决了服务端一直疲于接受请求的窘境。

　　但是长轮询也是有坏处的，因为把请求挂起同样会导致资源的浪费，假设还是1000个人停留在某个商品详情页面，那就很有可能服务器这边挂着1000个线程，在不停检测库存量，这依然是有问题的。

　　因此，从这里可以看出，不管是长轮询还是短轮询，都不太适用于客户端数量太多的情况，因为每个服务器所能承载的TCP连接数是有上限的，这种轮询很容易把连接数顶满。之所以举这个例子，只是因为大家肯定都会网购，所以这个例子比较通俗一点。

　　长短轮询和长短连接的区别

　　这里简单说一下它们的区别，LZ这里只说最根本的区别。

　　第一个区别是决定的方式，一个TCP连接是否为长连接，是通过设置HTTP的Connection Header来决定的，而且是需要两边都设置才有效。而一种轮询方式是否为长轮询，是根据服务端的处理方式来决定的，与客户端没有关系。

　　第二个区别就是实现的方式，连接的长短是通过协议来规定和实现的。而轮询的长短，是服务器通过编程的方式手动挂起请求来实现的。