TCP及socket通信原理

一、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模型

   因特網(wǎng)在剛面世時，只有同一制造商生產(chǎn)的計算機(jī)才能彼此通信，制定網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模型的目的就是為異種的計算機(jī)互連提供一個共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架，并為保持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性提供共同的參考。

   互聯(lián)參考模型：

      OSI七層模型（Open System Interconnect）：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層

      DoD四層模型：是OSI七層模型的濃縮版，包括 進(jìn)程/應(yīng)用層、主機(jī)到主機(jī)層、因特網(wǎng)層、網(wǎng)絡(luò)接入層

   以上兩種模型是層次型的，分層模型的優(yōu)點主要在于：

      ①將網(wǎng)絡(luò)通信過程劃分為更小、更簡單的組件，這有助于組件的開發(fā)、設(shè)計和故障的排除

      ②定義了模型每層執(zhí)行的功能，從而鼓勵了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化

      ③讓不同類型的網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件能夠彼此通信

      ④避免對一層的修改而影響其它層

二、傳輸層協(xié)議

   目前主流的傳輸層協(xié)議有TCP和UDP。SCTP是TCP的改進(jìn)版，DCCP是一個用來取代UDP的新的非可靠傳輸協(xié)議

   1、UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）：一種無連接的協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)，不建立會話，不對數(shù)據(jù)分段，不編號不排序，也就是說，當(dāng)報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達(dá)的。但正因為UDP協(xié)議的控制選項較少，在數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高，適合對可靠性要求不高的應(yīng)用程序，或者可以保障可靠性的應(yīng)用程序

     常用的UDP端口號有：DNS 53，TFTP 69，SNMP 161

   2、TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）：一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。

     TCP實現(xiàn)可靠性的機(jī)制： 

        ①以通信雙方之間建立連接      

        ②TCP把數(shù)據(jù)流分割為適當(dāng)長度的報文段（通常受該計算機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層的最大傳輸單元（MTU）的限制）。

        ③TCP為了保證不發(fā)生丟包，就給每個報文段一個序號，同時序號也保證了接收端的按序接收。TCP報文段的到達(dá)也可能會失序，如有必要，TCP將對收到的報文段進(jìn)行重新排序，將收到的數(shù)據(jù)以正確的順序交給應(yīng)用層

        ④接收端對已成功收到的包發(fā)回一個相應(yīng)的確認(rèn)（ACK）；如果發(fā)送端在合理的往返時延（RTT）內(nèi)未收到確認(rèn)，那么對應(yīng)的數(shù)據(jù)包就被假設(shè)為已丟失將會被進(jìn)行重傳。

        ⑤TCP用校驗和函數(shù)來檢驗報文段是否有錯誤，在發(fā)送和接收時都要計算校驗和，接收端若發(fā)現(xiàn)校驗和有差錯，將丟棄這個報文段和不確認(rèn)收到此報文段。

        ⑥TCP還能提供流量控制：緩沖區(qū)（發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)）和滑動窗口

        ⑦在擁塞控制上，采用慢啟動和擁塞避免算法

     ▲TCP在正式傳輸數(shù)據(jù)前需要經(jīng)過三次握手建立連接，其過程如下：        

         ①客戶端發(fā)送SYN（SEQ=x）報文給服務(wù)器端，進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)。

         ②服務(wù)器端收到SYN報文，回應(yīng)一個SYN（SEQ=y）ACK（ACK=x+1）報文，進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)。

         ③客戶端收到服務(wù)器端的SYN報文，回應(yīng)一個ACK（ACK=y+1）報文，進(jìn)入Established狀態(tài)。

     ▲在數(shù)據(jù)傳輸完畢后需要經(jīng)過四次握手終止連接，其過程如下：

         ①某個應(yīng)用進(jìn)程首先調(diào)用close()，稱該端執(zhí)行“主動關(guān)閉”（active close）。該端的TCP于是發(fā)送一個FIN分節(jié)（文件結(jié)束符），表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

         ②接收到這個FIN的對端執(zhí)行 “被動關(guān)閉”（passive close），這個FIN由TCP確認(rèn)。

         注意：FIN的接收也作為一個文件結(jié)束符（end-of-file）傳遞給接收端應(yīng)用進(jìn)程，放在已排隊等候該應(yīng)用進(jìn)程接收的任何其他數(shù)據(jù)之后，因為，F(xiàn)IN的接收意味著接收端應(yīng)用進(jìn)程在相應(yīng)連接上再無額外數(shù)據(jù)可接收。

         ③一段時間后，接收到這個文件結(jié)束符的應(yīng)用進(jìn)程將調(diào)用close關(guān)閉它的套接字，這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個FIN。

         ④接收這個最終FIN的原發(fā)送端TCP（即執(zhí)行主動關(guān)閉的那一端）確認(rèn)這個FIN。

      ▲TCP協(xié)議通過tcp狀態(tài)來標(biāo)記當(dāng)前處于通信過程的哪個階段：

         CLOSED, LISTEN, SYN_SENT（主動打開）, SYN_RECV, ESTABLISHED, FIN_WAIT1, CLOSE_WAIT, FIN_WAIT2, LAST_ACK, TIME_WAIT, CLOSED

三、套接字

  1、套接字（socket）：應(yīng)用層通過傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，TCP和UDP會遇到同時會多個應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)服務(wù)的問題。區(qū)分不同的應(yīng)用程序進(jìn)程間的網(wǎng)絡(luò)通信和連接，主要有三個參數(shù)：通信的目標(biāo)IP地址、使用的傳輸層協(xié)議（TCP或UDP）、目標(biāo)端口號，這種組合稱為套接字。

       session：ip:port<==>ip:port

       端口分類：

          眾所周知的端口：0~1023，管理員才有權(quán)限使用，永久地分配給某應(yīng)用使用；

          注冊端口：1024~41951：只有一部分被注冊，分配原則上非特別嚴(yán)格；

          動態(tài)端口或私有端口：41952+

            /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range：定義兩個數(shù)字，表示可以做為臨時端口的起始數(shù)字和結(jié)束數(shù)字

  2、套接字類型：

      tcp socket（流式）

      udp socket（數(shù)據(jù)報式）

      raw socket（不使用TCP或UDP協(xié)議，應(yīng)用層的應(yīng)用程序直接通達(dá)IP層）

  3、socket通信在domain中實現(xiàn)，不同domain的socket地址格式不同，在unix domain中是一個文件路徑名，在ipv4 domain中是ipv4地址加端口號，在ipv6 domain中是ipv6地址加端口號     

      domain：

         Unix domain：基于socket機(jī)制實現(xiàn)同一主機(jī)不同進(jìn)程間通信的一種方式；AF_UNIX，AF_LOCAL

         IPv4 domain：AF_INET，基于socket機(jī)制借助于ipv4協(xié)議實現(xiàn)不同主機(jī)（也可是同一主機(jī)）上的進(jìn)程間的通信

         IPv6 domain：AF_INET6

    ▲雖然IPv4 domain能實現(xiàn)不同或同一主機(jī)進(jìn)程間通信，但是對于同一主機(jī)進(jìn)程間的通信應(yīng)盡量使用Unix domain，socket在Unix domain中實現(xiàn)通信的方式就是在內(nèi)存中創(chuàng)建一個可讀寫的文件作為進(jìn)程間交互的中介，這種方式繞過了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了通信效率。

  4、tcp socket通信相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

       socket()：創(chuàng)建一個新的socket

       bind()：綁定于一個套接字地址上（服務(wù)器端會用到）

       listen()：監(jiān)聽套接字

       accept()：接收連接請求

       connect()：發(fā)起連接請求

       close()：關(guān)閉連接

       read()和write()：recv(), send(), recvfrom(), sendto()