前端工程師如何理解TCPㄧIP傳輸層協(xié)議

1、前端工程師如何理解tcp/ip傳輸層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是每個(gè)前端工程師都必須要掌握的知識(shí)，tcp/ip中有兩個(gè)具有代表性的傳輸層協(xié) 議，分別是tcp和udp ,本文將介紹下這兩者以及它們之間的區(qū)別。1. tcp/ip網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要相互通信，雙方就必須基于相同的方法。比如,如何探測(cè)到通信目標(biāo)、 由哪一邊先發(fā)起通信、使用哪種語言進(jìn)行通信、怎樣結(jié)束通信等規(guī)則都需要事先確定。不同 的硬件、操作系統(tǒng)之間的通信，所有的這一切都需要一種規(guī)則。而我們就把這種規(guī)則稱為協(xié) 議(protocol)。tcp/ip是互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各類協(xié)議族的總稱，比如：tcp , udp , ip , ftp , http z i

2、cmp , smtp等都屬于tcp/ip族內(nèi)的協(xié)議。tcp/ip模型是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它是一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總稱。這些協(xié)議可以劃分為四層，分別為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。鏈路層：負(fù)責(zé)封裝和解封裝ip報(bào)文,發(fā)送和接受arp/rarp報(bào)文等。網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由以及把分組報(bào)文發(fā)送給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)。傳輸層：負(fù)責(zé)對(duì)報(bào)文進(jìn)行分組和重組，并以tcp或udp協(xié)議格式封裝報(bào)文。應(yīng)用層：負(fù)責(zé)向用戶提供應(yīng)用程序，比如http、ftp、telnet、dns、smtp w.osi七層模型tcp/ip1k念層模型tcp/ip協(xié)議族應(yīng)用層應(yīng)用層文件傳徧，電子郵件，文件服務(wù)，虛擬終端tftp, http, shmp, ftp

3、, sktp, dns, telnet表示層數(shù)摒格式化，代碼轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)加密沒有協(xié)議會(huì)話層解除戒殘立與別的接點(diǎn)的聯(lián)系沒有協(xié)議傳編層傳徧層提供端對(duì)端的接口tcp, udp網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層為數(shù)抿包選擇路由ip, icmp, rip, ospf, bgp, igkp數(shù)抿謹(jǐn)路層建路層傳諭有地址的幀以及褚誤檢測(cè)功能slip, cslip, ppp, arp, rarp, ktu物理層以二遊制數(shù)據(jù)形式在物理媒體上傳輸數(shù)擔(dān)is02110, ieee802, ieee802.2在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)通信的建立必須是在通信雙方的對(duì)等層進(jìn)行，不能交錯(cuò)。在整個(gè)數(shù) 據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)在發(fā)送端時(shí)經(jīng)過各層時(shí)都要附加上相應(yīng)層的協(xié)議

4、頭和協(xié)議尾(僅數(shù)據(jù)鏈 路層需要封裝協(xié)議尾)部分，也就是要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝，以標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)層所用的通信協(xié)議。 接下去介紹tcp/ip中有兩個(gè)具有代表性的傳輸層協(xié)議一一tcp和udp。2、udpudp協(xié)議全稱是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它與tcp協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包，是一種無 連接的協(xié)議。在osi模型中，在第四層一一傳輸層，處于ip協(xié)議的上一層。udp有不提供 數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點(diǎn)，也就是說,當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后,是無法得 知其是否安全完整到達(dá)的。它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1面向無連接首先udp是不需要和tcp-樣在發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行三次握手建立連接的，想發(fā)數(shù)據(jù)就可以 開始發(fā)送了。并且也只是數(shù)

5、據(jù)報(bào)文的搬運(yùn)工，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行任何拆分和拼接操作。具體來說就是：在發(fā)送端，應(yīng)用層將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層的udp協(xié)議,udp只會(huì)給數(shù)據(jù)增加一個(gè)udp頭 標(biāo)識(shí)下是udp協(xié)議，然后就傳遞給網(wǎng)絡(luò)層了 ；在接收端，網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層,udp只去除ip報(bào)文頭就傳遞給應(yīng)用層，不會(huì)任 何拼接操作。2. 有單播，多播，廣播的功能udp不止支持一對(duì)一的傳輸方式，同樣支持一對(duì)多、多對(duì)多、多對(duì)一的方式，也就是說udp 提供了單播、多播、廣播的功能。3. udp是面向報(bào)文的發(fā)送方的udp對(duì)應(yīng)用程序交下來的報(bào)文，在添加首部后就向下交付ip層。udp對(duì)應(yīng)用層交 下來的報(bào)文，既不合并，也不拆分,而是保留這些報(bào)文的邊界。

6、因此，應(yīng)用程序必須選擇合 適大小的報(bào)文。3.不可靠性首先不可靠性體現(xiàn)在無連接上，通信都不需要建立連接，想發(fā)就發(fā)，這樣的情況肯定不可靠。 并且收到什么數(shù)據(jù)就傳遞什么數(shù)據(jù)，并且也不會(huì)備份數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)也不會(huì)關(guān)心對(duì)方是否已 經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)了。再者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)好時(shí)壞，但是udp因?yàn)闆]有擁塞控制，一直會(huì)以恒定的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。即 使網(wǎng)絡(luò)條件不好，也不會(huì)對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整。這樣實(shí)現(xiàn)的弊端就是在網(wǎng)絡(luò)條件不好的情況下可能會(huì)導(dǎo)致丟包，但是優(yōu)點(diǎn)也很明顯，在某些實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景（比如電話會(huì)議）就需 要使用udp而不是tcp。udp user da tagram protocolyou canstop now.con

7、nwctionlgss oriwntwd protocol.從上面的動(dòng)態(tài)圖可以得知,udp只會(huì)把想發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文一股腦的丟給對(duì)方,并不在意數(shù)據(jù) 有無安全完整到達(dá)。5.頭部開銷小,傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)是很高效的udp header0> | 1230 1 2 3 4 5 6 7 8_ 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31source portdestination portlengthchecksumudp頭部包含了以下幾個(gè)數(shù)據(jù):兩個(gè)十六位的端口號(hào)，分別為源端口（可選字段）和目標(biāo)端口；整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的長(zhǎng)度；

8、整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的檢驗(yàn)和（ipv4可選字段），該字段用于發(fā)現(xiàn)頭部信息和數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。因此udp的頭部開銷小，只有八字節(jié)，相比tcp的至少二十字節(jié)要少得多，在傳輸數(shù)據(jù) 報(bào)文時(shí)是很高效的。4、tcp當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)想要與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)通訊時(shí)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信需要暢通且可靠，這樣才 能保證正確收發(fā)數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)你想查看網(wǎng)頁(yè)或查看電子郵件時(shí)，希望完整且按順序查看網(wǎng)頁(yè)，而不丟失任何內(nèi)容。當(dāng)你下載文件時(shí)，希望獲得的是完整的文件,而不僅僅是文件的一 部分，因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)丟失或亂序，都不是你希望得到的結(jié)果，于是就用到了 tcp。tcp協(xié)議全稱是傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議， 由ie

9、tf的rfc 793定義。tcp是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就是指不間斷的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)，你可以把它想象成排水管中的水流。1、tcp連接過程如下圖所示，可以看到建立一個(gè)tcp連接的過程為（三次握手的過程）：serverclientpassive open: create tcbserver state| closed synsyn tackackpassive open:create tcbw<iit for clientw<iit for clientreceive syn, send sytmckreceive syn,send sytmckwatt for ackwatt fo

10、r ack tosyntoswreceive ackreceive ack| established |第一次握手：客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段。該報(bào)文段中包含自身的數(shù)據(jù)通訊初始 序號(hào)。請(qǐng)求發(fā)送后,客戶端便進(jìn)入syn-sent狀態(tài)。第二次握手：服務(wù)端收到連接請(qǐng)求報(bào)文段后，如果同意連接，則會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答，該應(yīng)答 中也會(huì)包含自身的數(shù)據(jù)通訊初始序號(hào)，發(fā)送完成后便進(jìn)入syn-received狀態(tài)。第三次握手：當(dāng)客戶端收到連接同意的應(yīng)答后，還要向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)報(bào)文。客戶端 發(fā)完這個(gè)報(bào)文段后便進(jìn)入established狀態(tài),服務(wù)端收到這個(gè)應(yīng)答后也進(jìn)入 established狀態(tài)，此時(shí)連接建立成功。

11、這里可能大家會(huì)有個(gè)疑惑：為什么tcp建立連接需要三次握手，而不是兩次？這是因?yàn)?這是為了防止出現(xiàn)失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段被服務(wù)端接收的情況，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。tcp transmission control protocolconnection oriented protocol.2. tcp斷開鏈接initiatorreceiverestablishedconnectionclosedlast_ackclose_waitpassive closetcp是全雙工的,在斷開連接時(shí)兩端都需要發(fā)送fin和acko第一次握手：若客戶端a認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送完成,則它需要向服務(wù)端b發(fā)送連接釋放請(qǐng)求。第二次握手：b收到連

12、接釋放請(qǐng)求后，會(huì)告訴應(yīng)用層要釋放tcp鏈接。然后會(huì)發(fā)送ack 包，并進(jìn)入close.wait狀態(tài)，此時(shí)表明a到b的連接已經(jīng)釋放，不再接收a發(fā)的 數(shù)據(jù)了。但是因?yàn)閠cp連接是雙向的，所以b仍舊可以發(fā)送數(shù)據(jù)給a。第三次握手：b如果此時(shí)還有沒發(fā)完的數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)發(fā)送,完畢后會(huì)向a發(fā)送連接釋放請(qǐng) 求，然后b便進(jìn)入last-ack狀態(tài)。第四次握手：a收到釋放請(qǐng)求后，向b發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí)a進(jìn)入time-wait狀態(tài)。 該狀態(tài)會(huì)持續(xù)2msl （最大段生存期,指報(bào)文段在網(wǎng)絡(luò)中生存的時(shí)間，超時(shí)會(huì)被拋棄）時(shí) 間，若該時(shí)間段內(nèi)沒有b的重發(fā)請(qǐng)求的話，就進(jìn)入closed狀態(tài)。當(dāng)b收到確認(rèn)應(yīng)答 后，也便進(jìn)入closed狀態(tài)

13、。3、tcp協(xié)議的特點(diǎn)面向連接：面向連接，是指發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須在兩端建立連接。建立連接的方法是"三次 握手",這樣能建立可靠的連接。建立連接，是為數(shù)據(jù)的可靠傳輸打下了基礎(chǔ)。僅支持單播傳輸：每條tcp傳輸連接只能有兩個(gè)端點(diǎn)，只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,不支 持多播和廣播傳輸方式。面向字節(jié)流：tcp不像udp 一樣那樣一個(gè)個(gè)報(bào)文獨(dú)立地傳輸，而是在不保留報(bào)文邊界的情 況下以字節(jié)流方式進(jìn)行傳輸?？煽總鬏?對(duì)于可靠傳輸，判斷丟包，誤碼靠的是tcp的段編號(hào)以及確認(rèn)號(hào)。tcp為了 保證報(bào)文傳輸?shù)目煽浚徒o每個(gè)包一個(gè)序號(hào)，同時(shí)序號(hào)也保證了傳送到接收端實(shí)體的包的按 序接收。然后接收端實(shí)體對(duì)已成

14、功收到的字節(jié)發(fā)回一個(gè)相應(yīng)的確認(rèn)（ack）;如果發(fā)送端實(shí)體 在合理的往返時(shí)延（rtt）內(nèi)未收到確認(rèn)，那么對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（假設(shè)丟失了）將會(huì)被重傳。提供擁塞控制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)岀現(xiàn)擁塞的時(shí)候，tcp能夠減小向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)的速率和數(shù)量，緩 解擁塞。 tcp提供全雙工通信：tcp允許通信雙方的應(yīng)用程序在任何時(shí)候都能發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)閠cp 連接的兩端都設(shè)有緩存，用來臨時(shí)存放雙向通信的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，tcp可以立即發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù) 段，也可以緩存一段時(shí)間以便一次發(fā)送更多的數(shù)據(jù)段（最大的數(shù)據(jù)段大小取決于mss ）。4. tcp和udp的比較1、對(duì)比udptcp是否連接面向連接是否可靠不可靠傳輸，不使用流量控制和擁塞控制可靠傳輸,使用流量控制和擁塞控制連闔寸象偉支持一對(duì)一，一對(duì)多,多對(duì)一和多對(duì)多交互通信只能4對(duì)一通信傳輸方式