Network 【TCP/IP 四层模型】
?????? 信號(hào)的傳輸總要符合一定的協(xié)議(protocol)。比如說長城上放狼煙，是因?yàn)槿藗円呀?jīng)預(yù)先設(shè)定好狼煙這個(gè)物理信號(hào)代表了“敵人入侵”這一抽象信號(hào)。這樣一個(gè)“狼煙=敵人入侵”就是一個(gè)簡單的協(xié)議。
?????? 計(jì)算機(jī)之間的通信也要遵循不同層次的協(xié)議，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的通信。
II. TCP/IP 四層模型
?????? TCP/IP是一組協(xié)議的代名詞，它還包括許多協(xié)議，組成了TCP/IP協(xié)議簇。TCP/IP協(xié)議簇分為四層，IP協(xié)議位于協(xié)議簇的第二層（網(wǎng)絡(luò)層），對(duì)應(yīng)OSI的第三層，TCP協(xié)議位于協(xié)議簇的第三層（傳輸層），對(duì)應(yīng)OSI的第四層。
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?????? TCP/IP通訊協(xié)議采用了4層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。這4層分別為：
?????? 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層：該層負(fù)責(zé)相同（連接層，局域網(wǎng)內(nèi)）或不同網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)層，不同的局域網(wǎng)間）中計(jì)算機(jī)之間的通信，包括提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功能，讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機(jī)（但不檢查是否被正確接收）。
?????? 傳輸層：在此層中，它提供了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，如傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）等，TCP和UDP給數(shù)據(jù)包加入傳輸數(shù)據(jù)并把它傳輸?shù)较乱粚又?#xff0c;這一層負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)。并且確定數(shù)據(jù)已被送達(dá)并接收（TCP/UDP協(xié)議所做的）。通俗來講，計(jì)算機(jī)接收到的包（信息），使用端口號(hào)來識(shí)別究竟是哪個(gè)進(jìn)程需要接收這個(gè)信息。
?????? 應(yīng)用層：應(yīng)用程序間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議（Telnet）等。通俗來講，數(shù)據(jù)包確定傳遞給了該進(jìn)程，但該進(jìn)程需要進(jìn)一步的進(jìn)行識(shí)別，要讀懂?dāng)?shù)據(jù)需要滿足應(yīng)用層的協(xié)議。
參考如下圖示：
III. 連接層 & 網(wǎng)絡(luò)層（link layer & network layer）
?????? 在上面介紹網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層的時(shí)候曾說過，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層負(fù)責(zé)相同（連接層，局域網(wǎng)內(nèi)）或不同網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)層，不同的局域網(wǎng)間）中計(jì)算機(jī)之間的通信。那么就不得不介紹一下連接層和網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別了。
?????? 下面暗藍(lán)色部分有比喻說明，易于大家理解。
一、連接層（link layer）
?????? 同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
?????? 在連接層，信息以幀(frame)為單位傳輸。所謂的幀，是一段有限的0/1序列。連接層協(xié)議的功能就是識(shí)別0/1序列中所包含的幀。比如說，根據(jù)一定的0/1組合識(shí)別出幀的起始和結(jié)束。在幀中，打個(gè)比喻來介紹的話，有送信地址(Source, SRC，表示來源) 和收信地址(Destination, DST，表示目的地），還有能夠探測錯(cuò)誤的校驗(yàn)序列(Frame Check Sequence，FCS，幀校驗(yàn))。當(dāng)然，幀中最重要的最重要是所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù) (payload)。這些數(shù)據(jù)往往符合更高層協(xié)議，供網(wǎng)絡(luò)的上層使用。與數(shù)據(jù)相配套，幀中也有數(shù)據(jù)的類型(Type)信息。連接層協(xié)議不關(guān)心數(shù)據(jù)中到底包含什么。幀就像是一個(gè)信封，把數(shù)據(jù)包裹起來。
?????? 以太網(wǎng)(Ethernet)和WiFi是現(xiàn)在最常見的連接層協(xié)議。通過連接層協(xié)議，我們可以建立局域的以太網(wǎng)或者WiFi局域網(wǎng)，并讓位于同一局域網(wǎng)絡(luò)中的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信。
?????? 連接層就像是一個(gè)社區(qū)（局域網(wǎng)）的郵差，他認(rèn)識(shí)社區(qū)中的每一戶人（計(jì)算機(jī)）。社區(qū)中的每個(gè)人都可以將一封信（幀）交給他，讓他送給同一社區(qū)的另一戶人家。
二、網(wǎng)絡(luò)層（network layer）
?????不同局域網(wǎng)間的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
?????? 不同的社區(qū)（局域網(wǎng)）之間該如何通信呢？ 換句話說，如何讓W(xué)iFi上的一臺(tái)計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)上的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)通信呢？我們需要一個(gè)“中間人”。
?????? 這個(gè)“中間人”必須有以下功能:
?????? 1. 能從物理層上在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接收和發(fā)送0/1序列。
?????? 2. 能同時(shí)理解兩種網(wǎng)絡(luò)的幀格式。
?????? 路由器(router)就是為此而產(chǎn)生的“翻譯”。一個(gè)路由器有多個(gè)網(wǎng)卡(NIC，Network Interface Controller)，每個(gè)NIC可以接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并理解相應(yīng)的連接層協(xié)議。在幀經(jīng)過路由到達(dá)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，路由會(huì)讀取幀的信息，并改寫以發(fā)送到 另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
?????? 所以路由器就像是在兩個(gè)社區(qū)都有分支的郵局。一個(gè)社區(qū)的郵差將信送到本社區(qū)的郵局分支，而郵局會(huì)通過自己在另一個(gè)地區(qū)的分支將信轉(zhuǎn)交給另一個(gè)社區(qū)的郵差手中，并由另一個(gè)社區(qū)的郵差最終送到目的地。
???????那么，讓W(xué)iFi上的一臺(tái)計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)上的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)通信，這個(gè)過程究竟是怎樣的呢？
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?????? 整個(gè)通信過程如下:
?????? WiFi上的計(jì)算機(jī)1 -> 路由WiFi接口 ->? 路由以太網(wǎng)接口 -> 以太網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)2
??????? （藍(lán)色表示W(wǎng)iFi網(wǎng)絡(luò)，綠色表示以太網(wǎng)絡(luò)）
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?????? 在連接層，我們的一個(gè)幀中只能記錄SRC（來源）和DST（目的地）兩個(gè)地址。而上面的過程在網(wǎng)絡(luò)層中需要經(jīng)過四個(gè)地址 (計(jì)算機(jī)1，WiFi接口，以太網(wǎng)接口，計(jì)算機(jī)2)。顯然，僅僅靠連接層協(xié)議無法滿足我們的需要。由于連接層協(xié)議開發(fā)在先，我們無法改動(dòng)連接層協(xié)議，只能 在連接層的數(shù)據(jù)(payload)，也就是在信紙內(nèi)部下功夫了。IP協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。
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??????計(jì)算機(jī)1，路由器和計(jì)算機(jī)2都要懂得IP協(xié)議。當(dāng)計(jì)算機(jī)1寫信的時(shí)候，會(huì)在信紙的開頭寫 上這封信的出發(fā)地址和最終到達(dá)地址 (而不是在信封上)，而在信封上寫上要送往郵局。WiFi網(wǎng)的郵差將信送往郵局。在郵局，信被打開，郵局工作人員看到最終地址，于是將信包裝在一個(gè)新的信 封中，寫上出發(fā)地為郵局，到達(dá)地為計(jì)算機(jī)2，并交給以太網(wǎng)的郵差，由以太網(wǎng)的郵差送往計(jì)算機(jī)2。（IP協(xié)議還要求寫如諸如校驗(yàn)等信息，交通狀況等信息，以保護(hù)通信的穩(wěn)定性。）
?????? 在連接層，郵差只負(fù)責(zé)在本社區(qū)送信，所以信封上的地址總是“第一條街第三座房子”或者說“中心十字路口拐角的小房子”這樣一些本地人才了解的地址描述，這給郵局的工作帶來不便。所以郵局要求，信紙上寫的地址必須是一個(gè)符合官方規(guī)定的“郵編”，也就是IP地址。這個(gè)地址為世界上的每一個(gè)房子編號(hào)(郵編)。當(dāng)信件送到郵局的時(shí)候，郵局根據(jù)郵編，就能查到對(duì)應(yīng)的地址描述，從而能順利改寫信封上的信息。
??????? 每個(gè)郵局一般連接多個(gè)社區(qū)，而一個(gè)社區(qū)也可以有多個(gè)郵局，分別通往不同的社區(qū)。有時(shí)候一封信要通過多個(gè)郵局轉(zhuǎn)交，才能最終到達(dá)目的地，這個(gè)過程叫做route。郵局將分離的局域網(wǎng)絡(luò)連接成了internet，并最終構(gòu)成了覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)。
IV. 傳輸層（transport layer）
?????? 上面的數(shù)層協(xié)議讓不同的計(jì)算機(jī)之間可以通信。但計(jì)算機(jī)中實(shí)際上有許多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程 都可能有通信的需求。
?????? 這就好像一所房子里住了好幾個(gè)人（進(jìn)程），如何讓信精確的送到某個(gè)人手里呢？遵照之前相同的邏輯，我們需要在信紙上寫上新的信息，比如收信人的姓名，才可能讓信送到。所以，傳輸層就是在信紙的空白上寫上新的“收信人”信息。每一所房子會(huì)配備一個(gè)管理員（傳輸層協(xié)議）。管理員從郵差手中接過信，會(huì)根據(jù)“收信人”，將信送給房子中的某個(gè)人。
??????? 傳輸層協(xié)議，比如TCP和UDP，使用端口號(hào)（port number）來識(shí)別收信人（某個(gè)進(jìn)程）。在寫信的時(shí)候，我們寫上目的地的端口。當(dāng)信到達(dá)目的地的管理員手中，他會(huì)根據(jù)傳輸層協(xié)議，識(shí)別端口號(hào)，將信送給不同的人。
??????? TCP和UDP協(xié)議是兩種不同的傳輸層協(xié)議。TCP協(xié)議還有控制網(wǎng)絡(luò)交通等功能。
一、TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）
?????? TCP是面向連接的協(xié)議，也就是說，在收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方建立可靠的連接。一個(gè)TCP連接必須要經(jīng)過三次“對(duì)話”才能建立起來，其中的過程非常復(fù)雜，只簡單的描述下這三次對(duì)話的簡單過程：
??????主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)出連接請(qǐng)求數(shù)據(jù)包：“我想給你發(fā)數(shù)據(jù)，可以嗎？”，這是第一次對(duì)話；主機(jī)B向主機(jī)A發(fā)送 同意連接 和 要求同步（同步就是兩臺(tái)主機(jī)一個(gè)在發(fā)送，一個(gè)在接收，協(xié)調(diào)工作）的數(shù)據(jù)包：“可以，你什么時(shí)候發(fā)？”，這是第二次對(duì)話；主機(jī)A再發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包確認(rèn)主機(jī)B的要求同步：“我現(xiàn)在就發(fā)，你接著吧！”，這是第三次對(duì)話。
?????? 三次“對(duì)話”的目的是使數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收同步，經(jīng)過三次“對(duì)話”之后，主機(jī)A才向主機(jī)B正式發(fā)送數(shù)據(jù)。
??????TCP建立連接的過程（三次握手）
??????01?? 主機(jī)A通過向主機(jī)B 發(fā)送一個(gè)含有同步序列號(hào)（SYN）的標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段給主機(jī)B ,向主機(jī)B 請(qǐng)求建立連接,通過這個(gè)數(shù)據(jù)段,
主機(jī)A告訴主機(jī)B 兩件事:我想要和你通信;你可以用哪個(gè)序列號(hào)作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我。
?????? 02?? 主機(jī)B 收到主機(jī)A的請(qǐng)求后,用一個(gè)帶有確認(rèn)應(yīng)答（ACK）和同步序列號(hào)（SYN）標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段響應(yīng)主機(jī)A,也告訴主機(jī)A兩件事:
我已經(jīng)收到你的請(qǐng)求了,你可以傳輸數(shù)據(jù)了;你要用哪佧序列號(hào)作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我。
?????? 03?? 主機(jī)A收到這個(gè)數(shù)據(jù)段后,再發(fā)送一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答（ACK）,確認(rèn)已收到主機(jī)B 的數(shù)據(jù)段:"我已收到回復(fù),我現(xiàn)在要開始傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)了。
??????三次握手的特點(diǎn)
??????01 ? 沒有應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。
?????? 02?? SYN這個(gè)標(biāo)志位只有在TCP產(chǎn)生連接時(shí)才會(huì)被置1，握手完成后SYN標(biāo)志位被置0。
?????? TCP斷開連接的過程
??????01 ? 當(dāng)主機(jī)A完成數(shù)據(jù)傳輸后,將控制位FIN置1,提出停止TCP連接的請(qǐng)求。
?????? 02?? 主機(jī)B收到FIN后對(duì)其作出響應(yīng),確認(rèn)這一方向上的TCP連接將關(guān)閉,將ACK置1（接收端確認(rèn)關(guān)閉）。
?????? 03?? 由主機(jī)B再提出反方向的關(guān)閉請(qǐng)求,將FIN置1。
?????? 04?? 主機(jī)A對(duì)主機(jī)B的請(qǐng)求進(jìn)行確認(rèn),將ACK置1（發(fā)送端確認(rèn)關(guān)閉）。雙方向的關(guān)閉結(jié)束。
?????? 由TCP的三次握手和四次斷開可以看出,TCP使用面向連接的通信方式,大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性,使發(fā)送數(shù)據(jù)端和接收端在數(shù)據(jù)正式傳輸前就有了交互,為數(shù)據(jù)正式傳輸打下了可靠的基礎(chǔ)。
?????? 名詞解釋
?????? ACK??TCP報(bào)頭的控制位之一，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)由目的端發(fā)出，用它來告訴發(fā)送端這個(gè)序列號(hào)之前的數(shù)據(jù)段都收到了。比如，確認(rèn)號(hào)為X，則表示前X-1個(gè)數(shù)據(jù)段都收到了，只有當(dāng)ACK=1時(shí)，確認(rèn)號(hào)才有效，當(dāng)ACK=0時(shí)，確認(rèn)號(hào)無效，這時(shí)會(huì)要求重傳數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性。
?????? SYN??同步序列號(hào)，TCP建立連接時(shí)將這個(gè)位置1。
?????? FIN??發(fā)送端完成發(fā)送任務(wù)位，當(dāng)TCP完成數(shù)據(jù)傳輸需要斷開時(shí),提出斷開連接的一方將這位置1。
二、UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）
?????? 01?? UDP是一個(gè)非連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時(shí)就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計(jì)算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個(gè)消息段放在隊(duì)列中，應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個(gè)消息段。
?????? 02?? 由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護(hù)連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺(tái)服務(wù)機(jī)可同時(shí)向多個(gè)客戶機(jī)傳輸相同的消息。
?????? 03 ? UDP信息包的標(biāo)題很短，只有8個(gè)字節(jié)，相對(duì)于TCP的20個(gè)字節(jié)信息包的額外開銷很小。
?????? 04?? 吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機(jī)性能的限制。
?????? 05?? UDP使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，因此主機(jī)不需要維持復(fù)雜的鏈接狀態(tài)表（這里面有許多參數(shù)）。
?????? 06?? 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給IP層。既不拆分，也不合并，而是保留這些報(bào)文的邊界，因此，應(yīng)用程序需要選擇合適的報(bào)文大小。??
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?????? 我們經(jīng)常使用“ping”命令來測試兩臺(tái)主機(jī)之間TCP/IP通信是否正常，其實(shí)“ping”命令的原理就是向?qū)Ψ街鳈C(jī)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，然后對(duì)方主機(jī)確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包是否到達(dá)的消息及時(shí)反饋回來，那么網(wǎng)絡(luò)就是通的。
三、TCP與UDP的區(qū)別
?????? 01?? 基于連接與無連接；
?????? 02?? 對(duì)系統(tǒng)資源的要求（TCP較多，UDP少）；
?????? 03?? UDP程序結(jié)構(gòu)較簡單；
?????? 04?? 流模式與數(shù)據(jù)報(bào)模式 ；
?????? 05?? TCP保證數(shù)據(jù)正確性，UDP可能丟包，TCP保證數(shù)據(jù)順序，UDP不保證。???
V. 應(yīng)用層（application layer）
??????包（數(shù)據(jù)）確定傳遞給了該進(jìn)程，但該進(jìn)程需要進(jìn)一步的進(jìn)行識(shí)別，要讀懂?dāng)?shù)據(jù)需要滿足應(yīng)用層的協(xié)議。
??????
?????? 通過上面的幾層協(xié)議，我們已經(jīng)可以在任意兩個(gè)人(進(jìn)程)之間進(jìn)行通信。然而每個(gè)人實(shí)際上從事的是不同的行業(yè)。有的人是律師，有的人外交官。比如說律師之間的通信，會(huì)用嚴(yán)格的律師術(shù)語，以免產(chǎn)生糾紛。再比如外交官之間的通信，必須符合一定的外交格式，以免發(fā)生外交誤會(huì)。再比如間諜通過暗號(hào)來傳遞加密信息。應(yīng)用層協(xié)議是對(duì)信件內(nèi)容進(jìn)一步的用語規(guī)范。應(yīng)用層的協(xié)議包括用于Web瀏覽的HTTP協(xié)議，用于傳輸文件的FTP協(xié)議，用于Email的IMAP等等。
VI. Socket
?????? 我們經(jīng)常把Socket翻譯為套接字，Socket是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡單的接口供應(yīng)用層調(diào)用已實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中通信。
?????? 實(shí)際上Socket是對(duì)TCP/IP協(xié)議的封裝，Socket本身并不是協(xié)議，而是一個(gè)調(diào)用接口(API)。
通過Socket，我們才能使用TCP/IP協(xié)議。
?????? 有一句比較容易理解的話：“TCP/IP只是一個(gè)協(xié)議棧，就像操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制一樣，必須要具體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要提供對(duì)外的操作接口。”
??????而我們平時(shí)常用的接口文檔實(shí)質(zhì)上就是Socket。
??????利用Socket建立網(wǎng)絡(luò)連接的步驟
建立Socket連接至少需要一對(duì)套接字，其中一個(gè)運(yùn)行于客戶端，稱為ClientSocket ，另一個(gè)運(yùn)行于服務(wù)器端，稱為ServerSocket。套接字之間的連接過程分為三個(gè)步驟：服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。
01?? 服務(wù)器監(jiān)聽：服務(wù)器端套接字并不定位具體的客戶端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，等待客戶端的連接請(qǐng)求。
02?? 客戶端請(qǐng)求：指客戶端的套接字提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的套接字。為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務(wù)器的套接字，指出服務(wù)器端套接字的地址和端口號(hào)，然后就向服務(wù)器端套接字提出連接請(qǐng)求。
03?? 連接確認(rèn)：當(dāng)服務(wù)器端套接字監(jiān)聽到或者說接收到客戶端套接字的連接請(qǐng)求時(shí)，就響應(yīng)客戶端套接字的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線程，把服務(wù)器端套接字的描述發(fā)給客戶端，一旦客戶端確認(rèn)了此描述，雙方就正式建立連接。而服務(wù)器端套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端套接字的連接請(qǐng)求。
總結(jié)
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