TCP/IP、UDP、HTTP、SOCKET详解

文章大纲

网络OSI七层及各层作用
TCP与UDP基本介绍
TCP连接过程详解
SOCKET原理与连接详解

一、网络OSI七层及各层作用

应用层：文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端 TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet
表示层：数据格式化，代码转换，数据加密没有协议
会话层：解除或建立与别的接点的联系没有协议
传输层：提供端对端的接口 TCP，UDP
网络层：为数据包选择路由 IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP
数据链路层：传输有地址的帧以及错误检测功能 SLIP，CSLIP，PPP，ARP，RARP，MTU
物理层：以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

二、TCP与UDP基本介绍

TCP
TCP：Transmission Control Protocol 传输控制协议TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的运输层（Transport layer）通信协议。特点：面向连接的协议，数据传输必须要经过三次握手建立连接，所以在TCP中需要连接时间。传输数据大小限制，一旦连接建立，双方可以按统一的格式传输大的数据。一个可靠的协议，确保接收方完全正确地获取发送方所发送的全部数据。

UDP
UDP： User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据包协议，是 OSI 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。特点：每个数据报中都给出了完整的地址信息，因此无需要建立发送方和接收方的连接。 UDP传输数据时是有大小限制的，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。 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。

三、TCP连接过程详解

基本参数介绍

LISTEN：侦听来自远方的TCP端口的连接请求
SYN-SENT：再发送连接请求后等待匹配的连接请求（客户端）
SYN-RECEIVED：再收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认（服务器）
ESTABLISHED：代表一个打开的连接
FIN-WAIT-1：等待远程TCP连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认
FIN-WAIT-2：从远程TCP等待连接中断请求
CLOSE-WAIT：等待从本地用户发来的连接中断请求
CLOSING：等待远程TCP对连接中断的确认
LAST-ACK：等待原来的发向远程TCP的连接中断请求的确认
TIME-WAIT：等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认
CLOSED：没有任何连接状态

主动端可能出现的状态：FIN_WAIT1、FIN_WAIT2、CLOSING、TIME_WAIT
被动端可能出现的状态：CLOSE_WAIT LAST_ACK

客户端的状态可以用如下的流程来表示：
CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

服务器的状态可以用如下的流程来表示：
CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

温馨提示：
（1）主动端出现大量的FIN_WAIT1时需要注意网络是否畅通、出现大量的FIN_WAIT2需要仔细检查程序为何迟迟收不到对端的FIN（可能是主动方或者被动方的bug）、出现大量的TIME_WAIT需要注意系统的并发量/socket句柄资源/内存使用/端口号资源等。
（2）被动端出现大量的 CLOSE_WAIT 需要仔细检查为何自己迟迟不愿调用close关闭连接（可能是bug，socket打开用完没有关闭）

状态迁移
建立连接时的状态变迁
一开始，建立连接之前服务器和客户端的状态都为CLOSED。服务器创建socket后开始监听，变为LISTEN状态。客户端请求建立连接，向服务器发送SYN报文，客户端的状态变为SYN_SENT。服务器收到客户端的报文后向客户端发送ACK和SYN报文，此时服务器的状态变为SYN_RCVD。然后，客户端收到ACK、SYN，就向服务器发送ACK，客户端状态变为ESTABLISHED，服务器收到客户端的ACK后也变为ESTABLISHED。此时，3次握手完成，连接建立！

断开连接时的状态变迁
由于tcp连接是全双工的，断开连接会比建立连接麻烦一点点。客户端先向服务器发送FIN报文，请求断开连接，其状态变为FIN_WAIT1。服务器收到FIN后向客户端发生ACK，服务器状态变为CLOSE_WAIT。客户端收到ACK后就进入FIN_WAIT2状态。此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端，就会继续发送。直到发完了，就发送FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态。客户端收到服务器的FIN后，马上发送ACK给服务器，此时客户端进入TIME_WAIT状态，再过了2MSL长的时间后进入CLOSED状态。服务器收到客户端的ACK就进入CLOSED状态。
至此，还有一个状态没有提及：CLOSING状态。CLOSING状态表示客户端发生了FIN，但没有收到服务器的ACK，却收到了服务器的FIN。这种情况发生在服务器发送的ACK丢包的时候，因为网络传输有时会有意外。

tcp连接建立（tcp三握手）

TCP连接的建立采用客户-服务器模式：主动发起连接建立的应用进程叫做客户，被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。
连接建立阶段：
第一次握手：客户端的应用进程主动打开，并向服务端发出请求报文段。其首部中：SYN=1,seq=x。
第二次握手：服务器应用进程被动打开。若同意客户端的请求，则发回确认报文，其首部中：SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y。
第三次握手：客户端收到确认报文之后，通知上层应用进程连接已建立，并向服务器发出确认报文，其首部：ACK=1,ack=y+1。当服务器收到客户端的确认报文之后，也通知其上层应用进程连接已建立。
在这个过程中，通信双方的状态如下图，其中CLOSED：关闭状态、LISTEN：收听状态、SYN-SENT：同步已发送、SYN-RCVD：同步收到、ESTAB-LISHED：连接已建立
至此，TCP连接就建立了，客户端和服务器可以愉快地玩耍了。只要通信双方没有一方发出连接释放的请求，连接就将一直保持。

tcp连接终止协议*（tcp四挥手）

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送。
（2）服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3）服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
（4）客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？
建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

参数详解

CLOSED
这个没什么好说的了，表示初始状态。

LISTEN
这个也是非常容易理解的一个状态，表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。

SYN_RCVD
这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。

SYN_SENT
这个状态与SYN_RCVD遥想呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

ESTABLISHED
这个容易理解了，表示连接已经建立了。

FIN_WAIT_1
这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。

FIN_WAIT_2
上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接这就是著名的半关闭的状态了，这是在关闭连接时，客户端和服务器两次握手之后的状态。在这个状态下，应用程序还有接受数据的能力，但是已经无法发送数据，但是也有一种可能是，客户端一直处于FIN_WAIT_2状态，而服务器则一直处于WAIT_CLOSE状态，而直到应用层来决定关闭这个状态

TIME_WAIT
表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING
这里先说一下另一种状态（同时打开）
RST是另一种关闭连接的方式，应用程序应该可以判断RST包的真实性，即是否为异常中止。而同时打开和同时关闭则是两种特殊的TCP状态，发生的概率很小。
下面说closing状态，这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？其实细想一下，也不难得出结论：那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也就会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT
这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是查看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。

LAST_ACK
这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。

四、SOCKET原理与连接详解

SOCKET原理

Socket socket的英文原义是“孔”或“插座”。作为4BDS UNIX的进程通信机制，取后一种意思。通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄(引用)。每个插座就是一个应用程序。细节不同的通信规则需要定义不同的插座。 UDP：DatagramSocket 、 DatagramPacket TCP：ServerSocket 、Socket

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。
客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
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。
连接实例

参考文章