Day 32 网络编程

一、网络协议基础篇

　　一台完整的计算机由硬件、系统、软件组成，具备这三个条件，计算机就可以运行，但是只能自己和自己玩。为了实现计算机和计算机间的连接，就需要借助互联网，如全世界人类交流将英语作为标准语言一样，计算机间的交流也需要这样一个标准，即互联网协议。

1、互联网的本质

　　互联网的本质就是一系列的协议，总称互联网协议（internet protocolsuite），互联网的协议的功能是：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机的通信标准。

2、osi七层协议

　　互联网协议按照功能不同分为osi七层或者tcp/ip五层或者tcp/ip四层。从下往上接近用户，从上往下接近硬件，具体如下示意图：

3、tcp/ip五层模型讲解

　　清楚了每层的主要协议，就理解了整个互联网通信的原理。首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解。

（1）物理层

　　物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网；物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0。

（2）数据链路层

　　数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思。数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

以太网协议：

　　早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet。

ethernet规定：

一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’
每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head

data

head包含：(固定18个字节)

发送者／源地址，6个字节
接收者／目标地址，6个字节
数据类型，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

mac地址：

head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

广播：

有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）。ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼。

（3）网络层

　　网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到。

tcp协议和udp协议

用于应用程序之间的通信。如果说ip地址和mac地址帮我们确定唯一的一台机器，那么我们怎么找到一台机器上的一个软件呢？

端口

　　我们知道，一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务完全可以通过1个IP地址来实现。那么，主机是怎样区分不同的网络服务呢？显然不能只靠IP地址，因为IP 地址与网络服务的关系是一对多的关系。实际上是通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务的。

TCP协议

　　当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

　　这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止。

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK[1]，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。[1]

TCP三次握手的过程如下：

客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。

服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。

客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。

(1) 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。

(2) 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。

注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。

(3) 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。

(4) 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。[1]

既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

注意：

(1) “通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。[2]

(2) 在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。

(3) 当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。

无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。[2] 

tcp的四次挥手

UDP协议

　　当应用程序希望通过UDP与一个应用程序通信时，传输数据之前源端和终端不建立连接。

　　当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。

tcp和udp的对比

TCP---传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。
UDP---用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快