TCP/IP协议

TCP/IP协议

TCP/IP协议概述

TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：
应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。
传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送，应用程序之间的通信服务，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。
互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。
链路接口层：接收IP数据报并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取IP数据报转交给下一层，对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。

TCP/IP层次结构图 .png

网络层协议（IP协议）

IP协议是网络层的主要协议，是Internet最重要的协议。在IP协议中规定了在Internet上进行通信时应遵守的规则。例如IP数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目的主机等。IP协议在主机和网络之间寻址和路由数据包。IP是一个无连接的协议，主要负责在主机间寻址并为数据包设定路由，在交换数据前它并不建立会话。因为它不保证正确传递。另一方面，数据在被收到时，IP不需要收到确认，所以它是不可靠的。
IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层——TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。
IP协议的数据格式如下：

网际协议IP数据格式.png

版本号：协议的版本号，不同版本的协议格式或语言可能不同，现在常用的是IPV4。
生存时间（Time To Live，TTL）：8bit，即IP分组在IP网络中的寿命。
协议（Protocol）：8bit，指明IP分组中数据字段携带的是哪种高层协议的数据。
首部检查和（header checksum）：16bit。此字段只用于检查IP分组的首部，不包括数据字段。
源IP地址（source IP address）：32bit，填入源主机的IP地址。
目标IP地址（destination IP address）：32bit，填入目标主机的IP地址。
可选字段（IP options）：可选，可变长，1字节－40字节，但加上填充字段（填充0）后两个字段长度必须为4Bytes的整数倍。
IP地址标识着网络中一个系统的位置。我们知道每个IP地址都是由两部分组成的：网络号和主机号。其中网络号标识一个物理的网络，同一个网络上所有主机需要同一个网络号，该号在互联网中是唯一的；而主机号确定网络中的一个工作端、服务器、路由器及其它TCP/IP客户端。对于同一个网络号来说，主机号是唯一的。每个TCP/IP主机由一个逻辑IP地址确定。

传输层协议（TCP和UDP）

1.TCP协议
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通信协议，由IETF的RFC 793说明。它在传送数据时是分段进行的，主机交换数据必须建立一个会话。它用比特流通信，即数据被作为无结构的字节流。通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。如果一个分段被分解成几个小段，接收主机会知道是否所有小段都已收到。通过发送应答，用以确认别的主机收到了数据。对于发送的每一个小段，接收主机必须在一个指定的时间返回一个确认。如果发送者未收到确认，数据会被重新发送；如果收到的数据段损坏，接收主机会舍弃它，因为确认未被发送，发送者会重新发送分段。TCP端口为信息的传送指定端口，端口号小于256的定义为常用端口。
下图展示了TCP首部的数据格式。如果不计任选(Options)字段，那么，它的大小是20个字节。

TCP包头格式.png

TCP协议通过三个报文段完成连接的建立，这个过程称为三次握手(three-way handshake)，过程如下图所示。
(1)客户机向服务器发送一个TCP数据包，表示请求建立连接。
(2)服务器收到了数据包，知道这是一个建立请求的连接，服务器也通过发回具有以下项目的数据包表示回复：同步标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺序号、应答并带有将收到的下一个数据段的字节顺序号。
(3)客户机收到了服务器的TCP，知道是从服务器来的确认信息。于是客户机也向服务器发送确认信息。至此客户端完成连接。
(4)服务器收到确认信息，也完成连接。

TCP建立连接（三次握手） .png

TCP协议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。具体过程如下图所示。

TCP断开连接 .png

2.UDP协议
UDP 是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。
用户数据报协议UDP提供了无连接的数据报服务。它适用于无须应答并且通常一次只传送少量数据的应用软件。

Socket编程

Socket简介

Socket接口是TCP/IP网络的API。Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学习Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。　 　
Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的 Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

Socket创建

为了创建Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。socket函数原型为：

ServerSocket serverSocket = null;
     int port = 8080;
     try {
     //服务器套接字对象
     serverSocket = new ServerSocket(port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
     } catch (IOException e) {
     e.printStackTrace();
     System.exit(1);
     } 

Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。Socket数据结构中包含这五种信息。

Socket配置

通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。