网络协议概述（网络层次结构、TCP、UDP）

左手的ㄟ右手 2022-05-15 14:42 211阅读 0赞

**1.网络协议纵览**

参考文章：[http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5237652.html][http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5237652.html]

**网络协议**

网络协议是网络上所有设备（网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。大多数网络都采用分层的体系结构，每一层都建立在它的下层之上，向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。

**层次结构**

由于网络节点之间联系的复杂性，在制定协议时，通常把复杂成分分解成一些简单成分，然后再将它们复合起来。最常用的复合技术就是层次方式，网络协议的层次结构如下：  
（1）结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准。  
（2）把用户的应用程序作为最高层  
（3）除了最高层外，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的用户。  
（4）把物理通信线路作为最低层，它使用从最高层传送来的参数，是提供服务的基础。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。

更加详细的各层网络协议：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**数据封装**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

**数据解封**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

**2.网络协议之TCP**

参考文章：[http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5143437.html][http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5143437.html]

**TCP**

TCP作用：

**当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。**

因特网有两个核心协议：IP和TCP。IP（Internet Protocol）负责联网主机之间的路由选择和寻址；TCP（Transmission Control Protocol）负责在不可靠的传输信道之上提供可靠的抽象层。TCP向应用层隐藏了大多数网络通信的复杂细节，比如丢包重发、按序发送、拥塞控制、数据完整等。正如任何一种技术它越完善和强大，其性能损耗也就越大，TCP为了给信息传输提供可靠的方式做了很多工作，也就造成了一定的性能瓶颈，下面就具体的讲解一下TCP的原理及思想。

一个完整的TCP数据包的结构如下所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

**连接建立和断开**

所有TCP连接的建立都要进行三次握手，因为在交换应用数据之前，客户端和服务器需要约定分组序列号及协商其他相关信息。出于安全考虑，序列号由两端随机生成。三次握手过程如下图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

TCP快速打开：在某些条件下，允许第一个SYN分组中带有应用程序数据。这就使得在传输小文件时，减少了新建TCP连接带来的性能损失，因为它在第一次发送分组时携带了应用数据，可以一定程度上降低HTPP事物网络延时。

虽然建立一个连接需要三次握手，而断开一个连接需要四次握手才可以完成，这是由TCP的半关闭造成的。其大致过程入下所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

(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。

**拥塞预防及控制：**

TCP在不可靠的网络环境上提供了可靠的信息传输方式，为此它加入了很多机制，如流量控制、拥塞控制和拥塞预防等。

**选择性应答：**

TCP通信时，如果发送序列中间某个数据包丢失，TCP会通过重传最后确认的包开始的后续包，这样原先已经正确传输的包也可能重复发送，急剧降低了TCP性能。为改善这种情况，发展出SACK(Selective Acknowledgment, 选择性确认)技术，使TCP只重新发送丢失的包，不用发送后续所有的包，而且提供相应机制使接收方能告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据重发了，哪些数据已经提前收到等。SACK是TCP中的一个可选特性，要想启用需要自己打开设置。

**TCP的不足——队首阻塞：**

TCP在不可靠的信道上进行可靠地传输，隐藏了很多网络底层的细节，极大的方便了工程人员的使用。任何事物都有其利弊，TCP也不例外，在某些场景下也是有极大限制的，

由于TCP是有序交付的，每个分组都会有一个唯一的序列号，需要按照顺序传递到接收端，接收端也需要接受到所有分组后才能处理所受到的信息。如果中间某一个分组没能被接收到，其他分组需要存储在缓冲区，需要等待接收到重发的分组后才能处理。

TCP的按序交付和分组重排使得应用程序不再关心底层细节，使得开发更为方便。但在实时性要求较高的场景下，可能有些应用对有序交付和可靠性要求并不高，使用TCP就会造成很大的延时。而且由于分组到达接收端会存在一定的不确定性，使得传输时间也变得不确定，这个时间变化称之为抖动。

能够容忍和自行处理包的乱序或者丢包的应用，或者对延迟和抖动敏感的应用，可以考虑另外一个选择：UDP。

**3.网络协议之UDP**

参考文章：[http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5226483.html][http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5226483.html]

TCP协议在不可靠的网络环境上提供了可靠的通信通道，隐藏了大量的底层细节，使应用程序更加简洁。但有些应用并不需要这么高的可靠性，并不需要按序交付，而且TCP为了提高可靠性也增加了延时，在某些对延时或抖动要求很高的情景下并不适用。为此，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）被提出。UDP虽然应用较为广泛，比如DNS查询等，但一直不是重要的角色。自从WebRTC被提出以来，它可以使浏览器在UDP的基础上实现原生的语音和视频实时通信及其他形式的P2P通信，UDP在这种境况下显得更加重要。本文大致介绍UDP的原理及应用，以求加深对其理解。

**UDP**

TCP是面向连接的，需要三次握手建立连接之后再传输数据，而是UDP面向无连接的，它并不能保证信息交付，也不能保证按序交互，也不跟踪连接状态，也不需要拥塞控制。

要了解UDP和为什么它通常被称为“空协议”，我们首先需要了解一下互联网协议（IP），它位于TCP和UDP协议层下面。IP层主要任务就是基于地址将数据报从源主机发送到目的主机。要做到这一点，消息都封装在一个IP包，标识源和目的地址，以及一些其他路由参数。

IPv4的首部结构如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

UDP协议会用自己的分组结构封装用户信息，其数据格式如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

**如上图所示，我们在UDP数据报里增加了源端口和目标端口，这样就使得当IP分组被送到接收端后，接收端就可以拆开UDP分组，根据目标端口找到对应的应用程序，然后再把数据传递给应用程序。**

从IP和UDP的数据格式可以看到，它们的首部都带有校验和，都可以用来校验数据，那么应用程序即使忽略UDP的校验和也不影响数据完整性，校验和字段是可选的。这意味着UDP层所有的错误检测和纠错，可以委托给上述应用层校验。说到底，UDP仅仅是在IP层上通过嵌入应用程序的源端口和目标端口，提供了一个“应用程序多路复用”机制。由此可以得到UDP的特征如下：

*  不保证消息交付：不确认，不重传，无超时；
 *  不保证交付顺序：不设置包序号，不重排，不发生队首阻塞；
 *  不跟踪连接状态：不必建立连接或重启状态机；
 *  不需要拥塞控制：不内置客户端或网络反馈机。

TCP是一个面向字节流的协议，能够通过多个分组的形式发送应用程序的消息数据，包内本身没有任何明确的消息边界。为了实现这一目标，连接两端都分配了连接状态，并且数据包被排序，重发丢包，按顺序发送。相反UDP数据报有明确的界限：每一个数据报都被打包到一个IP包中，应用层读到的每一个UDP包都是完整的信息 - **数据报不能被分割。**

关于数据报（Datagram）详细定义如下：

数据报：一个自包含的，独立的数据实体，其承载了足够的信息，使其可以从源路由到达目标路由，而不依赖于在网络节点前的数据交换和传输网络没有任何依赖。

数据报文（Datagram）和数据包（Packet）两个术语往交替使用，但其实二者有一些细微差别。数据包（packet）一般用来描述任何格式的数据块，而数据报（Datagram）往往被保留用来描述通过一个不可靠的服务传输的数据包（Packet） - 没有传输保障，没有失败通知。所以UDP包一般或者说更准确的被称为数据报（Datagram）。

UDP是一个简单的，无状态的协议，适合于引导上层的其他应用层协议 - 几乎所有的协议决策都留给它上面的应用层。然而，在你想实现自己的协议来取代TCP，你应该仔细考虑有关的复杂性，如UDP与其它层的交互（比如NAT穿越），以及网络协议一些最佳实践。没有仔细的规划和设计，设计一个新的协议不是一个好主意，最终也许实现成一个的简陋的TCP版本。关于传输UDP时遇到的NAT穿透问题，将在下篇文章中讲述。

**4.网络协议之NAT穿透**

详情可以参考：[http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5229020.html][http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5229020.html]

[http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5237652.html]: http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5237652.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220503/b7198b459308430eb1305cd0c00de676.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220503/c068a94545b94b1ab429a2e32294bc57.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220503/ddb8888a94894297b9604b2272d05762.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220503/f4212b444566440cae1cc48e76dea647.png
[http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5143437.html]: http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5143437.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220503/9560bced676b4345afbf1e821384251f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220503/0516b700d6464232b6f4b5ca57aac419.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20220503/fead9a36dc074dcf8eb1c5fea405e285.png
[http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5226483.html]: http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5226483.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20220503/3421de17f35a491192917a4bde1a2ce5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20220503/5b7ebea6f33a406db7244fb3fa3538ce.png
[http_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5229020.html]: http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5229020.html