计算机网络基础：TCP、UDP、IP、端口号与套接字

计算机网络通信并不是由单一协议完成的而是由多个协议在不同层次上协同工作。以浏览器访问网站为例浏览器首先需要通过域名找到服务器的 IP地址再通过端口号定位服务器上的具体服务随后使用 TCP或者UDP等传输层协议完成数据传输。首先本文将对网络分层模型进行较为详细的解释。1 网络分层模型详解网络通信的本质是两个计算机之间交换数据。为了降低复杂度网络被设计为分层架构——每一层只关心自己那一层的功能下层为上层提供服务。1.1 OSI七层模型OSIOpen Systems Interconnection模型由ISO组织定义将网络通信分为七层OSI层级功能典型协议/设备7. 应用层 (Application)为用户应用程序提供网络服务接口HTTP,FTP,SMTP,DNS6.表示层Presnetation数据格式转换、加密、压缩SSL/TLS, JPEG, ASCII5.会话层Session建立、管理、终止会话NetBIOS, RPC, PPTP4.传输层Transport端到端可靠传输、流量控制TCP、UDP、SCTP3.网络层Network路径选择、逻辑寻址、路由IP, ICMP, OSPF, 路由器2.数据链路层 (Data Link)相邻节点间可靠传输、错误检测Ethernet, PPP, 交换机1. 物理层 (Physical)比特流传输、电气特性定义RS-232, RJ45, 集线器1.2 TCP/IP 分层模型网络通信需要处理应用交互、可靠传输、跨网络转发和局域网传输等不同问题。为了降低系统复杂度互联网采用分层设计思想各层只负责特定功能并向上层提供服务。常见的 TCP/IP 四层模型如下。层次常见协议主要职责应用层HTTP、HTTPS、DNS、SMTP定义应用程序之间的交互规则和数据格式传输层TCP、UDP实现端到端的进程通信网络层IP、ICMP负责逻辑寻址和跨网络路由转发网络接口层Ethernet、Wi-Fi、ARP负责局域网中的帧传输和链路寻址当应用程序发送数据时数据会按照从上到下的顺序逐层封装应用层数据 ↓ TCP/UDP 首部 应用层数据 ↓ IP 首部 TCP/UDP 报文 ↓ 以太网首部 IP 数据报 帧尾 ↓ 转换为比特流并进行物理传输不同层次中数据的名称也有所不同层次数据单位应用层数据Data传输层报文段TCP Segment或数据报UDP Datagram网络层IP 数据报IP Datagram或分组Packet数据链路层帧Frame物理层比特流Bits接收端收到数据后会按照相反方向进行解封装并将最终的应用层数据交给对应程序处理。2 IP 协议与 IP 地址IPInternet Protocol互联网协议位于网络层主要负责逻辑寻址和路由转发。IPv4 地址由 32 位二进制数组成通常使用点分十进制表示例如192.168.1.100 。IP 地址的作用是标识网络中的主机或网络接口使网络设备能够判断数据的目标位置。例如客户端 IP192.168.1.100 服务器 IP203.0.113.10当客户端向服务器发送数据时IP 协议负责将数据封装为 IP 数据报并在首部中填写源 IP 地址和目的 IP 地址。路由器会根据目的 IP 地址和路由表将数据逐跳转发至目标网络。IP协议具有以下特点无连接即发送数据前不需要建立连接尽力而为即不能保证数据一定到达不保证数据顺序不负责丢包重传支持不同网路之间的路由转发因此IP 主要解决“数据应当发送到哪台主机”的问题而数据是否可靠到达则通常由 TCP 等上层协议负责。3 端口号定位主机中的服务仅通过 IP 地址可以找到一台主机但一台主机上通常运行多个网络服务。例如一台服务器可能同时提供 Web 服务、SSH 远程登录服务和数据库服务。因此网络通信还需要通过端口号定位主机上的具体应用程序。端口号由 16 位二进制数组成取值范围为0 ~ 65535 。端口通常分为以下三类端口范围类型说明0 ~ 1023知名端口常用于标准网络服务1024 ~ 49151注册端口可由应用程序或厂商使用49152 ~ 65535动态端口通常由客户端临时分配常见端口如下服务或协议默认端口HTTPTCP 80HTTPSTCP 443SSHTCP 22FTPTCP 21SMTPTCP 25DNSUDP 53必要时使用 TCP 53MySQLTCP 3306例如访问 HTTPS 网站时可以将通信表示为客户端192.168.1.100:52341 服务器203.0.113.10:443其中客户端的52341通常是操作系统临时分配的动态端口服务器的443则是 HTTPS 服务监听的固定端口。可以将 IP 地址和端口号的关系概括为IP 地址用于定位主机 端口号用于定位主机上的具体应用程序。4 TCP 协议可靠的传输方式TCPTransmission Control Protocol 传输控制协议位于传输层是一种面向连接、可靠、面向字节流的协议。TCP的特点主要包括在传输数据之前需要建立连接保证数据可靠达到 保证数据按顺序交付支持超时重传支持流量控制支持拥塞控制通过端口号实现进程间通讯。TCP的适用于对数据完整性要求较高的场景例如HTTP和HTTPS网页访问文件传输远程登录数据库连接电子邮件传输4.1 TCP三次握手TCP在传输数据之前需要通过三次握手建立连接。客户端 服务器 | | | -------- SYNSeqx -------------------- | | | | --- SYN ACKSeqyAckx1 ---------- | | | | -------- ACKAcky1 ------------------- | | | TCP 连接建立完成三次握手的过程如下1. 客户端发送SNY报文请求建立连接2. 服务器返回SNY ACK报文表示同意建立连接3. 客户端发送ACK报文确认收到服务器响应4. 双方完成初始序列号同步TC怕链接建立。TCP 使用三次握手的目的是让通信双方确认彼此具备正常的收发能力并避免失效连接请求导致错误建立连接。4.2 TCP 的可靠传输机制TCP 的可靠性由多个机制共同实现。机制作用序列号保证数据能够按照正确顺序重组确认机制接收方确认已正确接收到数据超时重传未收到确认时重新发送数据校验和检测传输过程中是否发生数据损坏流量控制防止发送速度超过接收方处理能力拥塞控制减少网络拥塞对传输造成的影响例如发送方发送数据后如果在规定时间内没有收到确认报文就会认为数据可能丢失并进行重传。4.3 TCP 四次挥手当通信完成后TCP 连接通常需要通过四次挥手关闭。客户端主动关闭 服务器被动关闭 | | | -------- FIN -------------------------------- | | | | ------- ACK --------------------------------- | | | | ------- FIN --------------------------------- | | | | -------- ACK -------------------------------- | | | TCP 连接关闭完成其基本过程如下主动关闭方发送 FIN表示不再发送数据被动关闭方返回 ACK确认收到关闭请求被动关闭方完成剩余数据发送后发送 FIN主动关闭方返回 ACK确认连接关闭。主动关闭方在发送最后一个 ACK 后通常进入TIME_WAIT状态并等待一段时间。该状态的作用是确保最后一个 ACK 能够到达对方同时避免旧连接中延迟到达的报文影响新的连接。5 UDP 协议轻量的数据报传输UDPUser Datagram Protocol用户数据报协议同样位于传输层。与 TCP 相比UDP 的设计更加简单传输开销较小。UDP 的主要特点如下无连接发送数据前不需要建立连接不保证数据一定到达不保证数据到达顺序不提供自动重传首部长度固定为 8 字节支持广播和组播以数据报为单位传输数据。UDP 适用于对实时性要求较高、能够容忍少量丢包的场景例如DNS 查询网络游戏在线音视频通话直播推流DHCP实时监控数据传输。在实时音视频场景中如果某个数据包延迟过高即使重新传输也可能已经失去实际意义。因此相比等待重传及时发送后续数据通常更重要。UDP 的不可靠性并不意味着它没有价值而是表示其不在传输层负责可靠性保障。应用程序可以根据自身需求在 UDP 基础上设计确认、重传或排序机制。6 TCP 与 UDP 的比较TCP 和 UDP 均属于传输层协议但其特性和适用场景不同。对比项目TCPUDP是否建立连接需要不需要是否可靠传输是否是否保证顺序是否是否支持重传支持不支持流量控制有无拥塞控制有无数据传输单位字节流数据报首部长度最少 20 字节固定 8 字节传输开销相对较高相对较低常见应用Web、文件传输、远程登录DNS、游戏、音视频TCP 更适用于可靠性优先的场景UDP 则更适用于实时性和低延迟优先的场景。两者不存在绝对优劣实际选择应根据业务需求决定。7 套接字Socket套接字Socket是操作系统提供给应用程序的网络通信接口也是对网络通信断电的抽象。应用程序通常不会直接构造TCP报文或者IIP数据报而是通过Socket接口完成连接建立、数据发送和数据接收等操作。一个通信端点通常可以表示为协议 IP 地址 端口号 。例如TCP 192.168.1.100:52341 TCP 203.0.113.10:443一次 TCP 连接通常由以下四个信息唯一确定源 IP 地址 源端口号 目的 IP 地址 目的端口号例如192.168.1.100:52341 → 203.0.113.10:443如果再加上所使用的传输层协议则可以称为五元组协议 源 IP 源端口 目的 IP 目的端口即TCP 192.168.1.100 52341 203.0.113.10 443服务器可以同时为多个客户端提供服务。即使所有客户端均访问服务器的443端口不同客户端的源 IP 地址或源端口不同因此服务器仍能够区分不同连接。客户端 A192.168.1.100:52341 → 203.0.113.10:443 客户端 B192.168.1.101:52342 → 203.0.113.10:4438 Socket 通信的基本流程在典型的 TCP 客户端—服务器模式中双方使用 Socket 的流程有所不同。8.1 服务器端服务器端通常按照以下顺序执行操作socket() → 创建套接字 bind() → 绑定本地 IP 地址和端口 listen() → 监听客户端连接请求 accept() → 接受客户端连接 recv() → 接收数据 send() → 发送数据 close() → 关闭套接字例如一个 Web 服务器通常会绑定并监听80或443端口等待客户端请求。8.2 客户端客户端通常按照以下顺序执行操作socket() → 创建套接字 connect() → 连接服务器 send() → 发送数据 recv() → 接收数据 close() → 关闭套接字对于 TCP Socket 而言客户端调用connect()时底层会发起 TCP 三次握手。三次握手完成后客户端和服务器便可以交换数据。对于 UDP Socket由于 UDP 不需要建立连接通常可以直接使用sendto()发送数据报并使用recvfrom()接收数据报。