网络通信基础（一）——HTTP（TCP/IP）通信协议

时间：2024-04-08 08:51:36

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HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）即超文本传输协议

超文本：

原来的计算机只有简单的文本格式，故文本就是指简单的文本格式，随着计算机的发展，出现了视频，图片，音乐等格式，而超文本就是原来文本语义的引申

传输：

由传输载体（例如同轴电缆，电话线，光缆）负责把二进制数据包由计算机终端传输到另一个终端的过程，称为传输(transfer)

协议：

协议就是一种约定和规范，大家都遵守的规范，只有都使用同一种规范，才能有条不紊的进行信息交互，常见的协议有：SMTP，TCP，UDP，FTP

ISO 七层网络模型和TCP/IP四层概念模型

TCP/IP四层概念模型是在ISO模型基础上建立的，简化了IOS模型，在实际应用中更为广泛，以下是两种模型的关系：
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ISO 七层网络模型

网络通信基础（一）——HTTP（TCP/IP）通信协议

TCP/IP四层概念模型

网络通信基础（一）——HTTP（TCP/IP）通信协议

一个 HTTP 请求，在整个网络中的请求过程

发送过程

当应用程序用 TCP 传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息
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接收过程

当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用
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在接收报文的过程中，报文的每一跳都会拆开MAC头，和封装入新的MAC头，具体的报文转发过程可以参考以下博文

浅谈通信网络（四）——报文转发（IP/MAC）

为什么有了 MAC 层还要走 IP 层呢？

mac 地址就好像个人的身份证号，人的身份证号和人户口所在的城市，出生的日期有关，但是和人所在的位置没有关系，人是会移动的，知道一个人的身份证号，并不能找到它这个人，mac 地址类似，它是和设备的生产者，批次，日期之类的关联起来，知道一个设备的 mac，并不能在网络中将数据发送给它，除非它和发送方的在同一个网络内。所以要实现机器之间的通信，还需要有 ip 地址的概念，ip 地址表达的是当前机器在网络中的位置，类似于城市名+道路号+门牌号的概念。通过 ip 层的寻址，我们能知道按何种路径在全世界任意两台 Internet 上的的机器间传输数据。

IP协议和TCP/UDP协议

IP协议

TCP 和 UDP 是两种最为著名的传输层协议，他们都是使用 IP 作为网络层协议。IP协议提供了一组数据报文服务，每组分组报文都是由网络独立处理和分发，就像寄送快递包裹一样，为了实现这个功能，每个 IP 报文必须包含一个目的地址的字段；就像我们寄送快递都需要写明收件人信息，但是和我们寄送快递一样，也可能会出现包裹丢失问题，所以 IP 协议只是一个“尽力而为”的协议，在网络传输过程中，可能会发生报文丢失、报文顺序打乱，重复发送的情况。IP 协议层之上的传输层，提供了两种可以选择的协议，TCP、UPD。这两种协议都是建立在 IP 层所提供的服务基础上，根据应用程序的不同需求选择不同方式的传输；

TCP/IP

TCP/IP 协议你一定听过，TCP/IP 我们一般称之为协议簇，什么意思呢？就是 TCP/IP 协议簇中不仅仅只有 TCP 协议和 IP 协议，它是一系列网络通信协议的统称。而其中最核心的两个协议就是 TCP / IP 协议，其他的还有 UDP、ICMP、ARP 等等，共同构成了一个复杂但有层次的协议栈。

TCP 协议能够检测和恢复 IP 层提供的主机到主机的通信中可能发生的报文丢失、重复及其他错误。TCP 提供了一个可信赖的字节流通道，这样应用程序就不需要考虑这些问题。同时，TCP 协议是一种面向连接的协议，在使用 TCP 进行通信之前，两个应用程序之间需要建立一个 TCP 连接，而这个连接又涉及到两台电脑需要完成握手消息的交换。

TCP三次握手

由于 TCP 协议是一种可信的传输协议，所以在传输之前，需要通过三次握手建立一个连接，所谓的三次握手，就是在建立 TCP 链接时，需要客户端和服务端总共发送 3 个包来确认连接的建立
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TCP四次挥手

四次挥手表示 TCP 断开连接的时候,需要客户端和服务端总共发送 4 个包以确认连接的断开；客户端或服务器均可主动发起挥手动作(因为 TCP 是一个全双工协议)，在socket 编程中，任何一方执行 close() 操作即可产生挥手
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为什么握手只需要3次，挥手需要四次

三次握手是因为因为当 Server 端收到 Client 端的 SYN 连接请求报文后，可以直接发送 SYN+ACK 报文。其中 ACK 报文是用来应答的，SYN 报文是用来同步的。但是关闭连
接时，当 Server 端收到 FIN 报文时，很可能并不会立即关闭 SOCKET（因为可能还有消息没处理完），所以只能先回复一个 ACK 报文，告诉 Client 端，“你发的 FIN 报文我收到了”。只有等到我 Server 端所有的报文都发送完了，我才能发送 FIN 报文，因此不能一起发送。故需要四次挥手。

TCP数据传输过程的流量控制(滑动窗口）和拥塞控制

建立可靠连接以后，就开始进行数据传输了。在通信过程中，最重要的是数据包，也就是协议传输的数据。如果数据的传送与接收过程当中出现收方来不及接收的情况，这时就需要对发方进行控制以免数据丢失。利用滑动窗口机制可以很方便的在 TCP 连接上实现对发送方的流量控制。TCP 的窗口单位是字节，不是报文段，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数。

（1）滑动窗口协议

滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题；发送和接受方都会维护一个数据帧的序列，这个序列被称作窗口

（2）发送窗口

就是发送端允许连续发送的幀的序号表。发送端可以不等待应答而连续发送的最大幀数称为发送窗口的尺寸。

（3）接收窗口

接收方允许接收的帧的序号表，凡落在 接收窗口内的帧，接收方都必须处理，落在接收窗口外的帧被丢弃。接收方每次允许接收的幀数称为接收窗口的尺寸。

（4）滑动窗口调整过程（慢开始&线性增长）

拥塞控制的工作过程

UDP/IP

UDP 协议不会对 IP 层产生的错误进行修复，而是简单的扩展了 IP 协议“尽力而为”的数据报文服务，使他能够在应用程序之间工作，而不是在主机之间工作，因此使用 UDP 协议必须要考虑到报文丢失，顺序混乱的问题。典型的应用就是 直播。

TCP 和 UDP 的区别

  • TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的
  • UDP 程序结构较简单，仅仅扩展了HTTP的“尽力而为”的传输
  • TCP 是面向字节流的，UDP 是基于数据报的
  • TCP 保证数据正确性，UDP 可能丢包
  • TCP 保证数据顺序，UDP 不保证

为什么TCP是传输是可靠的?

  1. 三次握手协议，保证连接可靠
  2. 四次挥手协议，保证传输可靠
  3. 确认和重传机制
    • 建立连接时三次握手同步双方的“*** + 确认号 + 窗口大小信息”，是确认重传、流控的基础
    • 传输过程中，如果Checksum校验失败、丢包或延时，发送端重传
  4. 数据包重排序
    • TCP有专门的***SN字段，可提供数据re-order
  5. 流量控制
    • 窗口和计时器的使用。TCP窗口中会指明双方能够发送接收的最大数据量
  6. 拥塞控制
    TCP的拥塞控制由4个核心算法组成。
    • “慢启动”（Slow Start）
    • “拥塞避免”（Congestion avoidance）
    • “快速重传 ”（Fast Retransmit）
    • “快速恢复”（Fast Recovery）

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