聊聊TCP/IP、HTTP和Socket

1.这些都是什么?

既然是网络传输，涉及几个系统之间的交互，那么首先要考虑的是如何准确的定位到网络上的一台或者几台主机，另一个是如何进行可靠高效的数据传输.这里就要使用到TCP/IP协议。

1.1 TCP/IP协议组

TCP/IP协议(传输控制协议)由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

• IP层负责网络主机的定位,数据传输的路由,由IP地址可以唯一的确定Internet上的一台主机。
• TCP层负责面向应用的可靠的或费可靠的数据传输机制，这是网络编程的主要对象。

TCP/IP是个协议组,可分为三个层次:网络层,传输层和应用层:

• 网络层：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议；
• 传输层：TCP协议与UDP协议；
• 应用层：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议；

HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用Socket实现HTTP。Socket是实现传输层协议的一种编程API,可以是TCP，也可以是UDP。

1.2 TCP

• TCP，即传输控制协议，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。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接前，TCP连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求。
• TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个Socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个Socket(通常都是Server Socket)等待建立连接时，另一个Socket可以要求进行连接，一旦这两个Socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送和接收操作。

TCP特点

1. TCP是面向连接的协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接协议，所以只能用于点对点的通讯。而且建立连接也需要消耗时间和开销。
2. TCP传输数据无大小限制，进行大数据传输。
3. TCP是一个可靠的协议，它能保证接收方能够完整正确地接收到发送方发送的全部数据。

TCP的三次握手

第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手；

【适用情况】

• TCP发送的包有序号，对方收到包后要给一个反馈，如果超过一定时间还没收到反馈就自动执行超时重发，因此TCP最大的优点是可靠。一般网页（http）、邮件（SMTP)、远程连接(Telnet)、文件(FTP)传送就用TCP
• TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽，因此TCP传输的效率不如UDP高。

1.3 UDP

• UDP,即用户数据报协议，是一个无连接的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端和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，固而传输速度很快。
• UDP是一种面向无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网路上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间已经内容的正确性都是不能被保证的。

UDP特点：

1. UDP是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。
2. UDP传输数据时有大小限制，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。
3. UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方。

【适用情况】

• UDP是面向消息的协议，通讯时不需要建立连接，数据的传输自然是不可靠的，UDP一般多用于多点通讯和实时的数据业务，比如语音广播、视频、QQ、TFTP（简单文件传送）、SNMP(简单网络管理协议)、RTP（实时传送协议）RIP（路由信息协议，如报告股票市场，航空信息）、DNS(域名解释）。注重速度流畅。
• UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client/server应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

1.4 Socket

• Socket通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket,一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。应用程序通常通过“套接字”向网络发送请求或者应答网络请求。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面，但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。

• Socket通讯过程：服务器监听某个端口是否有连接请求，客户端向服务端发送连接请求，服务端收到连接请求向客户端发出接收信息，这样一个连接就建立起来了。客户端和服务端都可以相互发送消息与对方进行通讯。

• Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Scoket去组织数据，以符合指定的协议。

• 由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致Socket连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

1.套接字（socket）概念

• 套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包括进行网络通信必需的五种信息：连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。
• 应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

2.建立socket连接

• 建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket ，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

• 套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

• 服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求；

• 客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

• 连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3.Socket连接与TCP连接

• 创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

【适用情况】

很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；

1.5 HTTP

• HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用，HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立TCP连接，而且需要客户端向服务器发出请求请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息，服务器端才能回复数据。服务器响应包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即使不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

• 为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性。因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法：HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

• 结论：HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用SOCKET实现HTTP。SOCKET是实现传输层协议的一种编程API，可以是TCP，也可以是UDP。

【适用情况】

若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。