网络篇——七层协议、四层协议、TCP、HTTP、SOCKET、长短连接

ゝ一世哀愁。 2023-06-15 07:10 53阅读 0赞

**OSI**（Open System Interconnection）是一个开放性的通行系统互连参考模型，它是一个定义的非常好的协议规范，共包含七层协议。OSI七层协议是由ISO (International Standards Organization)在1978（maybe 1979）年为网络通信制定的。 OSI的7层从上到下分别是 **7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层**；其中高层，既7、6、5、4层定义了应用程序的功能，下面3层，既3、2、1层主要面向通过网络的端到端的数据流。但是，OSI七层模型是一个理论模型，实际应用则千变万化，因此更多把它作为分析、评判各种网络技术的依据；对大多数应用来说，只将它的协议族（即协议堆栈）与七层模型作大致的对应，看看实际用到的特定协议是属于七层中某个子层，还是包括了上下多层的功能。

TCP/IP是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为**TCP/IP协议族**。它是70年代中期美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的INTERNET是目前国际上规模最大的计算机网络，正因为INTERNET的广泛使用，使得TCP/IP成了事实上的标准。这个协议是Internet国际互联网络的基础。TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议。虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议，**传输控制协议(TCP)和网际协议(IP)**，但TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而**TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议**。通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单单是TCP和IP。

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**OSI七个层次的功能**

**物理层**为数据链路层提供物理连接，在其上串行传送比特流，即所传送数据的单位是比特。此外，该层中还具有确定连接设备的电气特性和物理特性等功能。

**数据链路层**负责在网络节点间的线路上通过检测、流量控制和重发等手段，无差错地传送以帧为单位的数据。为做到这一点，在每一帧中必须同时带有同步、地址、差错控制及流量控制等控制信息。

**网络层**为了将数据分组从源（源端系统）送到目的地（目标端系统），网络层的任务就是选择合适的路由和交换节点，使源的传输层传下来的分组信息能够正确无误地按照地址找到目的地，并交付给相应的传输层，即完成网络的寻址功能。

**传输层**是高低层之间衔接的接口层。数据传输的单位是报文，当报文较长时将它分割成若干分组,然后交给网络层进行传输。传输层是计算机网络协议分层中的最关键一层，该层以上各层将不再管理信息传输问题。

**会话层该层**对传输的报文提供同步管理服务。在两个不同系统的互相通信的应用进程之间建立、组织和协调交互。例如，确定是双工还是半双工工作。

**表示层**的主要任务是把所传送的数据的抽象语法变换为传送语法，即把不同计算机内部的不同表示形式转换成网络通信中的标准表示形式。此外，对传送的数据加密（或解密）、正文压缩（或还原）也是表示层的任务。

**应用层**该层直接面向用户，是OSI中的最高层。它的主要任务是为用户提供应用的接口，即提供不同计算机间的文件传送、访问与管理，电子邮件的内容处理，不同计算机通过网络交互访问的虚拟终端功能等。

### **TCP/IP协议简介** ###

之所以说TCP/IP是一个协议族，是因为TCP/IP协议包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNETFTP、SMTP、ARP、TFTP等许多协议，这些协议一起称为TCP/IP协议。以下我们对协议族中一些常用协议英文名称和用途作一介绍：

>  *  TCP(Transport Control Protocol)传输控制协议
>  *  IP(Internetworking Protocol)网间网协议
>  *  UDP(User Datagram Protocol)用户数据报协议
>  *  ICMP(Internet Control Message Protocol)互联网控制信息协议
>  *  SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)简单邮件传输协议
>  *  SNMP(Simple Network manage Protocol)简单网络管理协议
>  *  FTP(File Transfer Protocol)文件传输协议
>  *  ARP(Address Resolation Protocol)地址解析协议

从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由四个层次组成：**网络接口层、网间网层、传输层、应用层**。其中：  
**网络接口层** 这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

**网间网层** 负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。一、处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。二、处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径--假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。三、处理路径、流控、拥塞等问题。

**传输层** 提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。

**应用层** 向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

前面我们已经学过关于OSI参考模型的相关概念，现在我们来看一看，相对于七层协议参考模型，TCP/IP协议是如何实现网络模型的。

数据链路层包括了硬件接口和协议ARP，RARP，这两个协议主要是用来建立送到物理层上的信息和接收从物理层上传来的信息；

网络层中的协议主要有IP，ICMP，IGMP等，由于它包含了IP协议模块，所以它是所有机遇TCP/IP协议网络的核心。在网络层中，IP模块完成大部分功能。ICMP和IGMP以及其他支持IP的协议帮助IP完成特定的任务，如传输差错控制信息以及主机/路由器之间的控制电文等。网络层掌管着网络中主机间的信息传输。

传输层上的主要协议是TCP和UDP。正如网络层控制着主机之间的数据传递，传输层控制着那些将要进入网络层的数据。两个协议就是它管理这些数据的两种方式：TCP是一个基于连接的协议（还记得我们在网络基础中讲到的关于面向连接的服务和面向无连接服务的概念吗？忘了的话，去看看）；UDP则是面向无连接服务的管理方式的协议。

应用层位于协议栈的顶端，它的主要任务就是应用了。上面的协议当然也是为了这些应用而设计的，具体说来一些常用的协议功能如下：

>  *  Telnet：提供远程登录（终端仿真）服务，好象比较古老的BBS就是用的这个登陆。
>  *  FTP ：提供应用级的文件传输服务，说的简单明了点就是远程文件访问等等服务；
>  *  SMTP：不用说拉，天天用到的电子邮件协议。
>  *  TFTP：提供小而简单的文件传输服务，实际上从某个角度上来说是对FTP的一种替换（在文件特别小并且仅有传输需求的时候）。
>  *  SNTP：简单网络管理协议。看名字就不用说什么含义了吧。
>  *  DNS：域名解析服务，也就是如何将域名映射城IP地址的协议。
>  *  HTTP：不知道各位对这个协议熟不熟悉啊？这是超文本传输协议，你之所以现在能看到网上的图片，动画，音频，等等，都是仰仗这个协议在起作用啊！

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Socket

Socket是一组编程接口（API）。介于传输层和应用层，向应用层提供统一的编程接口。应用层不必了解TCP/IP协议细节。直接通过对Socket接口函数的调用完成数据在IP网络的传输。

基于传输层差异，4种类型的Socket:

> 1.  基于TCP的Socket:提供给应用层可靠的流式数据服务，使用TCP的Socket应用程序协议：BGP，HTTP，FTP，TELNET等。优点：基于数据传输的可靠性。
> 2.  基于UDP的Socket：适用于数据传输可靠性要求不高的场合。基于UDP的Socket应用程序或协议有：RIP，SNMP，L2TP等。
> 3.  基于RawIp的Socket:非连接，不可靠的数据传输。特点：能使应用程序直接访问网络层。基于RawIp的Socket有ping ,tracert,ospf等。
> 4.  基于链路层的Socket。为IS-IS协议提供的Socket接口。使IS-IS协议可通过Socket直接访问链路层。非连接，不可靠通信服务。
> 
> 转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog\_7f83f8890100xnsm.html

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一、From:http://thisliy.javaeye.com/blog/710122

http://wenku.baidu.com/view/14a30d0102020740be1e9b84.html (TCP+HTTP工作机制)

相信不少初学手机联网开发的朋友都想知道Http与Socket连接究竟有什么区别，希望通过自己的浅显理解能对初学者有所帮助。

**1、TCP连接**

手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议，可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口，使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络之上。

建立起一个TCP连接需要经过“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。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。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之前，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，断开过程需要经过“四次握手”（过程就不细写了，就是服务器和客户端交互，最终确定断开）。

**2、HTTP连接**

**HTTP协议即超文本传送协议(Hypertext Transfer Protocol )，是Web联网的基础，也是手机联网常用的协议之一，HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。**

HTTP连接最显著的特点是客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应，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”。

> 1）在HTTP 1.0中，客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接，在处理完本次请求后，就自动释放连接。
> 
> 2）在HTTP 1.1中则可以在一次连接中处理多个请求，并且多个请求可以重叠进行，不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。

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。通常的做法是即时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。

**3、SOCKET原理**

3.1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，包含进行网络通信必须的五种信息：**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。

3.2 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。

4、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。

5、Socket连接与HTTP连接

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。

而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连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。

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；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。

二：首先，纠正一下我以前一直误解的概念，我一直以为Http和Tcp是两种不同的，但是地位对等的协议，虽然知道TCP是传输层，而http是应用层今天学习了下，知道了http是要基于TCP连接基础上的，简单的说，TCP就是单纯建立连接，不涉及任何我们需要请求的实际数据，简单的传输。http是用来收发数据，即实际应用上来的。

第一：从传输层，先说下TCP连接，我们要和服务端连接TCP连接，需要通过三次连接，包括：**请求，确认，建立连接**。即传说中的“三次握手协议”。

> 第一次：C发送一个请求连接的位码SYN和一个随机产生的序列号给Seq，然后S收到了这些数据。
> 
> 第二次:S收到了这个请求连接的位码，啊呀，有人向我发出请求了么，那我要不要接受他的请求，得实现确认一下，于是，发送了一个确认码 ACN（seq+1），和SYN，Seq给C，然后C收到了，这个是第二次连接。
> 
> 第三次：C收到了确认的码和之前发送的SYN一比较，偶哟，对上了么，于是他又发送了一个ACN（SEQ+1）给S，S收到以后就确定建立连接，至此，TCP连接建立完成。

**简单就是：请求，确认，连接。**

第二：从实际上的数据应用来说http:

在前面客户端和应用服务器建立TCP连接之后，就需要用http协议来传送数据了，HTTP协议简单来说，还是请求，确认，连接。

总体就是C发送一个HTTP请求给S，S收到了这个http请求，然后返回给C http响应，然后C的中间件或者说浏览器把这些数据渲染成为了网页，展示在用户面前。

第一：发送一个http请求给S，这个请求包括请求头和请求内容：

request header：

包括了，1.请求的方法是POST/GET,请求的URL，http协议版本2.请求的数据，和编码方式3是否有cookie和cooies，是否缓存等。

post和get请求方式的区别是，get把请求内容放在URL后面，但是URL长度有限制。而post是以表单的形势，适合要输入密码之类的，因为不在URL中显示，所以比较安全。

request body：即请求的内容.

第二：S收到了http请求，然后根据请求头，返回http响应。

response header:包括了

> 1.cookies或者sessions
> 
> 2.状态吗
> 
> 3.内容大小等

response body：

即响应的内容，包括，JS什么的。

第三，C收到了以后，就由浏览器完成一系列的渲染，包括执行JS脚本等。这就是我所理解的webTCP,HTTP基础知识，待续。。。。。

三、TCP是底层通讯协议，定义的是数据传输和连接方式的规范

>  *  HTTP是应用层协议，定义的是传输数据的内容的规范
>  *  HTTP协议中的数据是利用TCP协议传输的，所以支持HTTP也就一定支持TCP
>  *  HTTP支持的是www服务 
>  *  而TCP/IP是协议 
> 
> 它是Internet国际互联网络的基础。TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议。 
> 
> TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单单是TCP和IP。
> 
> 转自：http://hi.baidu.com/haierdeheart/item/3839dc5d54ebfea8adc8570e

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### 长连接与短连接 ###

所谓**长连接**，指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发检测包以维持此连接，一般需要自己做在线维持。

**短连接**是指通信双方有数据交互时，就建立一个TCP连接，数据发送完成后，则断开此TCP连接，一般**银行都使用短连接。**

比如http的，只是**连接、请求、关闭**，过程时间较短，服务器若是一段时间内没有收到请求即可关闭连接。

**其实长连接是相对于通常的短连接而说的，也就是长时间保持客户端与服务端的连接状态。 **

长连接与短连接的操作过程：

> 通常的短连接操作步骤是：   
> **连接→数据传输→关闭连接；** 
> 
> 而长连接通常就是：   
> **连接→数据传输→保持连接(心跳)→数据传输→保持连接(心跳)→……→关闭连接； **  
> 这就要求长连接在没有数据通信时，定时发送数据包(心跳)，以维持连接状态，短连接在没有数据传输时直接关闭就行了

**什么时候用长连接，短连接？ **

> 长连接多用于操作频繁，点对点的通讯，而且连接数不能太多情况，。每个TCP连接都需要三步握手，这需要时间，如果每个操作都是先连接，再操作的话那么处理速度会降低很多，所以每个操作完后都不断开，次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接， 如果用短连接频繁的通信会造成socket错误，而且频繁的socket 创建也是对资源的浪费。 
> 
> 而像WEB网站的http服务一般都用短链接，因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源，而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接会更省一些资源，如果用长连接，而且同时有成千上万的用户，如果每个用户都占用一个连接的话，那可想而知吧。所以并发量大，但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好。 
> 
> 总之，长连接和短连接的选择要视情况而定。

### 发送接收方式  ###

> **1、异步 **
> 
> 报文发送和接收是分开的，相互独立的，互不影响。这种方式又分两种情况： 
> 
> (1)异步双工：接收和发送在同一个程序中，由两个不同的子进程分别负责发送和接收 
> 
> (2)异步单工：接收和发送是用两个不同的程序来完成。   
> **2、同步 **
> 
> 报文发送和接收是同步进行，既报文发送后等待接收返回报文。 同步方式一般需要考虑超时问题，即报文发出去后不能无限等待，需要设定超时时间，超过该时间发送方不再等待读返回报文，直接通知超时返回。

在长连接中一般是没有条件能够判断读写什么时候结束，所以必须要加长度报文头。读函数先是读取报文头的长度，再根据这个长度去读相应长度的报文。

### 单工、半双工和全双工 ###

根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。**在计算机网络中主要采用双工方式**，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采用全双工方式。

>  1. 单工(Simplex)方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。  
> 
>  2. 半双工(Half Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。   
> 
> 3. 全双工(Full Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。