初识网络编程TCP/IP

前言

刚碰到网络编程，会出现一堆协议、概念、这层次那技术的，头都大了，还是得总结总结……

相关名词解释

• ✨✨网络模型
  为了使多种设备能通过网络通信和解决不同设备在网络互联中的兼容性问题，国际标准化组织制定了开放式系统互联通信参考模型（OSI），但在实际应用上采用的是TCP/IP这种四层模型。

• 应用层：处理并打包数据
• 传输层：在网络中的两个节点之间提供可靠的数据传输服务
• 网络层：负责数据包从源到目的地的路由选择

• 协议
  互联网的本质就是一系列的网络协议，处于互联网上的两台计算机如果要实现通信，就需要遵守这些协议，比如：网线的接口类型，寻址方式，数据如何发送等一系列协议。
  网络通信是一个比较复杂的事情，需求场景复杂了，实现功能也会比较复杂。实际应用中是把这个大协议拆分成小协议(每个协议负责一部分功能)，将某些协议功能类似的小协议进一步的"分类"(“分层”)。
• ✨以太网
  以太网（Ethernet）是一种局域网（Local Area Network, LAN）技术，以太网技术本身包括了物理层和数据链路层的规范，这些规范定义了如何在局域网中传输数据帧。
• ✨✨✨IP地址
  IP地址（Internet Protocol Address）是互联网协议地址的简称，是用于在互联网上标识和定位设备的唯一数字标签。IP地址由32位（IPv4）或128位（IPv6）的二进制数组成，通常用点分十进制表示（IPv4）或冒号分隔的十六进制表示（IPv6）。
• ✨✨✨端口号
  端口号的主要作用是表示一台计算机中的特定进程所提供的服务，即用来区分一个主机上的不同程序,因此也被称为程序地址。
• ✨MAC地址
  MAC地址，全称为媒体访问控制地址（Media Access Control Address），是一种用于网络通信的唯一标识符。MAC地址通常由12位十六进制数字组成，分为6个字节，每个字节由两个十六进制数字表示，例如：00-1A-2B-3C-4D-5E。MAC地址具有全球唯一性，每个网络设备在生产时都会被分配一个唯一的MAC地址。这种唯一性确保了在网络中不会出现地址冲突，从而保证了网络通信的顺畅。MAC地址通常被烧录在网络设备的硬件上，如网卡、路由器、交换机等。
  MAC地址与IP地址相互配合，共同完成网络通信。IP地址用于在互联网上标识设备的位置，而MAC地址则用于在局域网内标识设备。当数据在局域网内传输时，主要依赖MAC地址进行寻址；而当数据需要跨越不同网络时，IP地址则起到了关键作用。通过ARP（地址解析协议），可以将IP地址解析为MAC地址，从而实现不同网络之间的通信。

应用层协议——HTTP

这是基于TCP/IP 的应用层协议，后面单独写一篇博文总结。

这里根据上图的封装过程，详细分析一下数据在各层的叫法：

• 链路层——数据帧frame
• 网络层——数据包packet
• 传输层——数据报(TCP叫segment/UDP叫datagram）
• 每层数据封装好包含了将要发送的完整的数据信息后就是报文

传输层协议

socket

套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。通过使用 Socket，可以在不同计算机之间建立连接，并进行数据的传输和交换。
Socket 可以用于实现各种网络应用，例如：

1. 客户端-服务器通信：通过 Socket，客户端可以与服务器建立连接并发送请求，服务器接收请求并返回响应。
2. 网络聊天和即时通讯：通过 Socket，可以在多个用户之间实现实时的文字、音频或视频通信。
3. 文件传输：在不同计算机之间传输文件。
4. 远程控制：在远程计算机上执行指令或操作。
5. P2P（点对点）通信：Socket 提供了直接的点对点通信接口，允许两个或多个计算机直接进行数据交换。

TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的协议，这意味着在数据传输开始之前，必须在发送端和接收端之间建立一个连接。

• 可靠传输：TCP提供可靠的数据传输服务，确保数据包正确无误地到达目的地。如果数据包在传输过程中丢失或损坏，TCP会重新发送数据包，直到接收端正确接收到所有数据。
• 数据顺序：TCP保证数据包的顺序，即使在网络中传输的路径不同，接收端也能按照发送端的顺序接收数据。
• 流量控制和拥塞控制：TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，并通过拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复）来避免网络拥塞。
• 全双工通信：TCP支持全双工通信，即数据可以在两个方向上同时传输。

帧头格式

• ACK:确认接受标志位，ACK=1为确认接受到
• SYN:建立连接时的同步标志位，SYN=1/ACK=0表是A请求与B建立连接；若B报文中SYN=1/ACK=1表示B同意和A建立连接
• FIN:请求断开连接标志位
• seq:传输报文中的数据部分的每一个字节都有它的编号，建立连接时的为初始随机序号ISN
• ack:响应端收到信息，并准备接受的下一个数据的序号（上一数据末尾序号+1）
  ❗️❗️❗️在建立连接和正常通信两个阶段，seq的计算方法不同，具体参考博客——【转载】TCP的seq和ack号计算方法

三次握手、四次挥手

• 三次握手

例子描述：A给B寄东西，B的看到消息要回复A收到了，如果B的回复A的没看到的话，会继续问B到底收到没有；A收到B的消息后，再嘱咐B一些东西细节，这样这个过程就建立完了

握手的过程实际上是在通知对方自己的初始化序号ISN，也就是上图中的x和y。x和y会被当作之后传输数据的一个依据，以保证TCP报文在传输过程中不会混乱。

• 四次挥手

描述：
1.客户端主动请求关闭通信连接
2.服务端收到请求并确认，之后一段时间仍会发送未发送完的数据
3.数据全发完后，服务端请求可以关闭连接了
4.客户端收到并确认

处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL（Maximum Segment Lifetime，指的是一个TCP报文片段在网络中最大的存活时间，具体来说，2MSL对应于一次消息的来回（一个发送和一个回复）所需的最大时间）的时间后，才真正关闭连接通道，避免因网络不可靠的，被动断开方发送FIN+ACK报文后，其主动方的ACK响应报文丢失的情况，这时候的被动断开方处于LAST-ACK状态的，由于收不到ACK确认被动方一直不能正常的进入CLOSED状态。

UDP

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议用户数据报协议）是一种无连接的协议，不需要在发送端和接收端之间建立连接，可以直接发送数据。

• 不保证可靠性：UDP不保证数据的可靠传输，如果数据包在传输过程中丢失或损坏，UDP不会重新发送数据包。
• 无数据顺序：UDP不保证数据包的顺序，接收端可能以不同于发送端的顺序接收数据。
• 无流量控制和拥塞控制：UDP没有流量控制和拥塞控制机制，因此它不适合需要这些机制的应用。
• 半双工或简单全双工通信：UDP通常支持半双工通信，但也可以支持全双工通信。
• 开销较小：UDP不需要建立连接和维护连接状态，因此它的开销比TCP小，适用于对实时性要求高的应用，如视频会议、在线游戏等。

TCP的socket实现

注:这部分的代码涉及IO流，还没学，先不贴了

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参考博文

【通信协议】帧、数据报、数据包的区别和联系
一文带你了解socket网络编程以及详解过程和原理
Socket的详细介绍
TCP网络编程中connect()、listen()和accept()三者之间的关系
一文讲透TCP/IP协议 | 图解+秒懂+史上最全
详解 TCP 连接的“ 三次握手 ”与“ 四次挥手 ”