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Net10 - 传输层协议 (Socket + UDP)

codeNet八股约 1648 字大约 5 分钟

传输层

Socket

即套接字，是应用层 与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，表现为一个封装了 TCP / IP协议族 的编程接口（API）

Socket是一个编程接口，让你不用关心TCP/IP协议细节，直接调用函数就能收发数据

类型协议特点用途
TCP SocketTCP可靠、有序、面向连接HTTP、邮件、FTP
UDP SocketUDP快速、无连接视频直播、在线游戏、DNS

对用户来说，只需调用Socket去组织数据，以符合指定的协议，即可通信

流程

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  • 服务端和客户端初始化 socket，得到文件描述符；
  • 服务端调用 bind，将 socket 绑定在指定的 IP 地址和端口;
  • 服务端调用 listen，进行监听；
  • 服务端调用 accept，等待客户端连接；
  • 客户端调用 connect，向服务端的地址和端口发起连接请求；
  • 服务端 accept 返回用于传输的 socket 的文件描述符；
  • 客户端调用 write 写入数据；服务端调用 read 读取数据；
  • 客户端断开连接时，会调用 close，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF，待处理完数据后，服务端调用 close，表示连接关闭。

这里需要注意的是，服务端调用 accept 时，连接成功了会返回一个已完成连接的 socket，后续用来传输数据。

所以，监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是「两个」 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已完成连接 socket。

成功连接建立之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

listen 时候参数 backlog 的意义

Linux内核中会维护两个队列：

  • 半连接队列（SYN 队列）：接收到一个 SYN 建立连接请求，处于 SYN_RCVD 状态；
  • 全连接队列（Accpet 队列）：已完成 TCP 三次握手过程，处于 ESTABLISHED 状态；

accept 发生在三次握手的哪一步

时间线：

T1: 服务器程序创建监听Socket
    listen_socket.bind("0.0.0.0", 80)
    listen_socket.listen()
    ↓
    内核：在端口80上建立一个"接收队列"

T2: 客户端发送SYN
    ↓
T3: 内核自动回复SYN-ACK（三次握手发生在内核）
    ↓
T4: 客户端发送ACK
    ↓
    内核：三次握手完成！创建一个新的Socket，
         放入"接收队列"

T5: 服务器程序调用accept()
    client_socket = listen_socket.accept()
    ↓
    内核：把已连接的Socket返回给应用程序
    ↓
    应用程序现在拿到了client_socket
  • 客户端的协议栈向服务端发送了 SYN 包，并告诉服务端当前发送序列号 client_isn，客户端进入 SYN_SENT 状态；
  • 服务端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 client_isn+1，表示对 SYN 包 client_isn 的确认，同时服务端也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 server_isn，服务端进入 SYN_RCVD 状态；
  • 客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务端的 SYN 包进行应答，应答数据为 server_isn+1；
  • ACK 应答包到达服务端后，服务端的 TCP 连接进入 ESTABLISHED 状态，同时服务端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务端到客户端的单向连接也建立成功。至此，客户端与服务端两个方向的连接都建立成功。

从上面的描述过程，我们可以得知客户端 connect 成功返回是在第二次握手，服务端 accept 成功返回是在三次握手成功之后

UDP

UDP协议特点

  • UDP是无连接的传输层协议；
  • UDP使用尽最大努力交付，不保证可靠交付；
  • UDP是面向报文的，对应用层交下来的报文，不合并，不拆分，保留原报文的边界；
  • UDP没有拥塞控制，因此即使网络出现拥塞也不会降低发送速率；
  • UDP支持一对一　一对多　多对多的交互通信；
  • UDP的首部开销小，只有８字节

TCP 与 UDP 对比

特性TCPUDP
连接性面向连接无连接
可靠性可靠不可靠 (尽力而为)
状态维护有状态无状态
传输效率较低较高
传输形式面向字节流面向数据报 (报文)
头部开销20 - 60 字节8 字节
通信模式点对点 (单播)单播、多播、广播
常见应用HTTP/HTTPS, FTP, SMTP, SSHDNS, DHCP, SNMP, TFTP, VoIP, 视频流
  • TCP是可靠传输，UDP是不可靠传输;
  • TCP面向连接，UDP无连接;
  • TCP传输数据有序，UDP不保证数据的有序性;
  • TCP不保存数据边界，UDP保留数据边界;
  • TCP传输速度相对UDP较慢;
  • TCP有流量控制和拥塞控制，UDP没有;
  • TCP是重量级协议，UDP是轻量级协议;
  • TCP首部较长20字节，UDP首部较短８字节;

基于TCP和UDP的常用协议

HTTP、HTTPS、FTP、TELNET、SMTP(简单邮件传输协议)协议基于可靠的TCP协议。

TFTP、DNS、DHCP、TFTP、SNMP(简单网络管理协议)、RIP基于不可靠的UDP协议

报文段

UDP的报文段共有2个字段：数据字段 + 首部字段

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UDP报文中每个字段的含义如下：

  • 源端口：这个字段占据 UDP 报文头的前 16 位，通常包含发送数据报的应用程序所使用的 UDP 端口，接收端的应用程序利用这个字段的值作为发送响应的目的地址，这个字段是可选的，所以发送端的应用程序不一定会把自己的端口号写入该字段中，如果不写入端口号，则把这个字段设置为 0，这样，接收端的应用程序就不能发送响应了。
  • 目的端口：接收端计算机上 UDP 软件使用的端口，占据 16 位。
  • 长度：该字段占据 16 位，表示 UDP 数据报长度，包含 UDP 报文头和 UDP 数据长度，因为 UDP 报文头长度是 8 个字节，所以这个值最小为 8。
  • 校验值：该字段占据 16 位，可以检验数据在传输过程中是否被损坏
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