【进阶之路】网络编程中的Socket、TCPu002FIP与HTTP

2022-11-28 20:51:19 浏览数 (1)

导言

大家好，我是南橘，从接触java到现在也有差不多两年时间了，两年时间，从一名连java有几种数据结构都不懂超级小白，到现在懂了一点点的进阶小白，学到了不少的东西。知识越分享越值钱，我这段时间总结（包括从别的大佬那边学习，引用）了一些平常学习和面试中的重点（自我认为），希望给大家带来一些帮助

一、socket和TCP/IP协议

1、什么是socket

socket是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

要理解socket，就需要理解TCP/IP协议，两者之间的关系，就如同驿站和和驰道一般。

2、TCP/IP协议

OSI模型：

目前实际使用的网络模型是 TCP/IP 模型，它对 OSI 模型进行了简化。它把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

传输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的

3、理解socket

我们平常使用网络传输信息，是将程序产生的数据一层层地往下传输，最后传输到互联网中。数据每向下一层，就会通过这一层的协议进行包装，等程序发送到网上，已经像俄罗斯套娃一般多了四层包装。

而其他的用户接收数据包的时候，也会从网络结构层一层一层的向上传输，同时也一层一层地拆开包装，最后回到应用层，就得到了程序锁需要的数据。

给数据加包装的过程，实际上就是在数据的头部增加一个标志（一个数据块），表示数据经过了这一层，我已经处理过了。给数据拆包装的过程正好相反，就是去掉数据头部的标志，让它逐渐现出原形。

两台计算机进行通信时，必须遵守以下原则：

  • 必须是同一层次进行通信，比如，A计算机的应用层和B计算机的传输层就不能通信，因为它们不在一个层次，数据的拆包会遇到问题。
  • 每一层的功能都必须相同，也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同，那不就乱套了，谁都不认识谁。
  • 数据只能逐层传输，不能跃层。
  • 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务。

我们所说的Socket在应用层与传输层之间，传输层将底层的服务提供给socket抽象层，socket抽象层再提供给应用层，通过这个办法来进行数据传递。

二、TCP/IP结构与三次握手、四次挥手

1、TCP数据报结构：

  1. 序号：Seq（Sequence Number）序号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记。
  2. 确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq 1。
  3. 标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
  • URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  • ACK：确认序号有效。
  • PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  • RST：重置连接。
  • SYN：建立一个新连接。
  • FIN：断开一个连接。

2、连接的建立（三次握手）

使用 connect() 建立连接时，客户端和服务器端会相互发送三个数据包

客户端调用socket() 函数创建套接字后，因为没有建立连接，所以套接字处于CLOSED状态；服务器端调用 listen()函数后，套接字进入LISTEN状态，开始监听客户端请求。

这个时候，客户端开始发起请求：

    1. 当客户端调用 connect() 函数后，TCP协议会组建一个数据包，并设置 SYN 标志位，表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000，填充“序号（Seq）”字段，表示该数据包的序号。完成这些工作，开始向服务器端发送数据包，客户端就进入了SYN-SEND状态。
    1. 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 标志位，就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包，并设置 SYN 和 ACK 标志位，SYN 表示该数据包用来建立连接，ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。 服务器生成一个随机数 2000，填充“序号（Seq）”字段。2000 和客户端数据包没有关系。 服务器将客户端数据包序号1000 1，得到1001，并用这个数字填充“确认号（Ack）”字段。 服务器将数据包发出，进入SYN-RECV状态。
    1. 客户端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位，就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 1000 1，如果是就说明连接建立成功。 接下来，客户端会继续组建数据包，并设置 ACK标志位，表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时，将刚才服务器发来的数据包 序号2000 1，得到 2001，并用这个数字来填充“确认号（Ack）”字段。 客户端将数据包发出，进入ESTABLISED状态，表示连接已经成功建立。
    1. 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 ACK 标志位，就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 2000 1，如果是就说明连接建立成功，服务器进入ESTABLISED状态。 至此，客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态，连接建立成功，接下来就可以收发数据了。

说明

三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包，这个目标就是通过“确认号（Ack）”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq，待收到对方的数据包后，检测“确认号（Ack）”字段，看Ack = Seq 1是否成立，如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。

3、连接的断开（四次挥手）

建立连接后，客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时，客户端发起断开连接的请求：

    1. 客户端调用close() 函数后，向服务器发送 FIN 数据包，进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写，表示完成任务需要断开连接。
    1. 服务器收到数据包后，检测到设置了 FIN 标志位，知道要断开连接，于是向客户端发送“确认包”，进入CLOSE_WAIT状态。

注意：服务器收到请求后并不是立即断开连接，而是先向客户端发送“确认包”，告诉它我知道了，我需要准备一下才能断开连接。

    1. 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器准备完毕后再次发送数据包。
    1. 等待片刻后，服务器准备完毕，可以断开连接，于是再主动向客户端发送 FIN 包，告诉它我准备好了，断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。
    1. 客户端收到服务器的 FIN 包后，再向服务器发送 ACK 包，告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。
    1. 服务器收到客户端的 ACK 包后，就断开连接，关闭套接字，进入CLOSED状态。

客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态，而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接，这是为什么呢？

TCP 是面向连接的传输方式，必须保证数据能够正确到达目标机器，不能丢失或出错，而网络是不稳定的，随时可能会毁坏数据，所以机器A每次向机器B发送数据包后，都要求机器B”确认“，回传ACK包，告诉机器A我收到了，这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包，机器A会重新发送，直到机器B回传ACK包。

客户端最后一次向服务器回传ACK包时，有可能会因为网络问题导致服务器收不到，服务器会再次发送 FIN 包，如果这时客户端完全关闭了连接，那么服务器无论如何也收不到ACK包了，所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。

三、HTTPS和HTTP

1、介绍

超文本传输协议HTTP协议被用于在Web浏览器和网站服务器之间传递信息，HTTP协议以明文方式发送内容，不提供任何方式的数据加密，如果攻击者截取了Web浏览器和网站服务器之间的传输报文，就可以直接读懂其中的信息。

安全套接字层超文本传输协议HTTPS，为了数据传输的安全，HTTPS在HTTP的基础上加入了SSL/TLS协议，SSL/TLS依靠证书来验证服务器的身份，并为浏览器和服务器之间的通信加密。

HTTPS协议是由SSL/TLS HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比http协议安全。

HTTPS协议的主要作用可以分为两种：

  • 一种是建立一个信息安全通道，来保证数据传输的安全；
  • 另一种就是确认网站的真实性。

2、HTTPS和HTTP的主要区别

  • 1、https协议需要到CA申请证书，一般免费证书较少，因而需要一定费用。
  • 2、http是超文本传输协议，信息是明文传输，https则是具有安全性的ssl/tls加密传输协议。
  • 3、http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。
  • 4、http的连接很简单，是无状态的；HTTPS协议是由SSL/TLS HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，比http协议安全。

3、HTTP方式与Web服务器通信

第一步：建立TCP/IP连接，客户端与服务器通过Socket三次握手进行连接

第二步：客户端向服务端发起HTTP请求（例如：POST/login.html http/1.1）

第三步：客户端发送请求头信息，请求内容，最后会发送一空白行，标示客户端请求完毕

第四步：服务器做出应答，表示对于客户端请求的应答，例如：HTTP/1.1 200 OK

第五步：服务器向客户端发送应答头信息

第六步：服务器向客户端发送请求头信息后，也会发送一空白行，标示应答头信息发送完毕，接着就以Content-type要求的数据格式发送数据给客户端

第七步：服务端关闭TCP连接，如果服务器或者客户端增Connection:keep-alive就表示客户端与服务器端继续保存连接，在下次请求时可以继续使用这次的连接

4、HTTPS方式与Web服务器通信

第一步：客户使用https的URL访问Web服务器，要求与Web服务器建立SSL连接。

第二步：Web服务器收到客户端请求后，会将网站的证书信息（证书中包含公钥）传送一份给客户端。

第三步：客户端的浏览器与Web服务器开始协商SSL/TLS连接的安全等级，也就是信息加密的等级。

第四步：客户端的浏览器根据双方同意的安全等级，建立会话密钥，然后利用网站的公钥将会话密钥加密，并传送给网站。

第五步：Web服务器利用自己的私钥解密出会话密钥。

第六步：Web服务器利用会话密钥加密与客户端之间的通信。

四、TCP与UDP

讲了HTTP和HTTPS，顺便再和大家一起回忆一下TCP与UDP。

TCP 是面向连接的传输协议，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次握手，中间传输数据时也要回复 ACK 包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

UDP 是非连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要 ACK 包确认。

如果只考虑可靠性，TCP 的确比 UDP 好。

但 UDP 在结构上比 TCP 更加简洁，不会发送 ACK 的应答消息，也不会给数据包分配 Seq 序号，所以 UDP 的传输效率有时会比 TCP 高出很多，编程中实现 UDP 也比 TCP 简单。

UDP 的可靠性虽然比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁，在更加重视传输效率而非可靠性的情况下，UDP 是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信，就非常适合采用 UDP 协议。通信时数据必须高效传输才不会产生“卡顿”现象，用户体验才更加流畅，如果丢失几个数据包，视频画面可能会出现“雪花”，音频可能会夹带一些杂音，这些都是无妨的。

与 UDP 相比，TCP 的生命在于流控制，这保证了数据传输的正确性。

TCP 的速度无法超越 UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近 UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

结语

这一篇文章我们一起回忆了 Socket、TCP/IP和HTTP/HTTPS等技术。虽然在平常的编程中运用不到这些东西，但是了解他们对我们对于互联网编程的理解会更上一层楼。

同时需要思维导图的话，可以联系我，毕竟知识越分享越香！

udp http https 网络安全

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