深入解析TCP、UDP与HTTP协议：核心概念与面试要点

1、TCP/IP

是个协议组&＃xff0c;从下往上可分为&＃xff1a;网络接口层、网络层、传输层和应用层。

• 在网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。
• 在传输层中有TCP协议与UDP协议。
• 在应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、POP3、DNS等协议。

HTTP本身就是一个协议&＃xff0c;是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

2、TCP与UDP

TCP&＃xff08;Transmission Control Protocol&＃xff0c;传输控制协议&＃xff09;是基于连接的协议&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;在正式收发数据前&＃xff0c;必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次握手才能建立起来。

UDP&＃xff08;User Data Protocol&＃xff0c;用户数据报协议&＃xff09;是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议&＃xff0c;它不与对方建立连接&＃xff0c;而是直接就把数据包发送过去&＃xff01;

UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。比如&＃xff0c;我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常&＃xff0c;其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包&＃xff0c;然后对方主机确认收到数据包&＃xff0c;如果数据包是否到达的消息及时反馈回来&＃xff0c;那么网络就是通的。

Tcp协议和Udp协议的差别

3、HTTP协议

是建立在请求/响应模型上的。首先由客户建立一条与服务器的TCP链接&＃xff0c;并发送一个请求到服务器&＃xff0c;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。服务器响应一个状态行&＃xff0c;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。
HTTP/1.0为每一次HTTP的请求/响应建立一条新的TCP链接&＃xff0c;因此一个包含HTML内容和图片的页面将需要建立多次的短期的TCP链接。一次TCP链接的建立将需要3次握手。
另外&＃xff0c;为了获得适当的传输速度&＃xff0c;则需要TCP花费额外的回路链接时间&＃xff08;RTT&＃xff09;。每一次链接的建立需要这种经常性的开销&＃xff0c;而其并不带有实际有用的数据&＃xff0c;只是保证链接的可靠性&＃xff0c;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&＃xff0c;因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

这里有必要再讲一下TCP三次握手的过程&＃xff08;建立连接&＃xff09;&＃xff1a;

第一次握手&＃xff1a;建立连接时&＃xff0c;客户端发送syn包&＃xff08;syn&＃61;j&＃xff09;到服务器&＃xff0c;并进入SYN_SENT状态&＃xff0c;等待服务器确认&＃xff1b;SYN&＃xff1a;同步序列编号&＃xff08;Synchronize Sequence Numbers&＃xff09;。

第二次握手&＃xff1a;服务器收到syn包&＃xff0c;必须确认客户的SYN&＃xff08;ack&＃61;j&＃43;1&＃xff09;&＃xff0c;同时自己也发送一个SYN包给客户端&＃xff08;syn&＃61;k&＃xff09;&＃xff0c;即SYN&＃43;ACK包&＃xff0c;此时服务器进入SYN_RECV状态&＃xff1b;ACK:确认字符(Acknowledgement)

第三次握手&＃xff1a;客户端收到服务器的SYN&＃43;ACK包&＃xff0c;向服务器发送确认包ACK(ack&＃61;k&＃43;1&＃xff09;&＃xff0c;此包发送完毕&＃xff0c;客户端和服务器进入ESTABLISHED&＃xff08;TCP连接成功&＃xff09;状态&＃xff0c;完成三次握手。

TCP的四次挥手&＃xff08;连接终止协议&＃xff09;&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09; TCP客户端发送一个FIN&＃xff0c;用来关闭客户到服务器的数据传送&＃xff0c;释放数据报文首部&＃xff0c;FIN&＃61;1&＃xff0c;客户端进入FIN-WAIT-1&＃xff08;终止等待1&＃xff09;状态。 终止FIN&＃xff1a;用来释放一个连接。FIN&＃61;1表示&＃xff1a;此报文段的发送方的数据已经发送完毕&＃xff0c;并要求释放运输连接。
&＃xff08;2&＃xff09; 服务器收到这个FIN&＃xff0c;它发回一个ACK&＃xff0c;确认序号为收到的序号加1。此时&＃xff0c;服务端就进入了CLOSE-WAIT&＃xff08;关闭等待&＃xff09;状态
&＃xff08;3&＃xff09;客户端收到服务器的确认请求后&＃xff0c;此时&＃xff0c;客户端就进入FIN-WAIT-2&＃xff08;终止等待2&＃xff09;状态&＃xff0c;等待服务器发送连接释放报文
&＃xff08;4&＃xff09; 服务器将最后的数据发送完毕后&＃xff0c;就向客户端发送连接释放报文&＃xff0c;发送一个FIN给客户端。此时&＃xff0c;服务器就进入了LAST-ACK&＃xff08;最后确认&＃xff09;状态&＃xff0c;等待客户端的确认。
&＃xff08;5&＃xff09; 客户端发回ACK报文确认&＃xff0c;并将确认序号设置为收到序号加1。此时&＃xff0c;客户端就进入了TIME-WAIT&＃xff08;时间等待&＃xff09;状态。注意此时TCP连接还没有释放&＃xff0c;必须经过2∗∗MSL&＃xff08;最长报文段寿命&＃xff09;的时间后&＃xff0c;当客户端撤销相应的TCB后&＃xff0c;才进入CLOSED状态。
&＃xff08;6&＃xff09;服务器只要收到了客户端发出的确认&＃xff0c;立即进入CLOSED状态。

常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手&＃xff0c;关闭的时候却是四次挥手&＃xff1f;

答&＃xff1a;因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后&＃xff0c;可以直接发送SYN&＃43;ACK报文。其中ACK报文是用来应答的&＃xff0c;SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时&＃xff0c;当Server端收到FIN报文时&＃xff0c;很可能并不会立即关闭SOCKET&＃xff0c;所以只能先回复一个ACK报文&＃xff0c;告诉Client端&＃xff0c;"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了&＃xff0c;我才能发送FIN报文&＃xff0c;因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态&＃xff1f;

答&＃xff1a;虽然按道理&＃xff0c;四个报文都发送完毕&＃xff0c;我们可以直接进入CLOSE状态了&＃xff0c;但是我们必须假象网络是不可靠的&＃xff0c;有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复&＃xff0c;但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK&＃xff0c;将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭&＃xff0c;它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器&＃xff0c;等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN&＃xff0c;那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间&＃xff0c;2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL&＃xff0c;Client都没有再次收到FIN&＃xff0c;那么Client推断ACK已经被成功接收&＃xff0c;则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接&＃xff1f;

答&＃xff1a;3次握手完成两个重要的功能&＃xff0c;既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)&＃xff0c;也要允许双方就初始序列号进行协商&＃xff0c;这个序列号在握手过程中被发送和确认。

       现在把三次握手改成仅需要两次握手&＃xff0c;死锁是可能发生的。作为例子&＃xff0c;考虑计算机S和C之间的通信&＃xff0c;假定C给S发送一个连接请求分组&＃xff0c;S收到了这个分组&＃xff0c;并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定&＃xff0c;S认为连接已经成功地建立了&＃xff0c;可以开始发送数据分组。可是&＃xff0c;C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下&＃xff0c;将不知道S 是否已准备好&＃xff0c;不知道S建立什么样的序列号&＃xff0c;C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下&＃xff0c;C认为连接还未建立成功&＃xff0c;将忽略S发来的任何数据分 组&＃xff0c;只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后&＃xff0c;重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接&＃xff0c;但是客户端突然出现故障了怎么办&＃xff1f;

TCP还设有一个保活计时器&＃xff0c;显然&＃xff0c;客户端如果出现故障&＃xff0c;服务器不能一直等下去&＃xff0c;白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器&＃xff0c;时间通常是设置为2小时&＃xff0c;若两小时还没有收到客户端的任何数据&＃xff0c;服务器就会发送一个探测报文段&＃xff0c;以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应&＃xff0c;服务器就认为客户端出了故障&＃xff0c;接着就关闭连接。

4、Socket是什么呢&＃xff1f;

  Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层&＃xff0c;它是一组接口。在设计模式中&＃xff0c;Socket其实就是一个门面模式&＃xff0c;它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面&＃xff0c;对用户来说&＃xff0c;一组简单的接口就是全部&＃xff0c;让Socket去组织数据&＃xff0c;以符合指定的协议。

5.TCP和HTTP中keep alive机制

HTTP协议的Keep-Alive意图在于连接复用&＃xff0c;以便在同一个连接上传送多个http&＃xff0c;提高socket的效率。

TCP的keepalive机制意图在于用来进行链路检测&＃xff0c;是TCP的一种检测TCP连接状况的保鲜机制。