Socket通信原理(1)

最近在捣鼓树莓派，实验室要用树莓派做图像处理后回传数据到计算机，所以开始学习socket相关知识，这一篇文章主要是计算机网络通信基础。

TCP/IP、UDP

在开始之前，先听两个笑话😏

TCP

> “嗨，我想听一个 TCP 的笑话。” //第一次握手

> “你好，你想听 TCP 的笑话么？” //第二次握手

> “嗯，我想听一个 TCP 的笑话。” //第三次握手

> “好的，我会给你讲一个TCP 的笑话。”

> “好的，我会听一个TCP 的笑话。”

> “你准备好听一个TCP 的笑话么？”

> “嗯，我准备好听一个TCP 的笑话”

> “OK，那我要发 TCP 笑话了。大概有 10 秒，20 个字。”

> “嗯，我准备收你那个 10 秒时长，20 个字的笑话了。”

> “抱歉，你的链接超时了。你好，你想听 TCP 的笑话么？”

UDP

> 我给你们讲个UDP的笑话吧！

> 我给你们讲个UDP的笑话吧！

> 我给你们讲个UDP的笑话吧！

> 我给你们讲个UDP的笑话吧！

学完之后，发现这两个笑话很好的表示出了两种协议的通信方式，来看看

TCP/IP，即传输控制协议/网间协议，是互联网相关各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。UDP是与TCP相对应的协议，属于TCP/IP协议族中的一种

OSI七层模型

OSI是一个理想的模型，一般的网络系统只涉及其中的几层，在七层模型中，每一层都提供一个特殊 的网络功能。

OSI

从网络角度观察：

  • 下面四层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输和交换功能， 即以节点到节点之间的通信为主

  • 第四层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分

  • 上三层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

简言之，下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能

协议关系

TCP/IP与OSI

协议

TCP/IP协议族包括应用层、运输层、网络层、链路层，分层后设计相对简单

数据链路层负责接收IP数据包并通过网络发送，或从网络上接受物理帧，抽出IP数据包，交给IP层

网络层负责相邻计算机之间的通信，功能包括：

  • 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
  • 处理剩下的数据报，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
  • 处理路径、流控、拥塞等问题

传输层提供应用程序间的通信，功能包括：

  • 格式化信息流
  • 提供可靠传输，TCP和UDP协议就是为了实现这个而存在

应用层为用户提供常用应用程序

TCP

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP为了保证报文传输的可靠，给每个包一个序号，同时序号保证了传送到接收端实体的包的按序接受

接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）， 如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，则对应数据将会被重传

建立连接

使用三次握手协议建立连接，就如前面的笑话开始时的交流确认，客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立

三次握手流程图

  • 第一次握手：客户端SYN标志位置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据报发送给服务端，客户端进入SYS_SENT状态，等待服务端确认

  • 第二次握手：服务端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务端将标志位、SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务端进入SYN_RCVD状态。

  • 第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，若正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务端，服务端检查ack是否为K+1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后就可以传输数据了

断开连接

断开一个TCP连接，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在Socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，又称四次挥手

四次挥手流程图

  • 第一次挥手：客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态

  • 第二次挥手：服务端收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务端进入CLOSE_WAIT状态

  • 第三次挥手：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态

  • 第四次挥手：客户端收到FIN后，客户端进入TIME_WAIT状态，紧接着发送一个ACK到服务端，确认序号为收到序号+1,服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手

UDP

非连接的协议，传输数据之前源端与终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。

在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽 的限制

在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

相比TCP就是无需建立链接，结构简单，无法保证正确性，容易丢包

Socket

前面的图中没有Socket存在，看下图：

Socket

什么是Socket

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

流程

**服务器端：**服务端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。

**客户端：**若有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，连接建立。

客户端发送数据请求，服务端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束

理论学习基本完成，接下来在计算机本地实现通信

socket
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