TCP的介绍

TCP也叫传输控制协议(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC 793定义。
1、TCP 中常说的握手指的是:连接的定义和连接的建立的过程。IP 协议是无连接的,但是 TCP 是有链接的。

2、端口:数据链路层依靠 mac 地址寻址,网络接口层依靠 ip 地址寻址,传输层依靠端口号寻址,端口就是应用层的各种协议进程和传输实体之间进行层间交换的地址。

3、端口号:标识不同进程的号码,16位,2的16次方个,只在本地有意义。一共有三类,一是保留端口,比如 ftp 是21,20,dns 是53,http 是80端口,smtp 是25等。二是登记端口,三是客户端端口号,也叫临时端口(前两者叫服务端端口)

4、套接字:主机 ip+端口号组成,只有通过 ip 地址和端口号,才唯一确定一个连接的端口。唯一的标识了网络里的某台主机中的某个应用进程。
5、tcp就是传输控制协议,实现的是面向连接的服务,向上提供了一条全双工的可靠的逻辑信道,可靠交付,开销大,注意,tcp 的连接通道是逻辑 上的,对路由器不可见,类似虚电路。

tcp 连接的三段:

建立,传送,释放。连接的端点叫 socket(套接字),被唯一的通信两端点确定,采用的是 cs 架构(客户服务器模型),tcp 传输连接的建立采用的是三次握手(可以防止报文段在传输过连接建立中出错)

tcp三次握手的最主要目的是保证连接是双工的,可靠更多的是通过重传机制来保证的。

TCP协议

第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;
第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器 进入SYN_RECV状态;
第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入 ESTABLISHED状态,完成三次握手。

通过这样的三次握手,客户端与服务端建立起可靠的双工的连接,开始传送数据。

为了保证服务端能收接受到客户端的信息并能做出正确的应答而进行前两次(第一次和第二次)握手,为了保证客户端能够接收到服务端的信息并能做出正确的应答而进行后两次(第二次和第三次)握手。


UDP介绍

用户数据报协议,实现的是无连接服务,无确认,不可靠的交付,开销小,时延短,没有拥塞控制,主要应用于实时应用,比如 ip 电话,qq,视频会议等。udp 数据报仅仅是 ip 数据报的一部分。

TCP与UDP区别总结:

1、TCP面向连接(如打电话要先拨号建立连接);UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP提供可靠的服务。也就是说,通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,且按序到达;UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付

3、TCP面向字节流,实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的

UDP没有拥塞控制,因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低(对实时应用很有用,如IP电话,实时视频会议等)

4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一,一对多,多对一和多对多的交互通信

5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小,只有8个字节
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道,UDP则是不可靠信道

TCP的特点

1、面向连接

✦ TCP通信需要经过创建连接、数据传送、终止连接三个步骤。

✦ 在通信开始之前,先建立相关的链接,才能发送数据,类似于生活中,"打电话"。

✦ 完成数据交换后,双方必须断开此连接,以释放系统资源。

✦ 这种连接是一对一的,因此TCP不适用于广播的应用程序,基于广播的应用程序请使用UDP协议。

2、可靠传输

✦ TCP发送的每个报文段都必须得到接收方的应答才认为这个TCP报文段传输成功

✦ 发送端发出一个报文段之后就启动定时器,如果在定时时间内没有收到应答就重新发送这个报文段。

✦ TCP为了保证不发生丢包,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。

✦ TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误,在发送和接收时都要计算校验和。

TCP的优点: 可靠,稳定 TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前,会有三次握手来建立连接,而且在数据传递时,有确认、窗口、重传、拥塞控制机制,在数据传完后,还会断开连接用来节约系统资源。

           TCP的缺点: 慢,效率低,占用系统资源高,易被 TCP在传递数据之前,要先建连接,这会消耗时间,而且在数据传递时,确认机制、重传机制、拥塞控制机制等都会消耗大量的时间,而且要在每台设备上维护所有的传输连接,事实上,每个连接都会占用系统的CPU、内存等硬件资源。 而且,因为TCP有确认机制、三次握手机制,这些也导致TCP容易被人利用,实现DOS、DDOS、CC等。

          UDP的优点: 快,比TCP稍安全 UDP没有TCP的握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制,UDP是一个无状态的传输协议,所以它在传递数据时非常快。没有TCP的这些机制,UDP较TCP被者利用的漏洞就要少一些。但UDP也是无法避免的,比如:UDP Flood***……

          UDP的缺点: 不可靠,不稳定 因为UDP没有TCP那些可靠的机制,在数据传递时,如果网络质量不好,就会很容易丢包。 基于上面的优缺点,那么: 什么时候应该使用TCP: 当对网络通讯质量有要求的时候,比如:整个数据要准确无误的传递给对方,这往往用于一些要求可靠的应用,比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议,POP、SMTP等邮件传输的协议。 

       常见使用TCP协议的应用如下: 浏览器,用的HTTP FlashFXP,用的FTP Outlook,用的POP、SMTP Putty,用的Telnet、SSH QQ文件传输

       UDP: 当对网络通讯质量要求不高的时候,要求网络通讯速度能尽量的快,这时就可以使用UDP。 比如,日常生活中,常见使用UDP协议的应用如下: QQ语音 QQ视频 TFTP

TCP通信模型

TCP通信模型中,在通信开始之前,一定要先建立相关的链接,才能发送数据,类似于生活中,"打电话"

TCP协议

OSI 计算机网络7层模型

TCP协议

TCP/IP四层网络模型

TCP协议

TCP客户端构建流程

比如一个人想打10086求助人工服务。 tcp的客户端要比服务器端简单很多,客户端只需要找一个电话亭,拿起电话拨打即可。

示例代码:

1from socket import *
2
3# 创建socket
4tcp_client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
5
6# 目的信息
7server_ip = input("请输入服务器ip:")
8server_port = int(input("请输入服务器port:"))
9
10# 链接服务器
11tcp_client_socket.connect((server_ip, server_port))
12
13# 提示用户输入数据
14send_data = input("请输入要发送的数据:")
15
16tcp_client_socket.send(send_data.encode("gbk"))
17
18# 接收对方发送过来的数据,最大接收1024个字节
19recvData = tcp_client_socket.recv(1024)
20print('接收到的数据为:', recvData.decode('gbk'))
21
22# 关闭套接字
23tcp_client_socket.close()

TCP服务端构建流程
TCP协议

在程序中,要完成一个tcp服务器的功能,需要的流程如下:

socket创建一个套接字;
bind绑定ip和port;
listen使套接字变为可以被动套接字;
accept取出一个客户端连接 用以服务;
recv/send接收发送数据;
示例代码

1from socket import *
2
3# 创建socket
4tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
5
6# 本地信息
7address = ('', 7788)
8
9# 绑定
10tcp_server_socket.bind(address)
11
12# 使用socket创建的套接字
13tcp_server_socket.listen(128)
14
15# 如果有新的客户端来链接服务器,那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
16client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
17
18# 接收对方发送过来的数据
19recv_data = client_socket.recv(1024)
20print('接收到的数据为:', recv_data.decode('gbk'))
21
22# 发送一些数据到客户端
23client_socket.send("thank you !".encode('gbk'))
24
25# 关闭为这个客户端服务的套接字
26client_socket.close()

TCP的3次握手

SYN

请求建立连接字段:1表示与对方要进行网络连接建立 ,0 表示默认没有连接建立请求。

ACK

确认控制字段:1表示上一次发送的数据对方接收了,0 表示没有接收到上次发送的数据信息。

seq

随机序列号。

TCP的4次挥手

FIN

请求断开连接字段:1表示与对方断开网络连接,0 表示默认没有断开连接请求。

ack

随机序号回复(ack=seq+1)。

ctl

控制字段号。

TCP的11种状态集

tcp/ip协议簇

为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来,就必须规定一套全球通用的协议,为了实现互联网这个目标,互联网协议族(Internet Protocol Suite)就是通用协议标准。
互联网协议包含了上百种,最重要的是TCP和IP协议,所以,互联网的协议简称TCP/IP协议(族)

                                                       TCP/IP协议传输示意图

TCP协议