SOCKET,TCP/UDP,HTTP,FTP

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SOCKET,TCP/UDP,HTTP,FTP

(一)TCP/UDP,SOCKET,HTTP,FTP简析

TCP/IP是个协议组,可分为三个层次:网络层、传输层和应用层:

网络层:IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议

传输层:TCP协议与UDP协议

应用层:FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议

HTTP是应用层协议,其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用SOCKET实现HTTP。

SOCKET是实现传输层协议的一种编程API,可以是TCP,也可以是UDP。

(二)Socket连接与HTTP连接区别

【Socket】

由于通常情况下Socket连接就是TCP连接,因此Socket连接一旦建立,通信双方即可开始相互发送数据内容,直到双方连接断开。但在实际网络应用中,客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点,例如路由器、网关、防火墙等,大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致 Socket 连接断连,因此需要通过轮询告诉网络,该连接处于活跃状态。

【Http】

HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用,HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式,不仅在请求时需要先建立连接,而且需要客户端向服务器发出请求后,服务器端才能回复数据。在请求结束后,会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接,因此HTTP连接是一种“短连接”,要保持客户端程序的在线状态,需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即时不需要获得任何数据,客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求,服务器在收到该请求后对客户端进行回复,表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求,则认为客户端“下线”,若客户端长时间无法收到服务器的回复,则认为网络已经断开。

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,并发送一个请求到服务器,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,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。

【适用情况】

很多情况下,需要服务器端主动向客户端推送数据,保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接,服务器就可以直接将数据传送给客户端;

若双方建立的是HTTP连接,则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端,因此,客户端定时向服务器端发送连接请求,不仅可以保持在线,同时也是在“询问”服务器是否有新的数据,如果有就将数据传给客户端。

【SOCKET原理】

(1)套接字(socket)概念:

套接字(socket)是通信的基石,是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示,包含进行网络通信必须的五种信息:连接使用的协议,本地主机的IP地址,本地进程的协议端口,远地主机的IP地址,远地进程的协议端口。

应用层通过传输层进行数据通信时,TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接,许多计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口,区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信,实现数据传输的并发服务。

(2)建立socket连接:

建立Socket连接至少需要一对套接字,其中一个运行于客户端,称为ClientSocket ,另一个运行于服务器端,称为ServerSocket 。

套接字之间的连接过程分为三个步骤:服务器监听,客户端请求,连接确认。

服务器监听:服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字,而是处于等待连接的状态,实时监控网络状态,等待客户端的连接请求

客户端请求:指客户端的套接字提出连接请求,要连接的目标是服务器端的套接字。为此,客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套接字的地址和端口号,然后就向服务器端套接字提出连接请求。

连接确认:当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时,就响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,把服务器端套接字的描述发给客户端,一旦客户端确认了此描述,双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态,继续接收其他客户端套接字的连接请求。

(3)SOCKET连接与TCP连接

创建Socket连接时,可以指定使用的传输层协议,Socket可以支持不同的传输层协议(TCP或UDP),当使用TCP协议进行连接时,该Socket连接就是一个TCP连接。

(三)TCP 与 UDP

【概念】

TCP --- 传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前,必须先在双方之间建立一个TCP连接,之后才能传输数据。TCP提供超时重发,丢弃重复数据,检验数据,流量控制等功能,保证数据能从一端传到另一端。 理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接前,TCP 连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求

UDP --- 用户数据报协议,是一个无连接的简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性,它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,故而传输速度很快

【适用情况】

TCP发送的包有序号,对方收到包后要给一个反馈,如果超过一定时间还没收到反馈就自动执行超时重发,因此TCP最大的优点是可靠。一般网页(http)、邮件(SMTP)、远程连接(Telnet)、文件(FTP)传送就用TCP

UDP是面向消息的协议,通信时不需要建立连接,数据的传输自然是不可靠的,UDP一般用于多点通信和实时的数据业务,比如语音广播、视频、QQ、TFTP(简单文件传送)、SNMP(简单网络管理协议)、RTP(实时传送协议)RIP(路由信息协议,如报告股票市场,航空信息)、DNS(域名解释)。注重速度流畅。

【TCP连接的三次握手】

要了解TCP,一定要知道"三次握手,四次拜拜"所谓的三次握手,就是发送数据前必须建立的连接叫三次握手,握手完了才开始发的,这也就是面向连接的意思。

第一次握手: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。

(四)FTP

文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)是TCP/IP网络上两台计算机传送文件的协议,FTP是在TCP/IP网络和INTERNET上最早使用的协议之一,它属于网络协议组的应用层。FTP客户机可以给服务器发出命令来下载文件,上载文件,创建或改变服务器上的目录。

HTTP长连接和短连接

1. HTTP协议与TCP/IP协议的关系

HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。HTTP属于应用层协议,在传输层使用TCP协议,在网络层使用IP协议。IP协议主要解决网络路由和寻址问题,TCP协议主要解决如何在IP层之上可靠的传递数据包,使在网络上的另一端收到发端发出的所有包,并且顺序与发出顺序一致。TCP有可靠,面向连接的特点。

2. 如何理解HTTP协议是无状态的

HTTP协议是无状态的,指的是协议对于事务处理没有记忆能力,服务器不知道客户端是什么状态。也就是说,打开一个服务器上的网页和你之前打开这个服务器上的网页之间没有任何联系。HTTP是一个无状态的面向连接的协议,无状态不代表HTTP不能保持TCP连接,更不能代表HTTP使用的是UDP协议(无连接)。

3. 什么是长连接、短连接?

在HTTP/1.0中,默认使用的是短连接。也就是说,浏览器和服务器每进行一次HTTP操作,就建立一次连接,但任务结束就中断连接。如果客户端浏览器访问的某个HTML或其他类型的 Web页中包含有其他的Web资源,如JavaScript文件、图像文件、CSS文件等;当浏览器每遇到这样一个Web资源,就会建立一个HTTP会话。

但从HTTP/1.1起,默认使用长连接,用以保持连接特性。使用长连接的HTTP协议,会在响应头有加入这行代码:

Connection:keep-alive

在使用长连接的情况下,当一个网页打开完成后,客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的 TCP连接不会关闭,如果客户端再次访问这个服务器上的网页,会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接,它有一个保持时间,可以在不同的服务器软件(如Apache)中设定这个时间。实现长连接要客户端和服务端都支持长连接。

HTTP协议的长连接和短连接,实质上是TCP协议的长连接和短连接。

3.1 TCP连接

当网络通信时采用TCP协议时,在真正的读写操作之前,server与client之间必须建立一个连接,当读写操作完成后,双方不再需要这个连接 时它们可以释放这个连接,连接的建立是需要三次握手的,而释放则需要4次握手,所以说每个连接的建立都是需要资源消耗和时间消耗的

经典的三次握手示意图:

经典的四次握手关闭图:

3.2 TCP短连接

我们模拟一下TCP短连接的情况,client向server发起连接请求,server接到请求,然后双方建立连接。client向server 发送消息,server回应client,然后一次读写就完成了,这时候双方任何一个都可以发起close操作,不过一般都是client先发起 close操作。为什么呢,一般的server不会回复完client后立即关闭连接的,当然不排除有特殊的情况。从上面的描述看,短连接一般只会在 client/server间传递一次读写操作

短连接的优点是:管理起来比较简单,存在的连接都是有用的连接,不需要额外的控制手段

3.3 TCP长连接

接下来我们再模拟一下长连接的情况,client向server发起连接,server接受client连接,双方建立连接。Client与server完成一次读写之后,它们之间的连接并不会主动关闭,后续的读写操作会继续使用这个连接。

首先说一下TCP/IP详解上讲到的TCP保活功能,保活功能主要为服务器应用提供,服务器应用希望知道客户主机是否崩溃,从而可以代表客户使用资源。如果客户已经消失,使得服务器上保留一个半开放的连接,而服务器又在等待来自客户端的数据,则服务器将应远等待客户端的数据,保活功能就是试图在服务 器端检测到这种半开放的连接。

如果一个给定的连接在两小时内没有任何的动作,则服务器就向客户发一个探测报文段,客户主机必须处于以下4个状态之一:

客户主机依然正常运行,并从服务器可达。客户的TCP响应正常,而服务器也知道对方是正常的,服务器在两小时后将保活定时器复位。

客户主机已经崩溃,并且关闭或者正在重新启动。在任何一种情况下,客户的TCP都没有响应。服务端将不能收到对探测的响应,并在75秒后超时。服务器总共发送10个这样的探测 ,每个间隔75秒。如果服务器没有收到一个响应,它就认为客户主机已经关闭并终止连接。

客户主机崩溃并已经重新启动。服务器将收到一个对其保活探测的响应,这个响应是一个复位,使得服务器终止这个连接。

客户机正常运行,但是服务器不可达,这种情况与2类似,TCP能发现的就是没有收到探查的响应。

3.4长连接短连接操作过程

短连接的操作步骤是:

建立连接——数据传输——关闭连接...建立连接——数据传输——关闭连接

长连接的操作步骤是:

建立连接——数据传输...(保持连接)...数据传输——关闭连接

4. 长连接和短连接的优点和缺点

由上可以看出,长连接可以省去较多的TCP建立和关闭的操作,减少浪费,节约时间。对于频繁请求资源的客户来说,较适用长连接。不过这里存在一个问题存活功能的探测周期太长,还有就是它只是探测TCP连接的存活,属于比较斯文的做法,遇到恶意的连接时,保活功能就不够使了。在长连接的应用场景下,client端一般不会主动关闭它们之间的连接,Client与server之间的连接如果一直不关闭的话,会存在一个问题,随着客户端连接越来越多,server早晚有扛不住的时候,这时候server端需要采取一些策略,如关闭一些长时间没有读写事件发生的连接,这样可 以避免一些恶意连接导致server端服务受损;如果条件再允许就可以以客户端机器为颗粒度,限制每个客户端的最大长连接数,这样可以完全避免某个蛋疼的客户端连累后端服务。

短连接对于服务器来说管理较为简单,存在的连接都是有用的连接,不需要额外的控制手段。但如果客户请求频繁,将在TCP的建立和关闭操作上浪费时间和带宽

长连接和短连接的产生在于client和server采取的关闭策略,具体的应用场景采用具体的策略,没有十全十美的选择,只有合适的选择。

5. 什么时候用长连接,短连接?

长连接多用于操作频繁,点对点的通讯,而且连接数不能太多情况,。每个TCP连接都需要三步握手,这需要时间,如果每个操作都是先连接,再操作的话那么处理速度会降低很多,所以每个操作完后都不断开,次处理时直接发送数据包就OK了,不用建立TCP连接。例如:数据库的连接用长连接, 如果用短连接频繁的通信会造成socket错误,而且频繁的socket 创建也是对资源的浪费。

而像WEB网站的http服务一般都用短链接,因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源,而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接会更省一些资源,如果用长连接,而且同时有成千上万的用户,如果每个用户都占用一个连接的话,那可想而知吧。所以并发量大,但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好。

QQ既有UDP也有TCP!

不管UDP还是TCP,最终登陆成功之后,QQ都会有一个TCP连接来保持在线状态。这个TCP连接的远程端口一般是80,采用UDP方式登陆的时候,端口是8000。

UDP协议是无连接方式的协议,它的效率高,速度快,占资源少,但是其传输机制为不可靠传送,必须依靠辅助的算法来完成传输控制。QQ采用的通信协议以UDP为主,辅以TCP协议。由于QQ的服务器设计容量是海量级的应用,一台服务器要同时容纳十几万的并发连接,因此服务器端只有采用UDP协议与客户端进行通讯才能保证这种超大规模的服务。

QQ客户端之间的消息传送也采用了UDP模式,因为国内的网络环境非常复杂,而且很多用户采用的方式是通过代理服务器共享一条线路上网的方式,在这些复杂的情况下,客户端之间能彼此建立起来TCP连接的概率较小,严重影响传送信息的效率。而UDP包能够穿透大部分的代理服务器,因此QQ选择了UDP作为客户之间的主要通信协议。

采用UDP协议,通过服务器中转方式。因此,现在的IP侦探在你仅仅跟对方发送聊天消息的时候是无法获取到IP的。大家都知道,UDP 协议是不可靠协议,它只管发送,不管对方是否收到的,但它的传输很高效。但是,作为聊天软件,怎么可以采用这样的不可靠方式来传输消息呢?于是,腾讯采用了上层协议来保证可靠传输:如果客户端使用UDP协议发出消息后,服务器收到该包,需要使用UDP协议发回一个应答包。如此来保证消息可以无遗漏传输。之所以会发生在客户端明明看到“消息发送失败”但对方又收到了这个消息的情况,就是因为客户端发出的消息服务器已经收到并转发成功,但客户端由于网络原因没有收到服务器的应答包引起的。

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