网络通信基础知识:HTTP、TCP、Socket和WebSocket
Linux开发架构之路 2024-06-21

一、OSI 网络七层模型


第一层:应用层,定义了用于在网络中进行通信和传输数据的接口;(Http协议位于该层)

第二层:表示层,定义不同系统中数据的传输格式,编码和解码规范等;

第三层:会话层,管理用户的会话,控制用户间逻辑连接的建立和中断;

第四层:传输层,管理着网络中端到端的数据传输;(Tcp协议位于该层)

第五层:网络层,定义网络设备间如何传输数据;(IP位于该层)

第六层:链路层,将上面的网络层的数据包封装成数据帧,便于物理层传输;

第七层:物理层,这一层主要就是传输这些二进制数据。


二、TCP连接


建立起一个TCP连接需要经过“三次握手”:

  • 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。

握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。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之前,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。

SYN攻击就是利用三次握手的第二次握手时进行的,这时候服务器处于SYN_RECV状态,等待客户端进行确认ACK,SYN会伪造不存在的源IP,就会有大量的链接处于等待或重试发送SYN+ACK包,导致该阶段队列持续增长,进而导致后续正常请求被丢弃。


三、HTTP连接


HTTP协议即超文本传送协议(Hypertext Transfer Protocol ),是Web联网的基础,也是手机联网常用的协议之一,HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。

HTTP连接最显著的特点是客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应,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”。

  1. 在HTTP 1.0中,客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接,在处理完本次请求后,就自动释放连接。

  2. 在HTTP 1.1中,则可以在一次连接中处理多个请求,并且多个请求可以重叠进行,不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。

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,通常情况下即使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。


四、SOCKET连接与HTTP连接


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。

而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。

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。


五、SOCKET连接与TCP/IP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。

socket则是对TCP/IP协议的封装和应用(程序员层面上)。也可以说,TPC/IP协议是传输层协议,主要解决数据如何在网络中传输,而HTTP是应用层协议,主要解决如何包装数据。

关于TCP/IP和HTTP协议的关系,网络有一段比较容易理解的介绍:

在传输数据时,可以只使用(传输层)TCP/IP协议,但是那样的话,如果没有应用层,便无法识别数据内容,如果想要使传输的数据有意义,则必须使用到应用层协议,应用层协议有很多,比如HTTP、FTP、TELNET等,也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP协议作应用层协议,以封装HTTP文本信息,然后使用TCP/IP做传输层协议将它发到网络上。

平时说的最多的socket是什么呢,实际上socket是对TCP/IP协议的封装,Socket本身并不是协议,而是一个调用接口(API),通过Socket,才能使用TCP/IP协议。

实际上,Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候,就希望也能适应其他的网络协议。所以说,Socket的出现 只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已,是对TCP/IP协议的抽象,从而形成了一些最基本的函数接口,比如create、 listen、connect、accept、send、read和write等等。

TCP/IP只是一个协议栈,就像操作系统的运行机制一样,必须要具体实现,同时还要提供对外的操作接口。这个就像操作系统会提供标准的编程接口,比如win32编程接口一样,TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是Socket编程接口。

实际上,传输层TCP是基于网络层IP协议的,而应用层HTTP协议又是基于传输层TCP协议的,而Socket本身不算是协议,就像上面所说,它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。

总结:

  • HTTP是应用层协议,定义的是传输数据的内容以及格式的规范。

  • TCP是底层通讯协议,定义的是数据传输和连接方式的规范。

  • Socket可以支持不同的传输层协议(TCP/UDP),当使用TCP协议进行连接时,该Socket连接就是一个TCP连接,Socket是发动机,提供了网络通信的能力


六、什么是单工、半双工、全双工通信?


  • 单工:信息只能单向传送;

  • 半双工:信息能双向传送但不能同时双向传送;

  • 全双工:信息能够同时双向传送。


七、WebSocket与Socket的关系


Socket其实并不是一个协议,而是为了方便使用TCP/UDP而抽象出来的一层,是位于应用层和传输控制层之间的一组接口。


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,提供一套调用TCP/IP协议的API。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。

当两台主机通信时,必须通过Socket连接,Socket则利用TCP/IP协议建立TCP连接。TCP连接则更依靠于底层的IP协议,IP协议的连接则依赖于链路层等更低层次。

WebSocket就像HTTP一样,是一个典型的应用层协议。


总结:

  • Socket是传输控制层接口,WebSocket是应用层协议。


八、WebSocket与HTTP的关系


WebSocket是HTML5规范提出的一种协议。HTML5 Web Sockets规范定义了Web Sockets API,支持页面使用Web Socket协议与远程主机进行全双工的通信。它引入了WebSocket接口并且定义了一个全双工的通信通道,通过一个单一的套接字在Web上进行操作。

HTML5 Web Sockets以最小的开销高效地提供了Web连接。相较于经常需要使用推送实时数据到客户端甚至通过维护两个HTTP连接来模拟全双工连接的旧的轮询或长轮询(Comet)来说,这就极大的减少了不必要的网络流量与延迟。

相同点:

  • 都是一样基于TCP的,都是可靠性传输协议。

  • 都是应用层协议。

不同点:

  • WebSocket是双向通信协议,模拟Socket协议,可以双向发送或接受信息。HTTP是单向的。

  • WebSocket是需要浏览器和服务器握手进行建立连接的。而http是浏览器发起向服务器的连接,服务器预先并不知道这个连接。

联系:

  • WebSocket在建立握手时,数据是通过HTTP传输的。但是建立之后,在真正传输时候是不需要HTTP协议的。

WebSocket连接的过程:

  1. 客户端发起http请求,经过3次握手后,建立起TCP连接;http请求里存放WebSocket支持的版本号等信息,如:Upgrade、Connection、WebSocket-Version等;

  2. 服务器收到客户端的握手请求后,同样采用HTTP协议回馈数据;

  3. 客户端收到连接成功的消息后,开始借助于TCP传输信道进行全双工通信。

总结:

  • 在WebSocket中,只需要服务器和浏览器通过HTTP协议进行一个握手的动作,然后单独建立一条TCP通信通道进行数据传送。


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