每個(gè)人每天都在依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)通信，那么這些設(shè)備之間究竟是如何通信的？我在這里寫(xiě)下這篇文章，你卻能在千山萬(wàn)水之外閱讀它。今天簡(jiǎn)要談一下通信協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要是對(duì)信息的傳輸速率、傳輸代碼、代碼結(jié)構(gòu)、傳輸控制步驟、差錯(cuò)控制等做出的規(guī)定并制訂的標(biāo)準(zhǔn)。

協(xié)議主要由以下三個(gè)部分組成：

• 語(yǔ)義：需要的控制信息以及執(zhí)行的動(dòng)作

• 語(yǔ)法：交換的數(shù)據(jù)或控制信息的格式與結(jié)構(gòu)

• 時(shí)序：雙方的應(yīng)答關(guān)系，包括速度的匹配和順序

OSI參考模型

OSI不是規(guī)范，準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)，是一個(gè)抽象的參考模型，他沒(méi)有提供任何具體的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)可以通過(guò)OSI模型來(lái)進(jìn)行分析，了解OSI模型有助于分析和管理網(wǎng)絡(luò)。

OSI是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，共有七層：

TCP/IP協(xié)議簇

介紹

TCP/IP協(xié)議簇先于OSI參考模型開(kāi)發(fā)，因此層次無(wú)法完全和OSI模型對(duì)應(yīng)起來(lái)。他將不同的通信功能集成到不同的網(wǎng)絡(luò)層次，形成了一個(gè)具有四層的體系結(jié)構(gòu)。

有人也將其分為5層，將鏈路層從網(wǎng)絡(luò)接口層剝離出來(lái)。

各層的職責(zé)

• 網(wǎng)絡(luò)接口層：主要負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包。因?yàn)門(mén)CP/IP沒(méi)有對(duì)物理層和鏈路層進(jìn)行定義，所以它支持各種底層的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

  
  

• 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)處理IP數(shù)據(jù)包的傳輸、路由選擇、流量控制和擁塞控制。ARP/RARP協(xié)議用于將IP地址與底層物理地址進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。IP協(xié)議既是網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議，也是整個(gè)TCP/IP協(xié)議簇的核心協(xié)議。

  
  

• 傳輸層：為兩臺(tái)主機(jī)提供端到端的通信。傳輸層主要包括傳輸控制協(xié)議TCP（提供可靠的面向連接的傳輸服務(wù)），用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（簡(jiǎn)單高效的無(wú)連接的服務(wù)）?？梢愿鶕?jù)上層應(yīng)用的實(shí)際需求來(lái)選擇

  
  

• 應(yīng)用層：直接為特定的應(yīng)用程序提供服務(wù)，如文件傳輸協(xié)議FTP，簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議SMTP，超文本傳輸協(xié)議HTTP。

重要概念

面向連接與無(wú)連接：

想要通過(guò)面向連接的協(xié)議在兩臺(tái)主機(jī)之間通信，需要兩臺(tái)主機(jī)之間首先建立連接，才能通信。如何建立/斷開(kāi)連接？這就涉及到三次握手和四次揮手。后續(xù)再講。

而無(wú)連接的協(xié)議在通信前不需要建立連接，就像寄信，只需要知道目的地地址就行了（請(qǐng)注意，這只是一個(gè)比喻，發(fā)郵件并不是使用的無(wú)連接協(xié)議，因?yàn)闊o(wú)連接的協(xié)議通常是不可靠的）

可靠與不可靠

可靠的協(xié)議保證數(shù)據(jù)能傳輸?shù)侥康牡兀覂?nèi)容不會(huì)發(fā)生變化。TCP就是一種可靠的協(xié)議。

不可靠的協(xié)議不能保證將數(shù)據(jù)傳送到目的地，但是它會(huì)盡力而為，還會(huì)檢驗(yàn)送到目的地的數(shù)據(jù)是否完整。UDP就是一種不可靠的協(xié)議。

那么有人可能會(huì)說(shuō)了？既然有了可靠的協(xié)議，還需要不可靠的協(xié)議干什么？不是多此一舉嗎？非也，下面詳細(xì)說(shuō)說(shuō)TCP和UDP的優(yōu)缺點(diǎn)。

字節(jié)流與數(shù)據(jù)報(bào)

字節(jié)流協(xié)議表示可以將發(fā)送方傳輸給接收方的數(shù)據(jù)看作是字節(jié)流。先發(fā)出的數(shù)據(jù)將會(huì)被先接收到。TCP屬于字節(jié)流協(xié)議。

數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議是將數(shù)據(jù)一個(gè)個(gè)傳送，沒(méi)有順序。UDP就是一種數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

套接字（Socket）

網(wǎng)絡(luò)層中，IP利用協(xié)議號(hào)來(lái)指定傳輸協(xié)議，傳輸層中，TCP/UDP使用端口號(hào)來(lái)區(qū)分應(yīng)用程序。將一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)結(jié)合，就形成了一個(gè)套接字（也稱(chēng)為插座），套接字用來(lái)標(biāo)明網(wǎng)絡(luò)中的唯一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程。

TCP與UDP的優(yōu)缺點(diǎn)

TCP：

• 優(yōu)點(diǎn)： 可靠，穩(wěn)定 TCP的可靠體現(xiàn)在TCP在傳遞數(shù)據(jù)之前，會(huì)有三次握手來(lái)建立連接，而且在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，有確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳完后，還會(huì)斷開(kāi)連接用來(lái)節(jié)約系統(tǒng)資源。

  
  

• 缺點(diǎn)：慢，效率低，占用系統(tǒng)資源高，易被攻擊 TCP在傳遞數(shù)據(jù)之前，要先建連接，這會(huì)消耗時(shí)間，而且在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，確認(rèn)機(jī)制、重傳機(jī)制、擁塞控制機(jī)制等都會(huì)消耗大量的時(shí)間，而且要在每臺(tái)設(shè)備上維護(hù)所有的傳輸連接，事實(shí)上，每個(gè)連接都會(huì)占用系統(tǒng)的CPU、內(nèi)存等硬件資源。 而且，因?yàn)門(mén)CP有確認(rèn)機(jī)制、三次握手機(jī)制，這些也導(dǎo)致TCP容易被人利用，實(shí)現(xiàn)DOS、DDOS、CC等攻擊。

UDP：

• 優(yōu)點(diǎn)： 快，比TCP稍安全 UDP沒(méi)有TCP的握手、確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制等機(jī)制，UDP是一個(gè)無(wú)狀態(tài)的傳輸協(xié)議，所以它在傳遞數(shù)據(jù)時(shí)非常快。沒(méi)有TCP的這些機(jī)制，UDP較TCP被攻擊者利用的漏洞就要少一些。但UDP也是無(wú)法避免攻擊的，比如：UDP Flood攻擊。

  
  

• 缺點(diǎn)：不可靠，不穩(wěn)定 因?yàn)閁DP沒(méi)有TCP那些可靠的機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不好，就會(huì)很容易丟包。

  
  

那么，哪些場(chǎng)景使用TCP，哪些場(chǎng)景使用UDP？

TCP：郵件，遠(yuǎn)程登錄等等。UDP：NDS，廣播，即時(shí)通訊，視頻電話等等。

TCP的三次握手和四次揮手

三次握手建立連接

TCP建立連接在理論上似乎只要一次請(qǐng)求和一次響應(yīng)就可以了，但是在實(shí)際情況中，請(qǐng)求或者響應(yīng)可能會(huì)丟失，此時(shí)需要重傳來(lái)建立連接。假如只通過(guò)一次請(qǐng)求和一次響應(yīng)，可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題（圖片轉(zhuǎn)自知乎用戶(hù)@大閑人柴毛毛）：

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，連接時(shí)的“三次握手”可以有效解決。（其實(shí)無(wú)論握手多少次，都不能完全保證一條信道是完全可靠的，只能說(shuō)明其是可用的，三次握手是能互相明確對(duì)方，同時(shí)開(kāi)銷(xiāo)是最小的，所以常用三次握手建立連接）

下面我還是畫(huà)一張圖來(lái)描述這個(gè)流程：

四次揮手?jǐn)嚅_(kāi)連接

分層分析和排查故障

之前一次電話面試的時(shí)候，面試官問(wèn)我：假如在調(diào)用第三方服務(wù)時(shí)，沒(méi)有返回?cái)?shù)據(jù)，可能是什么問(wèn)題？我當(dāng)時(shí)回答說(shuō)通過(guò)返回的狀態(tài)碼來(lái)判斷，他補(bǔ)充狀態(tài)碼也沒(méi)返回。我一時(shí)語(yǔ)塞，不知道面試官想要考察什么，只好尷尬地跳過(guò)。（我比較菜）

后來(lái)，才想到通過(guò)對(duì)協(xié)議簇的分層分析可以較為有效地排查故障。

一般有兩種排查方式：

• 從低層開(kāi)始，首先檢查物理層，比如查看網(wǎng)絡(luò)線纜是否松動(dòng)損壞。這一般用于剛組建網(wǎng)絡(luò)或者調(diào)整了網(wǎng)絡(luò)線纜的情況。否則效率太低了。

  
  

• 從高層開(kāi)始，首先檢查應(yīng)用層，比如查看瀏覽器是否正常配置，這一般用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較穩(wěn)定的情況下。

  
  

為了高效解決問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)從中間層開(kāi)始檢測(cè)，這似乎也有點(diǎn)像二分查找思想。

那么回到一開(kāi)始的一個(gè)問(wèn)題：

假如在調(diào)用第三方服務(wù)時(shí)，沒(méi)有返回?cái)?shù)據(jù)，可能是什么問(wèn)題?

1、ping目標(biāo)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)

若成功則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)是正常的，可以去考慮更高層的事，需要去測(cè)試服務(wù)或應(yīng)用程序。

若失敗，則繼續(xù)2.

2、ping同一子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，確認(rèn)正在使用的這臺(tái)主機(jī)是否連接到了本地網(wǎng)絡(luò)。

若成功，說(shuō)明本地網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程目標(biāo)計(jì)算機(jī)之間的連通有問(wèn)題，可以跟蹤測(cè)試路由。

若失敗，則繼續(xù)3.

3、ping環(huán)回地址127.0.0.1。

若成功，說(shuō)明本地網(wǎng)關(guān)和當(dāng)前計(jì)算機(jī)之間通信有問(wèn)題。

若失敗，檢查IP是否有問(wèn)題，若有問(wèn)題，再檢查本地TCP/IP協(xié)議軟件是否有問(wèn)題等等。

（作者的公眾號(hào)）