Android TCP/TP协议

在学习和使用Android网路编程时，我们接触的仅仅是上层协议和接口如Apache的httpclient或者Android自带的httpURlconnection等等。对于这些接口的底层实现我们也有必要进一步的了解，这就要我们了解网络通信层了，提到网络通信层不得不说起ISO-OSI的七层协议经典架构，如图所示：

上图的左边部分就是osi架构模型了， ISO/OSI模型，即开放式通信系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI。图最右边则是TCP/IP协议模型了，TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议（对应上图的中间部分），是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，与OSI的七层模型相对应。所以平常我们所提起的tcp/ip协议它并不是指一个具体的协议而是一个网络传输协议集合模型的统称。对应于标准的osi模型它制定了自己的四层协议系统，每一层都包含了多个不同的通信协议。

那么TCP/IP到底是怎样工作的又为什么需要它呢？在世界上各地，各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务，这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音，让他们无法合作一样。计算机使用者意识到，计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来，电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。但是简单的连到一起是远远不够的，就好像语言不同的两个人互相见了面，完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流，TCP/IP就是为此而生。

下面我们就来看下具体的TCP/IP协议系统的分层，如图：

看到上面层次图，如果你之前有了解过，可能会读上面的Socket抽象层表示疑惑，不打紧后面会介绍。我们可以看到TCP/IP层共四层：链路层、网络层、运输层以及应用层，概念上是没有上图中的socket抽象层。

(1). 链路层

也称作数据链路层或网络接口层（在第一个图中为网络接口层和硬件层），通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。具体的细节可以转到这边文章《Android网络编程系列一 TCP/IP协议族之链路层》

(2). 网络层

也称作互联网层（在第一个图中为网际层），处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。

IP是一种网络层协议，提供的是一种不可靠的服务，它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。同时被TCP和UDP使用。TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。

ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。

IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

具体的细节可以转到这边文章《Android网络编程系列一 TCP/IP协议族之网际层》

(3). 传输层

主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。为了提供可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。

UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元（例如，发送方指定的一定字节数的信息）。UDP协议任何必需的可靠性必须由应用层来提供。

具体的细节可以转到这边文章《Android网络编程系列一 TCP/IP协议族之传输层》

(4). 应用层

应用层负责处理特定的应用程序细节。

(5). socket抽象层

对于上图中显示 socket抽象层这是一个很重要的层次，是直接负责应用层和传输层通信的，它的作用就是使得上层（应用层）通信更方便更安全。实则就是对传输层的封装对应用层的接口提供，这里现就不扩展了，下一篇文章将重点介绍 socket抽象层

。

TCP/IP协议系统的每一层在数据传输工作中分工都很明确，我们可以看其数据通信图：

首先，是最上层的应用层，用户将应用数据通过应用层协议如http、ftp等封装好必要的客户端数据信息传递到下一层（传输层），这时候传输层的tcp或udp协议就会为其携带上客户端端口等信息。封装好了接着传递到网际层，在这里就会为数据携带上客户端的IP等信息。再接着讲数据发送到链路层，这一层为待传送的数据加入一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备同时还为数据携带了目标主机的mac地址（每个以太网卡mac地址都是唯一的）。再往下则是硬件层次了，负责网络的传输，这个层次的定义包括网线的制式，网卡的定义等等.

了解了数据发送，接下了看看目标主机对数据的接收过程，如下图：

上面提到了客户机在传输数据在链路层会为数据携带上目标主机的mac地址，所有就可以根据这个数据携带的IP地址和mac地址在互联网中寻找到当目的主机，接着当目标主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用（Demultiplexing）。协议是通过目的端口号、源I P地址和源端口号进行解包的。

以上呢就是关于TCP/IP协议通信的大致流程了，接下来为了更好的吸收和理解这些知识点，你有必要了解以下基本概念：

ip地址

网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址（也叫做IP地址）。现在，通常使用的IP地址是一个32bit的数字，也就是我们常说的IPv4标准，这32bit的数字分成四组，也就是常见的255.255.255.255的样式。IPv4标准上，地址被分为五类，我们常用的是B类地址。具体的分类请参考其他文档。需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合，这非常重要。
DNS

域名系统是一个分布的数据库，它提供将主机名（就是网址啦）转换成IP地址的服务。 DNS 是计算机域名系统 (Domain Name System 或Domain Name Service) 的缩写，它是由解析器以及域名服务器组成的。域名服务器是指保存有该网络中所有主机的域名和对应IP地址，并具有将域名转换为IP地址功能的服务器。
RFC

RFC是什么？RFC就是tcp/ip协议的标准文档，在这里我们可以看到RFC那长长的定义列表，现在它一共有4000多个协议的定义，当然，我们所要学习的，也就是那么十几个协议而已。
端口号(port)

注意，这个号码是用在TCP，UDP上的一个逻辑号码，用于区别开主机上不同应用程序。服务器一般都是通过知名端口号来识别的。例如，对于每个TCP/IP实现来说，FTP服务器的TCP端口号都是21，每个Telnet服务器的TCP端口号都是23，每个TFTP (简单文件传送协议)服务器的UDP端口号都是69。任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的1～1023之间的端口号。这些知名端口号由Internet号分配机构（Internet Assigned Numbers Authority, IANA）来管理。知名端口号介于1～255之间；256～1023之间的端口号通常都是由Unix系统占用，以提供一些特定的Unix服务；1024~5000端口号用于客户端分配临时端口号；大于5000的端口号是为其他服务器预留的。
应用编程接口

现在常用的编程接口有socket和TLI。这就是上面所提到socket抽象层。

TCP连接的三次握手：

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：服务器接收到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，同时服务器进入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，客户端和服务端进入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，断开过程需要经过“四次握手”(过程就不细写了，就是服务器和客户端交互，最终确定断开)

三次握手的目的：消除旧有连接请求的SYN消息对新连接的干扰，同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP 窗口大小信息。

TCP释放连接四次挥手：

先看图，直观的了解下：

需四次挥手原因：由于TCP的半关闭特性，TCP连接时双全工（即数据在两个方向上能同时传递），因此，每个方向必须单独的进行关闭。

这个原则就是：当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向上的连接。当一端收到一个FIN后，它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向的数据传送。即收到一个FIN意味着在这一方向上没有数据流动了。

目的：保证服务器与客户端都能完全的接受对方发送的数据。

假设客户机A向服务器B请求释放TCP/IP连接，则：
第一次挥手：主机A向主机B发送FIN包；A告诉B，我（A）发送给你（B）的数据大小是N，我发送完毕，请求断开A->B的连接。
第二次挥手：主机B收到了A发送的FIN包，并向主机A发送ACK包；B回答A，是的，我总共收到了你发给我N大小的数据，A->B的连接关闭。
第三次挥手：主机B向主机A发送FIN包；B告诉A，我（B）发送给你（A）的数据大小是M，我发送完毕，请求断开B->A的连接。

第四次挥手：主机A收到了B发送的FIN包，并向主机B发送ACK包；A回答B，是的，我收到了你发送给我的M大小的数据，B->A的连接关闭。

利用Socket建立网络连接的步骤：

　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。

1、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。

　　2、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。

　　3、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。

TCP和UDP的区别：

1、TCP是面向链接的，虽然说网络的不安全不稳定特性决定了多少次握手都不能保证连接的可靠性，但TCP的三次握手在最低限度上(实际上也很大程度上保证了)保证了连接的可靠性;

　　而UDP不是面向连接的，UDP传送数据前并不与对方建立连接，对接收到的数据也不发送确认信号，发送端不知道数据是否会正确接收，当然也不用重发，所以说UDP是无连接的、不可靠的一种数据传输协议。

　　2、也正由于1所说的特点，使得UDP的开销更小数据传输速率更高，因为不必进行收发数据的确认，所以UDP的实时性更好。

　　知道了TCP和UDP的区别，就不难理解为何采用TCP传输协议的MSN比采用UDP的QQ传输文件慢了，但并不能说QQ的通信是不安全的，

　　因为程序员可以手动对UDP的数据收发进行验证，比如发送方对每个数据包进行编号然后由接收方进行验证啊什么的，

　　即使是这样，UDP因为在底层协议的封装上没有采用类似TCP的“三次握手”而实现了TCP所无法达到的传输效率。

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”。

TCP/IP：属于传输层/网络层协议。手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议，可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口，使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络之上。主要解决数据在网络中的传输。HTTP：即超文本传送协议(Hypertext Transfer Protocol )，属于应用层协议，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。主要解决数据的包装与识别应用。Socket：本身并不是协议，而是一个调用接口(API)。可对TCP/IP协议进行封装和应用，可视为TCP/IP的编程接口。

　实际上，传输层的TCP是基于网络层的IP协议的，而应用层的HTTP协议又是基于传输层的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。

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ip地址

DNS

RFC

端口号(port)

应用编程接口

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