聊聊Socket、TCP/IP、HTTP、FTP及網路編程__socket

1 這些都是什麼

既然是網路傳輸，涉及幾個系統之間的互動，那麼首先要考慮的是如何準確的定位到網路上的一台或幾台主機，另一個是如何進行可靠高效

的資料轉送。這裡就要使用到TCP/IP協議。 1.1 TCP/IP協議組

TCP/IP協議（傳輸控制通訊協定）由網路層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。

IP層負責網路主機的定位，資料轉送的路由，由IP地址可以唯一的確定Internet上的一台主機。

TCP層負責面嚮應用的可靠的或非可靠的資料轉送機制，這是網路編程的主要對象。

TCP/IP是個協議組，可分為三個層次：網路層、傳輸層和應用程式層：

網路層：IP協議、ICMP協議、ARP協議、RARP協議和BOOTP協議；

傳輸層：TCP協議與UDP協議；

應用程式層：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等協議；

HTTP是應用程式層協議，其傳輸都是被封裝成TCP協議傳輸。可以用SOCKET實現HTTP。SOCKET是實現傳輸層協議的一種編程API，可以是TCP，也可以是UDP。 1.2 TCP

TCP — 傳輸控制通訊協定,提供的是連線導向、可靠的位元組流服務。當客戶和伺服器彼此交換資料前，必須先在雙方之間建立一個TCP串連，之後

才能傳輸資料。TCP提供逾時重發，丟棄重複資料，檢驗資料，流量控制等功能，保證資料能從一端傳到另一端。 理想狀態下，TCP串連一

旦建立，在通訊雙方中的任何一方主動關閉串連前，TCP 串連都將被一直保持下去。中斷連線時伺服器和用戶端均可以主動發起斷開TCP連

接的請求。

TCP是一種連線導向的保證可靠傳輸的協議。通過TCP協議傳輸，得到的是一個順序的無差錯的資料流。發送方和接收方的成對的兩個

socket之間必須建立串連，以便在TCP協議的基礎上進行通訊，當一個socket（通常都是server socket）等待建立串連時，另一個socket

可以要求進行串連，一旦這兩個socket串連起來，它們就可以進行雙向資料轉送，雙方都可以進行發送或接收操作。

TCP特點： TCP是連線導向的協議，通過三向交握建立串連，通訊完成時要拆除串連，由於TCP是連線導向協議，所以只能用於點對點的通訊。而且建立串連也需要消耗時間和開銷。 TCP傳輸資料無大小限制，進行大資料轉送。 TCP是一個可靠的協議，它能保證接收方能夠完整正確地接收到發送方發送的全部資料。

要瞭解TCP，一定要知道”三向交握，四次拜拜”所謂的三向交握，就是發送資料前必須建立的串連叫三向交握，握手完了才開始發的，這

也就是連線導向的意思。

第一次握手：用戶端發送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；

第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；

第三向交握：用戶端收到伺服器的SYN＋ACK包，向伺服器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，用戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三向交握；

【適用情況】

TCP發送的包有序號，對方收到包後要給一個反饋，如果超過一定時間還沒收到反饋就自動執行逾時重發，因此TCP最大的優點是可靠。一

般網頁（http）、郵件（SMTP)、遠端連線(Telnet)、檔案(FTP)傳送就用TCP

TCP在網路通訊上有極強的生命力，例如遠端連線（Telnet）和檔案傳輸（FTP）都需要不定長度的資料被可靠地傳輸。但是可靠的傳輸是要

付出代價的，對資料內容正確性的檢驗必然佔用電腦的處理時間和網路的頻寬，因此TCP傳輸的效率不如UDP高。 1.3 UDP

UDP — 使用者資料包通訊協定，是一個不需連線的簡單的面向資料報的運輸層協議。UDP不提供可靠性，它只是把應用程式傳給IP層的資料報發送出

去，但是並不能保證它們能到達目的地。由於UDP在傳輸資料報前不用在客戶和伺服器之間建立一個串連，且沒有逾時重發等機制，故而傳

輸速度很快。

UDP是一種面向不需連線的協議，每個資料報都是一個獨立的資訊，包括完整的源地址或目的地址，它在網路上以任何可能的路徑傳往目的

地，因此能否到達目的地，到達目的地的時間以及內容的正確性都是不能被保證的。

UDP特點： UDP是面向不需連線的通訊協議，UDP資料包括目的連接埠號碼和源連接埠號碼資訊，由於通訊不需要串連，所以可以實現廣播發送。 UDP傳輸資料時有大小限制，每個被傳輸的資料報必須限定在64KB之內。 UDP是一個不可靠的協議，發送方所發送的資料報並不一定以相同的次序到達接收方。

【適用情況】

UDP是面向訊息的協議，通訊時不需要建立串連，資料的傳輸自然是不可靠的，UDP一般用於多點通訊和即時的資料業務，比如語音廣播、

視頻、QQ、TFTP(簡單檔案傳送）、SNMP（簡易網路管理通訊協定）、RTP（即時傳送協議）RIP（路由資訊協議，如報告股票市場，航空信

息）、DNS(網域名稱解釋）。注重速度流暢。

UDP操作簡單，而且僅需要較少的監護，因此通常用於區域網路高可靠性的分散系統中client/server應用程式。例如視頻會議系統，並不要求

音頻視頻資料絕對的正確，只要保證連貫性就可以了，這種情況下顯然使用UDP會更合理一些。 1.4 Socket

Socket通常也稱作”通訊端”，用於描述IP地址和連接埠，是一個通訊鏈的控制代碼。網路上的兩個程式通過一個雙向的通訊串連實現資料的交

換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket，一個Socket由一個IP地址和一個連接埠號碼唯一確定。應用程式通常通過”通訊端”向網路發出請求

或者應答網路請求。Socket是TCP/IP協議的一個十分流行的編程介面，但是，Socket所支援的協議種類也不光TCP/IP一種，因此兩者之間

是沒有必然聯絡的。在Java環境下，Socket編程主要是指基於TCP/IP協議的網路編程。

Socket通訊過程：服務端監聽某個連接埠是否有串連請求，用戶端向服務端發送串連請求，服務端收到串連請求向用戶端發出接收訊息，這樣

一個串連就建立起來了。用戶端和服務端都可以相互發送訊息與對方進行通訊。

Socket是應用程式層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的

TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

由於通常情況下Socket串連就是TCP串連，因此Socket串連一旦建立，通訊雙方即可開始相互發送資料內容，直到雙方串連斷開。但在實際

網路應用中，用戶端到伺服器之間的通訊往往需要穿越多個中間節點，例如路由器、網關、防火牆等，大部分防火牆預設會關閉長時間處於

非活躍狀態的串連而導致 Socket 串連斷連，因此需要通過輪詢告訴網路，該串連處於活躍狀態。 通訊端（socket）概念：通訊端（socket）是通訊的基石，是支援TCP/IP協議的網路通訊的基本操作單元。它是網路通訊過程中端點的抽象表示，包含進行網路通訊必須的五種資訊：串連使用的協議，本地主機的IP地址，本地進程的協議連接埠，遠地主機的IP地址，遠地進程的協議連接埠。應用程式層通過傳輸層進行資料通訊時，TCP會遇到同時為多個應用程式進程提供並發服務的問題。多個TCP串連或多個應用程式進程可能需要通過同一個TCP協議連接埠傳輸資料。為了區別不同的應用程式進程和串連，許多電腦作業系統為應用程式與TCP／IP協議互動提供了通訊端(Socket)介面。應用程式層可以和傳輸層通過Socket介面，區分來自不同應用程式進程或網路連接的通訊，實現資料轉送的並發服務。 建立socket串連：建立Socket串連至少需要一對通訊端，其中一個運行於用戶端，稱為ClientSocket ，另一個運行於伺服器端，稱為ServerSocket。通訊端之間的串連過程分為三個步驟：伺服器監聽，用戶端請求，串連確認。

伺服器監聽：伺服器端通訊端並不定位具體的用戶端通訊端，而是處於等待串連的狀態，即時監控網路狀態，等待用戶端的串連請求；

用戶端請求：指用戶端的通訊端提出串連請求，要串連的目標是伺服器端的通訊端。為此，用戶端的通訊端必須首先描述它要已連線的服務器的通訊端，指出伺服器端通訊端的地址和連接埠號碼，然後就向伺服器端通訊端提出串連請求。

串連確認：當伺服器端通訊端監聽到或者說接收到用戶端通訊端的串連請求時，就響應用戶端通訊端的請求，建立一個新的線程，把伺服器端通訊端的描述發給用戶端，一旦用戶端確認了此描述，雙方就正式建立串連。而伺服器端通訊端繼續處於監聽狀態，繼續接收其他用戶端通訊端的串連請求。 SOCKET串連與TCP串連建立Socket串連時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket可以支援不同的傳輸層協議（TCP或UDP），當使用TCP協議進行串連時，該Socket串連就是一個TCP串連。

【適用情況】

很多情況下，需要伺服器端主動向用戶端推送資料，保持用戶端與伺服器資料的即時與同步。此時若雙方建立的是Socket串連，伺服器就可

以直接將資料傳送給用戶端； 1.5 HTTP

HTTP協議是建立在TCP協議之上的一種應用，HTTP串連使用的是“請求—響應”的方式，不僅在請求時需要先建立TCP串連，而且需要客

戶端向伺服器發出請求後，請求中包含要求方法、URI、協議版本以及相關的MIME樣式的訊息，伺服器端才能回複資料，包含訊息的協議版

本、一個成功和失敗碼以及相關的MIME式樣的訊息。在請求結束後，會主動釋放串連。從建立串連到關閉串連的過程稱為“一次串連”。

由於HTTP在每次請求結束後都會主動釋放串連，因此HTTP串連是一種“短串連”，要保持用戶端程式的線上狀態，需要不斷地向伺服器發

起串連請求。通常的做法是即時不需要獲得任何資料，用戶端也保持每隔一段固定的時間向伺服器發送一次“保持串連”的請求，伺服器在

收到該請求後對用戶端進行回複，表明知道用戶端“線上”。若伺服器長時間無法收到用戶端的請求，則認為用戶端“下線”，若用戶端長

時間無法收到伺服器的回複，則認為網路已經斷開。

HTTP/1.0為每一次HTTP的請求/響應建立一條新的TCP連結，因此一個包含HTML內容和圖片的頁面將需要建立多次的短期的TCP連結。一

次TCP連結的建立將需要3次握手。

另外，為了獲得適當的傳輸速度，則需要TCP花費額外的迴路連結時間（RTT）。每一次連結的建立需要這種經常性的開銷，而其並不帶有

實際有用的資料，只是保證連結的可靠性，因此HTTP/1.1提出了可持續連結的實現方法。HTTP/1.1將只建立一次TCP的連結而重複地使用

它傳輸一系列的請求/響應訊息，因此減少了連結建立的次數和經常性的連結開銷。

結論：HTTP是應用程式層協議，其傳輸都是被封裝成TCP協議傳輸。可以用SOCKET實現HTTP。SOCKET是實現傳輸層協議的一種編程API，可以是TCP，也可以是UDP。

【適用情況】

若雙方建立的是HTTP串連，則伺服器需要等到用戶端發送一次請求後才能將資料傳回給用戶端，因此，用戶端定時向伺服器端發送串連請

求，不僅可以保持線上，同時也是在“詢問”伺服器是否有新的資料，如果有就將資料傳給用戶端。 1.6 FTP

檔案傳輸通訊協定（File Transfer Protocol, FTP）是TCP/IP網路上兩台電腦傳送檔案的協議，FTP是在TCP/IP網路和INTERNET上最早使用的

協議之一，它屬於網路通訊協定組的應用程式層。FTP客戶機可以給伺服器發出命令來下載檔案，上傳檔案，建立或改變伺服器上的目錄。 2 N層交換技術 2.1 二層交換

交換原理：根據第二層資料連結層的MAC地址來實現端到端的資料交換；

工作流程：

（1）交換器某連接埠收到資料包，讀取源MAC地址，得到源MAC地址機器所連連接埠；

（2）讀取目的MAC地址，在地址表中尋找對應連接埠；

（3）如果地址表中有目的MAC地址對應連接埠，直接複製資料至此連接埠；

（4）如果地址表中沒有目的MAC地址對應連接埠，廣播所有連接埠，當目的機器回應時，更新地址表，下次就不需要廣播了；

不斷的迴圈上述過程，全網的MAC地址資訊都可以學習到，二層交換器就這樣學習和維護它的地址表。第二層交換器根據MAC選擇連接埠轉寄資料，演算法又很簡單，其方便採用廉價晶片實現，且速度快。