互联网,实际上是一套理念和协议组成的体系架构。其中,协议是一套众所周知的规则和标准,如果各方都同意使用,那么它们之间的通信将变得毫无障碍。

IP:把数据包送达目的主机

数据包要在互联网上进行传输,就要符合网际协议(IP)标准,互联网上不同的在线设备都有唯一的地址,地址只是一个数字,这和大部分家庭收件地址类似,你只需要知道一个家庭的具体地址,就可以往这个地址发送包裹,这样物流系统就能把物品送到目的地。

计算机的地址就称为 IP 地址,访问任何网站实际上只是你的计算机向另外一台计算机请求信息。

如果要想把一个数据包从主机 A 发送给主机 B,那么在传输之前,数据包上会被附加上主机 B 的 IP 地址信息,这样在传输过程中才能正确寻址。额外地,数据包上还会附加上主机 A 本身的 IP 地址,有了这些信息主机 B 才可以回复信息给主机 A。这些附加的信息会被装进一个叫 IP 头的数据结构里。IP 头是 IP 数据包开头的信息,包含 IP 版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、生存时间等信息。

简化的 UDP 网络三层传输模型

简化的 UDP 网络三层传输模型
简化的 UDP 网络三层传输模型

UDP:把数据包送达应用程序

IP 是非常底层的协议,只负责把数据包传送到对方电脑,但是对方电脑并不知道把数据包交给哪个程序,是交给浏览器还是交给王者荣耀?因此,需要基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议,最常见的是“用户数据包协议(User Datagram Protocol)”,简称UDP

UDP 中一个最重要的信息是端口号,端口号其实就是一个数字,每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了,所以IP 通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑,而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序。和 IP 头一样,端口号会被装进 UDP 头里面,UDP 头再和原始数据包合并组成新的 UDP 数据包。UDP 头中除了目的端口,还有源端口号等信息。

简化的 UDP 网络四层传输模型

简化的 UDP 网络四层传输模型
简化的 UDP 网络四层传输模型

UDP 不能保证数据可靠性,但是传输速度却非常快,所以 UDP 会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域,如在线视频、互动游戏等。

TCP:把数据完整地送达应用程序

对于浏览器请求,或者邮件这类要求数据传输可靠性(reliability)的应用,如果使用 UDP 来传输会存在两个问题

  • 数据包在传输过程中容易丢失;
  • 大文件会被拆分成很多小的数据包来传输,这些小的数据包会经过不同的路由,并在不同的时间到达接收端,而 UDP 协议并不知道如何组装这些数据包,从而把这些数据包还原成完整的文件。

基于这两个问题,我们引入 TCP 了。TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。相对于 UDP,TCP 有下面两个特点:

  • 对于数据包丢失的情况,TCP 提供重传机制;
  • TCP 引入了数据包排序机制,用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。

和 UDP 头一样,TCP 头除了包含了目标端口和本机端口号外,还提供了用于排序的序列号,以便接收端通过序号来重排数据包。

简化的 TCP 网络四层传输模型

简化的 TCP 网络四层传输模型
简化的 TCP 网络四层传输模型

下面我们再看下完整的 TCP 连接过程,通过这个过程你可以明白 TCP 是如何保证重传机制和数据包的排序功能的。

一个TCP连接的生命周期

一个TCP连接的生命周期
一个TCP连接的生命周期

从下图可以看出,一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了建立连接、传输数据、关闭连接三个阶段。

首先,建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓三次握手,是指在建立一个 TCP 连接时,客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。

其次,传输数据阶段。在该阶段,接收端需要对每个数据包进行确认操作,也就是接收端在接收到数据包之后,需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后,在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息,则判断为数据包丢失,并触发发送端的重发机制。同样,一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包,这些数据包到达接收端后,接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序,从而保证组成完整的数据。

最后,断开连接阶段。数据传输完毕之后,就要终止连接了,涉及到最后一个阶段“四次挥手”来保证双方都能断开连接。

TCP 为了保证数据传输的可靠性,牺牲了数据包的传输速度,因为“三次握手”和“数据包校验机制”等把传输过程中的数据包的数量提高了一倍。


参考资料:极客时间《浏览器工作原理与实践》,02 | TCP协议:如何保证页面文件能被完整送达浏览器?

浏览器工作原理与实践