WebSocket协议、socket连接、tcp协议、http协议

协议（Protocol）就是网络通信过程中的约定或者合同，通信的双方必须都遵守才能正常收发数据。协议有很多种，例如 TCP、UDP、WebSocket、IP 等，通信的双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范，由计算机组织制定，规定了很多细节，例如，如何建立连接，如何相互识别等。协议仅仅是一种规范，必须由计算机软件来实现。例如 IP 协议规定了如何找到目标计算机，那么各个开发商在开发自己的软件时就必须遵守该协议，不能另起炉灶。

WebSocket协议

WebSocket是HTML5中新协议、新API。WebSocket从满足基于Web的日益增长的实时通信需求应运而生，解决了客户端发起多个Http请求到服务器资源浏览器必须要在经过长时间的轮询问题，实现里多路复用，是全双工、双向、单套接字连接，在WebSocket协议下服务器和客户端可以同时发送信息。

WebSocket 同 HTTP 一样也是应用层的协议，但是它是一种双向通信协议，是建立在 TCP 之上的。

理解各种协议和通信层、套接字的含义

IP：网络层协议；（高速公路）
TCP和UDP：传输层协议；（卡车）
HTTP：应用层协议；（货物）。HTTP（超文本传输协议）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”。
SOCKET：套接字，TCP/IP网络的API。(港口码头/车站)。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。socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。
Websocket：同HTTP一样也是应用层的协议，但是它是一种双向通信协议，是建立在TCP之上的，解决了服务器与客户端全双工通信的问题，包含两部分：一部分是“握手”，一部分是“数据传输”。握手成功后，数据就直接从 TCP 通道传输，与 HTTP 无关了。

数据只能单向传送为单工；
数据能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；
数据能够同时双向传送则称为全双工。

TCP/UDP区别：

TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol）：(类似打电话)。面向连接、传输可靠（保证数据正确性）、有序（保证数据顺序）、传输大量数据（流模式）、速度慢、对系统资源的要求多，程序结构较复杂，每一条TCP连接只能是点到点的，TCP首部开销20字节。

UDP(用户数据报协议，User Data Protocol)：（类似发短信）。面向非连接、传输不可靠（可能丢包）、无序、传输少量数据（数据报模式）、速度快，对系统资源的要求少，程序结构较简单，UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信，UDP的首部开销小，只有8个字节。

标准的七层模型，即OSI（Open System Interconnection）参考模型：

OSI七层模型

简化的TCP/IP四层模型主要分为：应用层、传输层、网络层、数据链路层。

WebSocket和Http的关系和异同点

每个WebSocket连接都始于一个HTTP请求。具体来说，WebSocket协议在第一次握手连接时，通过HTTP协议在传送WebSocket支持的版本号，协议的字版本号，原始地址，主机地址等等一些列字段给服务器端.

Upgrade首部，用来把当前的HTTP请求升级到WebSocket协议，这是HTTP协议本身的内容，是为了扩展支持其他的通讯协议。如果服务器支持新的协议，则必须返回101.

一个WebSocket连接是在客户端与服务器之间HTTP协议的初始握手阶段将其升级到Web Socket协议来建立的，其底层仍是TCP/IP连接

相同点：
（1）都是建立在TCP之上，通过TCP协议来传输数据。
（2）都是可靠性传输协议。
（3）都是应用层协议。

不同点：
（1）WebSocket支持持久连接，HTTP不支持持久连接。

（2）WebSocket是双向通信协议，HTTP是单向协议，只能由客户端发起，做不到服务器主动向客户端推送信息。

那么为什么说http协议并不是一个持久连接的协议呢？

（1）Http的生命周期通过Request来界定，也就是Request一个Response，那么在Http1.0协议中，这次Http请求就结束了。在Http1.1中进行了改进，是的有一个Keep-alive，也就是说，在一个Http连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。但是必须记住，在Http中一个Request只能对应有一个Response，而且这个Response是被动的，不能主动发起。

（2）WebSocket是基于Http协议的，或者说借用了Http协议来完成一部分握手，在握手阶段与Http是相同的。

WebSocket可以穿越防火墙吗？

WebSocket使用标准的80及443端口，这两个都是防火墙友好协议，Web Sockets使用HTTP Upgrade机制升级到Web Socket协议。HTML5 Web Sockets有着兼容HTTP的握手机制，因此HTTP服务器可以与WebSocket服务器共享默认的HTTP与HTTPS端（80和443）。

WebSocket和Socket

Socket 其实并不是一个协议，而是为了方便使用 TCP 或 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本身并不是一个协议，它工作在OSI模型会话层，是一个套接字，TCP/IP网络的API，是为了方便大家直接使用。

更底层协议而存在的一个抽象层。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。
而WebSocket则是一个典型的应用层协议。

WebSocket HTTP和TCP/IP

WebSocket和HTTP一样，都是建立在TCP之上，通过TCP来传输数据。

Socket和TCP/IP
Socket是对TCP/IP协议的封装，像创建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。

TCP协议

TCP/IP模型包含了TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP等上百个互为关联的协议，其中TCP和IP是最常用的两种底层协议，所以把它们统称为TCP/IP协议族。也就是说，TCP/IP模型中所涉及到的协议称为TCP/IP协议族。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的协议，即在收发数据钱。TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接。

位码即tcp标志位，有6种标示：

SYN：synchronous，建立联机。
ACK：acknowledgement，确认。
PSH：push传送。
FIN：finish结束。
RST：reset重置。
URG：urgent紧急。
Sequence number：顺序号码。
Acknowledge number：确认号码。

建立连接，三次握手

第一次握手：客户端Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务端Server，客户端Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
第二次握手：服务端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端Client请求建立连接，服务端将标志位 SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端Client以确认连接请求，服务端进入SYN_RCVD状态。
第三次握手：客户端Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK 置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务端Server，服务端Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端Client与服务端Server之间可以开始传输数据了。

TCP三次握手

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，四次挥手

终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在Socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，具体流程图如下：

TCP四次握手

第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入 FIN_WAIT_1状态
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK 状态。
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。另外也可能是同时发起主动关闭的情况：

TCP四次握手

另外还可能有一个常见的问题就是：为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？答：因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

实例一:

IP 192.168.1.116.3337 > 192.168.1.123.7788: S 3626544836:3626544836IP 192.168.1.123.7788 > 192.168.1.116.3337: S 1739326486:1739326486 ack 3626544837IP 192.168.1.116.3337 > 192.168.1.123.7788: ack 1739326487,ack 1

第一次握手：192.168.1.116发送位码syn＝1,随机产生seq number=3626544836的数据包到192.168.1.123,192.168.1.123由SYN=1知道192.168.1.116要求建立联机;
第二次握手：192.168.1.123收到请求后要确认联机信息，向192.168.1.116发送ack number=3626544837,syn=1,ack=1,随机产生seq=1739326486的包;
第三次握手：192.168.1.116收到后检查ack number是否正确，即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1，若正确，192.168.1.116会再发送ack number=1739326487,ack=1，192.168.1.123收到后确认seq=seq+1,ack=1则连接建立成功。

实例二:

TCP的作用是流量控制，主要是控制数据流的传输。下面以浏览网页为例，根据自身理解来解释一下这个过程。（注：第二个ack属于代码段ack位）
pc浏览服务器网页此过程不包括域名查询，只描述TCP与http数据流的变化。
pc与http服务器进行三次握手来建立连接。

1、pc：seq=0 ack=0 syn=1 ack=0 发送给服务器建立同步请求。
2、server： seq=0 ack=1 syn=1 ack=1 发送给客户端建立同步响应.
3、pc:seq=1 ack=1 syn=0 ack=1 发送给服务器，三次握手完成建立同步信息成功.
4、pc产生http数据消息，向服务器发送get请求.
5、服务器收到请求并发送TCP确认，然后发送http数据信息给客户端的浏览器.
6、客户端收到服务器的http信息，然后发送TCP确认信息给服务器.
7、客户端发送FIN+ACK给服务器，要求结束数据传输.
8、服务器发送TCP确认消息用于确认pc的TCP的FIN消息
9、服务器向客户端发送FIN+ACK消息用于结束TCP会话.
10、客户端发送确认信息给服务器，整个会话结束.

HTTP协议

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）即超文本传送协议，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。

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。通常的做法是即时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。

UDP协议

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议，非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。相比TCP就是无需建立链接，结构简单，无法保证正确性，容易丢包。

SOCKET协议

socket编程是基于 TCP 和 UDP 协议的，是网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：

连接使用的协议。
本地主机的IP地址。
本地进程的协议端口。
远地主机的IP地址。
远地进程的协议口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了socket 接口。应用层可以和传输层通过socket 接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

TCP/IP协议的层次图

socket连接

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。

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。
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。
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。

socket连接与tcp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连接与http连接

由于通常情况下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。

IP地址

IP地址通信

IP（Internet Protocol，网络之间互连的协议），也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有唯一性，根据用户性质的不同，可以分为5类。另外，IP还有进入防护，知识产权，指针寄存器等含义。

IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个唯一的地址，叫做“IP 地址”。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在连网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。

目前大部分软件使用 IPv4 地址，但 IPv6 也正在被人们接受，尤其是在教育网中，已经大量使用。一台计算机可以拥有一个独立的 IP 地址，一个局域网也可以拥有一个独立的 IP 地址（对外就好像只有一台计算机）。对于目前广泛使用 IPv4 地址，它的资源是非常有限的，一台计算机一个 IP 地址是不现实的，往往是一个局域网才拥有一个 IP 地址。在因特网上进行通信时，必须要知道对方的 IP 地址。实际上数据包中已经附带了 IP 地址，把数据包发送给路由器以后，路由器会根据 IP 地址找到对方的地里位置，完成一次数据的传递。路由器有非常高效和智能的算法，很快就会找到目标计算机。

MAC地址

现实的情况是，一个局域网往往才能拥有一个独立的 IP；换句话说，IP 地址只能定位到一个局域网，无法定位到具体的一台计算机。这可怎么办呀？这样也没法通信啊。其实，真正能唯一标识一台计算机的是 MAC 地址，每个网卡的 MAC 地址在全世界都是独一无二的。计算机出厂时，MAC 地址已经被写死到网卡里面了（当然通过某些“奇巧淫技”也是可以修改的）。局域网中的路由器/交换机会记录每台计算机的 MAC 地址。

MAC（Media Access Control Address），直译为“媒体访问控制地址”，也称为局域网地址（LAN Address），以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address）。

数据包中除了会附带对方的 IP 地址，还会附带对方的 MAC 地址，当数据包达到局域网以后，路由器/交换机会根据数据包中的 MAC 地址找到对应的计算机，然后把数据包转交给它，这样就完成了数据的传递。

端口

用于区分不同的应用程序。
端口号的范围为0-65535，其中0-1023系统的保留端口，每个都有各自的用途。若自定义使用端口要避开这个区间。
IP地址和端口号组成了我们的Socket，Socket是网络运行程序间双向通信链路的终结点，是TCP和UDP的基础！
常用协议使用的端口：HTTP:80、FTP:21、TELNET:23

通讯端口示例