網路協議概述（網路層次結構、TCP、UDP）
1.網路協議縱覽
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網路協議
網路協議是網路上所有裝置（網路伺服器、計算機及交換機、路由器、防火牆等）之間通訊規則的集合，它規定了通訊時資訊必須採用的格式和這些格式的意義。大多數網路都採用分層的體系結構，每一層都建立在它的下層之上，向它的上一層提供一定的服務，而把如何實現這一服務的細節對上一層加以遮蔽。
層次結構
由於網路節點之間聯絡的複雜性，在制定協議時，通常把複雜成分分解成一些簡單成分，然後再將它們複合起來。最常用的複合技術就是層次方式，網路協議的層次結構如下：
（1）結構中的每一層都規定有明確的服務及介面標準。
（2）把使用者的應用程式作為最高層
（3）除了最高層外，中間的每一層都向上一層提供服務，同時又是下一層的使用者。
（4）把物理通訊線路作為最低層，它使用從最高層傳送來的引數，是提供服務的基礎。
計算機網路體系結構的通訊協議劃分為七層，自下而上依次為：物理層（Physics Layer）、資料鏈路層（Data Link Layer）、網路層（Network Layer）、傳輸層（Transport Layer）、會話層（Session Layer）、表示層（Presentation Layer）、應用層（Application Layer）。
更加詳細的各層網路協議：
資料封裝
資料解封
2.網路協議之TCP
參考文章：http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5143437.html
TCP
TCP作用：
當應用層向TCP層傳送用於網間傳輸的、用8位位元組表示的資料流，TCP則把資料流分割成適當長度的報文段，最大傳輸段大小（MSS）通常受該計算機連線的網路的資料鏈路層的最大傳送單元（MTU）限制。之後TCP把資料包傳給IP層，由它來通過網路將包傳送給接收端實體的TCP層。
因特網有兩個核心協議：IP和TCP。IP（Internet Protocol）負責聯網主機之間的路由選擇和定址；TCP（Transmission Control Protocol）負責在不可靠的傳輸通道之上提供可靠的抽象層。TCP嚮應用層隱藏了大多數網路通訊的複雜細節，比如丟包重發、按序傳送、擁塞控制、資料完整等。正如任何一種技術它越完善和強大，其效能損耗也就越大，TCP為了給資訊傳輸提供可靠的方式做了很多工作，也就造成了一定的效能瓶頸，下面就具體的講解一下TCP的原理及思想。
一個完整的TCP資料包的結構如下所示：
連線建立和斷開
所有TCP連線的建立都要進行三次握手，因為在交換應用資料之前，客戶端和伺服器需要約定分組序列號及協商其他相關資訊。出於安全考慮，序列號由兩端隨機生成。三次握手過程如下圖：
TCP快速開啟：在某些條件下，允許第一個SYN分組中帶有應用程式資料。這就使得在傳輸小檔案時，減少了新建TCP連線帶來的效能損失，因為它在第一次傳送分組時攜帶了應用資料，可以一定程度上降低HTPP事物網路延時。
雖然建立一個連線需要三次握手，而斷開一個連線需要四次握手才可以完成，這是由TCP的半關閉造成的。其大致過程入下所示：
(1) 某個應用程序首先呼叫close，稱該端執行“主動關閉”（active close）。該端的TCP於是傳送一個FIN分節，表示資料傳送完畢。
(2) 接收到這個FIN的對端執行 “被動關閉”（passive close），這個FIN由TCP確認。
注意：FIN的接收也作為一個檔案結束符（end-of-file）傳遞給接收端應用程序，放在已排隊等候該應用程序接收的任何其他資料之後，因為，FIN的接收意味著接收端應用程序在相應連線上再無額外資料可接收。
(3) 一段時間後，接收到這個檔案結束符的應用程序將呼叫close關閉它的套接字。這導致它的TCP也傳送一個FIN。
(4) 接收這個最終FIN的原發送端TCP（即執行主動關閉的那一端）確認這個FIN。
擁塞預防及控制：
TCP在不可靠的網路環境上提供了可靠的資訊傳輸方式，為此它加入了很多機制，如流量控制、擁塞控制和擁塞預防等。
選擇性應答：
TCP通訊時，如果傳送序列中間某個資料包丟失，TCP會通過重傳最後確認的包開始的後續包，這樣原先已經正確傳輸的包也可能重複傳送，急劇降低了TCP效能。為改善這種情況，發展出SACK(Selective Acknowledgment, 選擇性確認)技術，使TCP只重新發送丟失的包，不用傳送後續所有的包，而且提供相應機制使接收方能告訴傳送方哪些資料丟失，哪些資料重發了，哪些資料已經提前收到等。SACK是TCP中的一個可選特性，要想啟用需要自己開啟設定。
TCP的不足——隊首阻塞：
TCP在不可靠的通道上進行可靠地傳輸，隱藏了很多網路底層的細節，極大的方便了工程人員的使用。任何事物都有其利弊，TCP也不例外，在某些場景下也是有極大限制的，
由於TCP是有序交付的，每個分組都會有一個唯一的序列號，需要按照順序傳遞到接收端，接收端也需要接受到所有分組後才能處理所受到的資訊。如果中間某一個分組沒能被接收到，其他分組需要儲存在緩衝區，需要等待接收到重發的分組後才能處理。
TCP的按序交付和分組重排使得應用程式不再關心底層細節，使得開發更為方便。但在實時性要求較高的場景下，可能有些應用對有序交付和可靠性要求並不高，使用TCP就會造成很大的延時。而且由於分組到達接收端會存在一定的不確定性，使得傳輸時間也變得不確定，這個時間變化稱之為抖動。
能夠容忍和自行處理包的亂序或者丟包的應用，或者對延遲和抖動敏感的應用，可以考慮另外一個選擇：UDP。
3.網路協議之UDP
參考文章：http://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5226483.html
TCP協議在不可靠的網路環境上提供了可靠的通訊通道，隱藏了大量的底層細節，使應用程式更加簡潔。但有些應用並不需要這麼高的可靠性，並不需要按序交付，而且TCP為了提高可靠性也增加了延時，在某些對延時或抖動要求很高的情景下並不適用。為此，UDP（User Datagram Protocol，使用者資料報協議）被提出。UDP雖然應用較為廣泛，比如DNS查詢等，但一直不是重要的角色。自從WebRTC被提出以來，它可以使瀏覽器在UDP的基礎上實現原生的語音和視訊實時通訊及其他形式的P2P通訊，UDP在這種境況下顯得更加重要。本文大致介紹UDP的原理及應用，以求加深對其理解。
UDP
TCP是面向連線的，需要三次握手建立連線之後再傳輸資料，而是UDP面向無連線的，它並不能保證資訊交付，也不能保證按序互動，也不跟蹤連線狀態，也不需要擁塞控制。
要了解UDP和為什麼它通常被稱為“空協議”，我們首先需要了解一下網際網路協議（IP），它位於TCP和UDP協議層下面。IP層主要任務就是基於地址將資料報從源主機發送到目的主機。要做到這一點，訊息都封裝在一個IP包，標識源和目的地址，以及一些其他路由引數。
IPv4的首部結構如下：
UDP協議會用自己的分組結構封裝使用者資訊，其資料格式如下：
如上圖所示，我們在UDP資料報裡增加了源埠和目標埠，這樣就使得當IP分組被送到接收端後，接收端就可以拆開UDP分組，根據目標埠找到對應的應用程式，然後再把資料傳遞給應用程式。
從IP和UDP的資料格式可以看到，它們的首部都帶有校驗和，都可以用來校驗資料，那麼應用程式即使忽略UDP的校驗和也不影響資料完整性，校驗和欄位是可選的。這意味著UDP層所有的錯誤檢測和糾錯，可以委託給上述應用層校驗。說到底，UDP僅僅是在IP層上通過嵌入應用程式的源埠和目標埠，提供了一個“應用程式多路複用”機制。由此可以得到UDP的特徵如下：
- 不保證訊息交付：不確認，不重傳，無超時；
- 不保證交付順序：不設定包序號，不重排，不發生隊首阻塞；
- 不跟蹤連線狀態：不必建立連線或重啟狀態機；
- 不需要擁塞控制：不內建客戶端或網路反饋機。
TCP是一個面向位元組流的協議，能夠通過多個分組的形式傳送應用程式的訊息資料，包內本身沒有任何明確的訊息邊界。為了實現這一目標，連線兩端都分配了連線狀態，並且資料包被排序，重發丟包，按順序傳送。相反UDP資料報有明確的界限：每一個數據報都被打包到一個IP包中，應用層讀到的每一個UDP包都是完整的資訊 - 資料報不能被分割。
關於資料報（Datagram）詳細定義如下：
資料報：一個自包含的，獨立的資料實體，其承載了足夠的資訊，使其可以從源路由到達目標路由，而不依賴於在網路節點前的資料交換和傳輸網路沒有任何依賴。
資料報文（Datagram）和資料包（Packet）兩個術語往交替使用，但其實二者有一些細微差別。資料包（packet）一般用來描述任何格式的資料塊，而資料報（Datagram）往往被保留用來描述通過一個不可靠的服務傳輸的資料包（Packet） - 沒有傳輸保障，沒有失敗通知。所以UDP包一般或者說更準確的被稱為資料報（Datagram）。
UDP是一個簡單的，無狀態的協議，適合於引導上層的其他應用層協議 - 幾乎所有的協議決策都留給它上面的應用層。然而，在你想實現自己的協議來取代TCP，你應該仔細考慮有關的複雜性，如UDP與其它層的互動（比如NAT穿越），以及網路協議一些最佳實踐。沒有仔細的規劃和設計，設計一個新的協議不是一個好主意，最終也許實現成一個的簡陋的TCP版本。關於傳輸UDP時遇到的NAT穿透問題，將在下篇文章中講述。
4.網路協議之NAT穿透