网络协议——有状态协议和无状态协议

一、有状态协议

1、介绍

• 有状态协议（stateful protocol）是指在通信过程中能够维护和管理会话状态信息的协议。
• 这种协议可以记住先前的交互信息，从而在后续的请求中利用这些信息来提供更有针对性和连续性的服务。

2、特点

• 会话管理：有状态协议在通信过程中维护一个会话或连接的状态。它可以记住客户端在会话中的进度和历史数据。
• 状态信息存储：状态信息通常存储在服务器端，但有时也可以在客户端和服务器之间共享或在客户端上存储（如通过cookie或session ID）。
• 持续连接：有状态协议通常需要保持一个持续的连接。例如，TCP协议在通信期间会维护连接状态（如序列号、确认号等）。
• 更复杂的实现：由于需要管理状态信息，有状态协议的实现和管理会比无状态协议复杂。

3、例子

• TCP（传输控制协议）：TCP是一个有状态协议。它在数据传输过程中通过三次握手建立连接，并在连接的整个生命周期内保持状态信息（如序列号、确认号、窗口大小等）。这使得TCP能够保证数据的可靠传输和按序到达。
• FTP（文件传输协议）：FTP也是一个有状态协议。用户在登录到FTP服务器后，会话状态会保持直到用户退出。这期间的所有文件操作都基于这个会话状态。
• HTTPS/SSL/TLS：尽管HTTP本身是一个无状态协议，但HTTPS在其基础上增加了SSL/TLS层，用于加密和身份验证。SSL/TLS会维护加密会话状态，确保数据传输的安全性。

二、无状态协议

1、介绍

• 无状态协议（stateless protocol）是一种通信协议，其中每个请求都是独立的，与之前或之后的请求没有任何联系。
• 这意味着服务器不会存储任何关于客户端请求的状态信息。每个请求都包含所有必要的信息，以便服务器能够理解并处理它。

2、特点

• 独立性：每个请求都是独立的，并且服务器不会记住之前的请求信息。这意味着客户端需要在每次请求中提供所有必要的上下文和数据。
• 简化的服务器设计：由于服务器不需要存储和管理客户端状态信息，服务器的设计和实现变得更加简单。
• 可扩展性：无状态协议更容易扩展，因为服务器不需要在不同的请求之间维护状态。服务器可以根据每个独立的请求进行处理，这使得负载均衡和服务器集群管理更为高效。
• 故障恢复：无状态协议对故障恢复更加友好，因为请求不依赖于之前的状态信息。服务器可以随时重新启动而不会影响请求的处理。

3、例子

• Modbus RTU和Modbus ASCII：Modbus RTU和Modbus ASCII是Modbus协议的两种串行通信方式，广泛应用于工业设备的通信。它们本身是无状态的，每个请求和响应都是独立的，不需要维护会话状态。
• Modbus TCP：Modbus TCP是Modbus协议在以太网上的实现，也被认为是无状态的。尽管它在TCP之上运行（TCP是有状态的），Modbus TCP本身不维护会话状态，每个请求和响应都是独立的。
• Ethernet/IP（Ethernet Industrial Protocol）：Ethernet/IP是一个应用层协议，基于CIP（Common Industrial Protocol），常用于工业自动化系统。尽管CIP本身可以在有状态的TCP上运行，许多实现和使用场景中，特别是在无连接的UDP上，Ethernet/IP被视为无状态协议。
• PROFINET：PROFINET是一种工业以太网标准，常用于自动化和制造系统。它有多个通信模式，包括RT（实时）和IRT（等时同步），在这些模式下，特别是使用UDP传输时，可以认为是无状态的。
• CANopen：CANopen是一种基于控制器局域网（CAN）的通信协议，广泛用于嵌入式系统和工业自动化。CANopen本身不维护会话状态，通信是基于消息传递的，每个消息都是独立的。
• MQTT-SN（MQTT for Sensor Networks）：MQTT-SN是专为传感器网络设计的MQTT变种，适用于无线和低功耗网络。MQTT-SN在设计上可以支持无状态的通信模式，特别是在轻量级设备和低带宽环境中。
• DNP3：DNP3 是一种用于电力和水务等工业系统中的通信协议。它也被设计为无状态的，每个消息独立于其他消息，不需要维持状态信息。

三、区别

• 维护会话状态
  • 有状态协议：在通信过程中维护和管理会话状态信息。服务器在处理客户端请求时会记住之前的交互状态，这些状态信息通常存储在服务器端或者在客户端和服务器之间共享（例如通过cookie或session ID）。
  • 无状态协议：每个请求和响应都是独立的，服务器不保留关于客户端之前请求的任何信息。每个请求都必须包含处理该请求所需的所有信息，服务器不依赖之前的请求状态。
• 数据处理方式
  • 有状态协议：处理数据时可以利用先前的会话状态信息，使得服务器可以提供更连贯和个性化的服务。通常用于需要连续交互或者长时间会话的应用，如网络游戏、视频流服务等。
  • 无状态协议：每个请求都是独立的，服务器处理请求时不依赖于之前的请求，数据处理是无关上下文的。通常用于需要高并发和简单的请求-响应模型，如Web服务、DNS查询等。
• 资源消耗和复杂性
  • 有状态协议：由于需要管理和维护会话状态，服务器端的资源消耗较大，特别是在大量客户端同时连接时。实现和管理有状态协议通常比较复杂，需要考虑状态同步、状态管理、故障恢复等问题。
  • 无状态协议：服务器不需要维护会话状态信息，因此在资源消耗和复杂性上通常比有状态协议更轻量级和简单。这使得无状态协议在分布式系统中更易于扩展和部署。
• 应用场景和选择
  • 有状态协议适用于需要保持长时间会话或者需要从先前的交互中获益的应用，例如在线购物、社交媒体、实时游戏等。
  • 无状态协议适用于短暂且独立的请求-响应场景，特别是对高性能和可伸缩性有要求的应用，如HTTP、UDP通信、传感器网络等。