运输层

前言 传输层和应用层的关系

做下面的比喻：
应用层报文——发信信封上的字符
进程——收信方和发信方
主机——两个家庭
传输层协议——两个家庭专门负责收发信的人
网络成协议——邮政服务（逻辑通信提供者）

一、传输层的功能

传输层为运行在不同主机的应用提供逻辑通信。对网络层的服务进行增强（如数据排序，加密等，有些服务是不可增强的，如带宽、延迟）

🔔 传输层协议运行在端系统

发送方：将应用层的报文分成报文段，然后传递给网络层。
接受方：将报文段重组为报文，然后传递给应用层。

二、常见的应用使用的端口号总结

应用	端口号
HTTP	80/8080/3128/8081/9098
FTP	21/22
Telent（远程登录）	23
HTTPS	443（TCP） 443（UDP）
SMTP	25（TCP）
POP3	110（TCP）
SSH（安全登录）	22（TCP）
SOCKS（代理服务器）	1080（TCP）

三、传输层协议

3.1 TCP协议

3.1.1 TCP简介

TCP全称：传输控制协议-Transmission Control Protocol，是一种面向连接的协议，它是一个面向连接的通信协议。TCP协议是基于IP协议的。
面向连接：两个应用程序相互发数据之前必须先握手。
提供可靠的数据传输、拥塞控制、流量控制。

🔔 全双工

TCP提供全双工服务（Full-duplex service) ，当两个进程A和B建立起TCP连接后，那么应用层数据在从A流向B的同时也从B流向A。

点对点：TCP是单个发送方和单个接收方的协议。多播（即一次发送多个点接收）是无法实现的。

⚠ 两个常见的名词

①最大报文段长度（Maximum Segment Size,MSS）:该术语很容易被混淆，它其实指的是报文段里应用数据的最大长度，而不是包括TCP首部的TCP报文段的最大长度。

②最大传输单元（Maximun Transmission Unit,MTU）:指的是最大链路层帧长度，即应用数据+TCP首部+IP首部。

🌳 TCP连接的组成

TCP连接的组成包括：两台主机上的缓存、变量和与进程相连的套接字而两台主机之间的网络元素（路由器、交换机和中继器）没有为该连接分配任何变量。

3.1.2 TCP的报文结构

结构名称	大小	作用
源端口号	16比特	存储发送方端口号
目标端口号	16比特	存储接收方端口号
序号Seq	32比特	报文段的首字节在字节流的编号
确认号Ack	32比特	期望从另一方收到的下一个字节的序号
接收窗口	16比特	愿意接收的字节数量
校验和	16比特	校验传输的数据的准确性
应用层数据	长度不确定	传输的数据

源端口号和目标端口号

被用于多路复用来自上层应用的数据/多路分解送到上层应用

32比特的序号字段和32比特的确认字段

这些字段被TCP发送方和接收方用来实现可靠数据传输服务。

序号字段的作用

序号是可靠传输的关键因素。TCP将要传输的每个字节都进行了编号，序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的编号，序号可以保证传输信息的有效性。比如：一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为401。

确认号字段的作用

每一个ACK对应这一个确认号，它指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。

16比特接收窗口字段

该字段用于指示接收方愿意接收的字节数量，用于流量控制

4比特的首部长度字段

指示以32比特的字为单位的TCP首部长度，表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节)，所以TCP头部大长度是15 * 4 = 60。根据该部分可以将TCP报头和有效载荷分离。TCP报文默认大小为20个字节。

可选与变长的选项字段

该字段用于发送方与接收方协调最大报文长度（MSS）时，或在高速网络环境下用作窗口调节因子时使用。

6比特的标志字段

ACK（确认反馈），RST、SYN、FIN（用于连接的建立和拆除），【PSH（指示接收方应立即将数据交给上层），URG（报文里存在着被发送端上层设为紧急的数据，紧急数据的最后一个字节由一个16比特的紧急数据指针指出）】在实践中，PSH和URG并没有使用。

tip

URG:它为了标志紧急指针是否有效。
ACK：标识确认号是否有效。
PSH:提示接收端应用程序立即将接收缓冲区的数据拿走。
RST：它是为了处理异常连接的， 告诉连接不一致的一方，我们的连接还没有建立好， 要求对方重新建立连接。我们把携带RST标识的称为复位报文段。
SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段。
FIN:通知对方, 本端要关闭连接了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段。

16位的紧急指针

按序到达是TCP协议保证可靠性的一种机制，但是也存在一些报文想优先被处理，这时就可以设置紧急指针，指向该报文即可，同时将紧急指针有效位置位1。

16位校验和

发送端填充，CRC校验。如果接收端校验不通过， 则认为数据有问题(此处的检验和不光包含TCP首部也包含TCP数据部分)。

Details

英文详图

3.1.3 TCP特性解读

1.可靠数据传输

TCP在IP提供的不可靠服务的基础上建立了rdt。提供了累计确认和超时重传机制。允许乱序接收。

2.流量控制

缓冲区：TCP往里面写数据，app从里面读数据。接收方控制发送方，不让发送方发送的太多、太快，以致于让接收方的缓冲区溢出。接收方在其向发送方的TCP报文段头部的rwnd字段“通告”其空闲缓存区大小。发送方根据rwnd字段控制发送数据的大小，保证接收方不会被淹没。

3.连接控制

三次握手建立连接。详见下一篇文章。

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3.2 UDP协议

3.2.1 UDP协议简介

全称：用户数据报协议-User Datagram Protocol，简称UDP，是一种无连接的数据传输协议。
无连接：UDP发送端和接收端没有握手；每个UDP报文段都被独立的处理。
优点：传输速度快（无需握手、无拥塞和流量控制）、开销小（报文段的头部很小）
缺点：可能丢失、可能乱序
应用：流媒体（要求速率，对丢失不敏感）、DNS

3.2.2 UDP报文格式

UDP首部由8个字节构成，每个字段都是两个字节

1、源端口：源端口号，需要对方回信时选用，不需要时置0；
2、目标端口：目的端口号，在终点交付报文时需要用到；
3、头部长度：UDP的数据报长度（包含首部和数据），最小值为8字节（只有首部）；
4、校验和：检测UDP数据在传输中是否出错，有错则丢弃。

🔔 UDP校验

该字段可选，当源主机不想计算校验和，则置0，当传输层从IP层收到UDP数据报时，根据首部中的目标端口，把UDP数据通过相应的端口交给应用进程。若接收方UDP发现收到的报文中目的端口号不正确，就丢弃该报文，由ICMP发送“端口不可达”报错给发送方。

在计算校验和时，在UDP数据报前加12字节的伪首部，并不是UDP真正的首部。只是在计算校验和时临时添加在UDP数据报的前面得到的临时数据报，后校验临时数据报。伪首部既不向下传送，也不向上递交，仅仅为了计算校验和。这样，即检查了UDP的数据报，又对IP数据报源IP地址和目标地址进行了校验。

Details

UDP数据报格式和伪首部图解

四、拥塞控制

拥塞：大多数数据需要传输，超过了网络的处理能力。
拥塞的表现：分组丢失（路由器缓冲区溢出）、分组延迟（在路由器中的排队延迟）

4.1 TCP拥塞控制

🌳 基本原理

路由器不向主机发送拥塞相关的反馈信息（路由器的负担较轻、符合网络核心简单的TCP/IP架构原则）
端系统根据自身得到的消息，判断是否发生拥塞，从而采取动作

拥塞监测的方式

某个段超时了（丢失事件）：拥塞
超时时间到，某个段的确认没有来。
原因1：网络拥塞（某个路由器缓冲区没空间了，被丢弃）大概率
原因2：出错被丢弃了（各级错误，没有通过校验，被丢弃）小概率
一旦超时，就认为发生了拥塞，有一定误判，但是总体控制方向是对的

五、TCP和UDP的异同

相同点：TCP和UDP都是在网络层，都是传输层协议，都能都是保护网络层的传输，双方的通信都需要开放端口。

不同点: \ | TCP | UDP :---: | :---: | :---: 1 | TCP的传输是可靠传输。 | UDP的传输是不可靠传输。 2 | TCP是基于连接的协议，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。 | UDP是和TCP相对应的协议，它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接把数据包发送出去 3 | TCP是一种可靠的通信服务，负载相对而言比较大，TCP采用套接字（socket）或者端口（port）来建立通信。 | UDP是一种不可靠的网络服务，负载比较小。 4 | TCP和UDP结构不同，TCP包括序号、确认信号、数据偏移、控制标志（通常说的URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN）、窗口、校验和、紧急指针、选项等信息。 | UDP包含长度和校验和信息。 5 | TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。 | UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。 6 | TCP在发送数据包前在通信双方有一个三次握手机制，确保双方准备好，在传输数据包期间，TCP会根据链路中数据流量的大小来调节传送的速率，传输时如果发现有丢包，会有严格的重传机制，故而传输速度很慢。 | UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。 7 | TCP支持全双工和并发的TCP连接，提供确认、重传与拥塞控制。 | UDP适用于哪些系统对性能的要求高于数据完整性的要求，需要“简短快捷”的数据交换、需要多播和广播的应用环境。

六、多路复用和分用

由于一个主机上有多个进程，因此要进行多路复用和分用。如果某层的一个协议对应上层的多个协议/实体，就需要进行服用/分用。

🔔 接收端进行多路分用

传输层根据头部信息将收到的报文交给正确的Socket（即不同的进程）。

🔔 发送端进行多路复用

从多个Socket接收数据，为每个数据封装头部信息，生成报文，交给网络层。

分用：

主机接收到IP数据报(datagram)

每个数据报携带源IP地址、目的IP地址
每个数据报携带一个传输层的段(Segment）
每个段携带源端口号和目的端口号

主机收到Segment之后，传输层协议提取IP地址和端口号信息，将Segment导向相应的Socket

TCP做更多处理

复用和分用