传输层概述

传输层功能

一，实现了不用主机进程间的通信。

• 在网络层，解决的是主机到主机的通信；利用IP地址
• 在传输层，解决的是进程到进程的通信；利用套接字Socket（由IP地址+端口号组成）

二，传输层对收到的报文进行差错检验

端口

在程序层面传输数据，需要利用端口，来标明数据，类似于IP，一个ip地址代表一个主机，而一个端口代表一个程序。

• 服务端端口号
  • 熟知端口号：0-1023
  • 登记端口号：1024-49151
• 客户端端口号：49152-65535（随机分配的）

常用端口号如下：

用户数据报协议UDP

UDP概述

1. 无连接的
2. 不可靠交付，出错直接丢弃
3. 面向报文的：一次发送一个完整的报文
4. 用来传输少量数据
5. 无拥塞控制，延时小，适合于直播，网络电话

UDP的首部格式

UDP首部字段很简单，由4个字段组成（其中伪首部会被丢弃），每个字段的长度都是两个字节，共8字节

• 源端口 原端口号，在需要对方回信时选用，不需要时可全0
• 目的端口 目的端口号，这在终点交付报文时必须使用，不然数据交给谁呢？
• 长度 UDP的长度，最小值为8字节，仅有首部
• 检验和 检测用户数据报在传输过程是否有错，有错就丢弃。

在传输的过程中，如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口不存在，会直接丢弃，然后由网际控制报文协议ICMP给发送方发送“端口不可达”差错报文。

伪首部不在网络中传输，只是在计算检验和，不向下传递也不向上递交。

传输控制协议TCP

TCP概述

1. 面向连接的传输协议
2. 提供可靠交付服务，无差错
3. 全双工的通信。
4. 面向字节流的，会把文件分成多个

TCP报文段首部

源端口和目的端口 各占两个字节，TCP的分用功能也是通过端口实现的。

序号 占4个字节，范围是[0,232],TCP是面向字节流的，每个字节都是按顺序编号。例如一个报文段，序号字段是201，携带数据长度是100，那么第一个数据的序号就是201，最后一个就是300。当达到最大范围，又从0开始。

确认号 占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号。并且确认号为N,则表示序号N前所有的数据已经正确收到了。

数据偏移 占4位，表示报文段的数据部分的起始位置，距离整个报文段的起始位置的距离。间接的指出首部的长度。

保留 占6位，保留使用，目前为0.

URG（紧急） 当URG=1,表明紧急指针字段有效，该报文段有紧急数据，应尽快发送。

ACK(确认) 仅当ACK=1时，确认号才有效，连接建立后，所有的报文段ACK都为1。

PSH(推送) 接收方接收到PSH=1的报文段，会尽快交付接收应用经常，不再等待整个缓存填满再交付。实际较少使用。

RST(复位) RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须是否连接，再重连。

SYN(同步) 在建立连接时用来同步序号。当SYN=1,ACK=0，则表明是一个连接请求报文段。SYN=1,ACK=1则表示对方同意连接。TCP建立连接用到。

FIN(终止) 用来释放一个连接窗口。当FIN=1时，表明此报文段的发送方不再发送数据，请求释放单向连接。TCP断开连接用到。

窗口 占2个字节，表示发送方自己的接收窗口，窗口值用来告诉对方允许发送的数据量。

校验和 占2字节，检验和字段查验范围包括首部和数据部分。

紧急指针 占2字节，URG=1时，紧急指针指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急字节数结束后为普通字节）。

选项 长度可变，最长可达40字节。例如最大报文段长度MSS。MSS指的是数据部分的长度而不是整个TCP报文段长度，MSS默认为536字节长。窗口扩大，时间戳选项等

TCP连接管理

TCP建立连接-三次握手

第一次：客户端发送连接请求报文给服务端，其中SYN=1,seq=x。发送完毕后进入SYN_END状态。

第二次：服务端接收到报文后，发回确认报文，其中ACK=1,ack=x+1，因为需要客户端确认，所以报文中也有SYN=1,seq=y的信息。发送完后进入SYN_RCVD状态。

第三次:客户端接收到报文后,发送确认报文，其中ACK=1,ack=y+1。发送完客户端进入ESTABLISHED状态，服务端接收到报文后，进入ESTABLISHED状态。到此，连接建立完成。

三次握手原因

避免资源被浪费掉。如果在第二步握手时，由于网络延迟导致确认包不能及时到达客户端，那么客户端会认为第一次握手失败，再次发送连接请求，服务端收到后再次发送确认包。在这种情况下，服务端已经创建了两次连接，等待两个客户端发送数据，而实际却只有一个客户端发送数据。

TCP断开连接-四次挥手

第一次挥手：客户端发送FIN=1，seq=x的包给服务端，表示自己没有数据要进行传输，单面连接传输要关闭。发送完后，客户端进入状态。

第二次挥手：服务端收到请求包后，发回ACK=1,ack=x+1的确认包，表示确认断开连接。服务端进入CLOSE_WAIT状态。客户端收到该包后，进入FIN_WAIT_2状态。此时客户端到服务端的数据连接已断开。

第三次挥手：服务端发送FIN=1,seq=y的包给客户端，表示自己没有数据要给客户端了。发送完后进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认包。

第四次挥手：客户端收到请求包后，发送ACK=1,ack=y+1的确认包给服务端，并进入TIME_WAIT状态，有可能要重传确认包。服务端收到确认包后，进入CLOSED状态，服务端到客户端的连接已断开。客户端等到一段时间后也会进入CLOSED状态。

四次挥手原因 由于TCP的连接是全双工，双方都可以主动传输数据，一方的断开需要告知对方，让对方可以相关操作，负责任的表现。

TCP可靠传输的实现

确认和超时重传

TCP流量控制

滑动窗口协议

TCP滑动窗口协议主要为了解决在网络传输数据的过程中，发送方和接收方传输数据速率不一致的问题，从而保证数据传输的可靠性，达到流量控制的效果。 发送方中的数据分为三种：

• 发送已确认
• 发送未确认
• 未发送

接收方数据分为三种：

• 已接收和确认但未被上层读取
• 接收未确认

在发送方的滑动窗口中，可分为发送窗口和可用窗口。发送窗口中的数据已发送接收方，但未接到接收方的确认；可用窗口则表示发送方还可以发送多少数据。发送方的窗口大小会受到接收方窗口的改变而改变。

TCP拥塞控制

拥塞

什么是拥塞呢，在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就会变坏了，这种情况就叫拥塞。网络资源常指网络链路容量（带宽）、交换结点中的缓存和交换处理机。

当出现拥塞，条件允许一般都是通过添加网络资源，例如带宽换成更大的，但这治标不治本，而且不一定总是有用。网络拥塞往往是有许多因素引起的，因此就需要拥塞控制了。

拥塞控制

拥塞控制指防止过多的的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不过载。拥塞机制是一个全局性的过程，涉及到所有主机、所有路由器，以及与降低网络传输性能有光的所有因素。

而滑动窗口协议的流量控制，是指点到点的通信量控制，是端到端的问题。

TCP的拥塞控制方法

TCP进行拥塞控制的算法有四种：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。