【计算机网络】5传输层

传输层是面向通信的最高层，也是用户功能的最底层。 

传输层仅存在于主机中，路由器等中间设备只用到下三层（无传输层）。

传输层对上层应用隐藏了底层网络的复杂细节（比如数据怎么路由、网络怎么连接等）。

• 对应用程序来说，它看到的只是一条虚拟的通信通道，就像两台电脑之间直接连了一根线（但实际上数据可能经过了很多路由器、交换机）。

• 这条通道的表现取决于传输层协议是TCP还是UDP：像发短信，速度快但不保证一定送达（适合视频通话、在线游戏）。

通俗比喻：

• 网络层（IP） 负责把包裹（数据）送到正确的城市（主机）。

• 传输层（TCP/UDP） 负责把包裹送到城市里的具体收件人（应用进程），并决定包裹是“必须签收”（TCP）还是“丢了不管”（UDP）。

1.端口(Port)

1.1.作用

功能：端口是应用层进程与传输层之间数据交互的桥梁。

端口是SAP。

各层服务访问点SAP对比：

第层的就是第层可以访问第层服务的地方。

 软件端口 ≠ 硬件端口

1.2.端口号

通过“端口号”标识本主机的一个特定进程。

注意：每台主机的端口号是相互独立的。TCP、UDP两种协议的端口号是相互独立的。

🦊例题

端口号长度：

1.3.套接字(Socket)

定义：唯一标识网络中的一台主机上的一个应用进程。一个通信端点。格式为Socket = (IP地址 : 端口号)。例如，(192.168.1.1:80) 表示主机192.168.1.1上的Web服务。

通信过程：

• 源Socket：发送方的IP和端口（如[ClientIP:49152]）。

• 目的Socket：接收方的IP和端口（如[ServerIP:80]）。

• 反向通信：服务器回复时，将源/目的端口号互换。

2.功能

2.1.实现端到端的通信

逻辑通信：对等层之间的通信好像是沿水平方向传送的，但两个对等层之间并没有一条水平方向的物理连接。

2.2.复用和分用

2.3.差错检测

TCP：可靠传输，检测错误后要求重传（如校验和失败）。

UDP：不可靠传输，直接丢弃错误数据报。

网络层局限：IP仅检查首部校验和，不检查数据部分。

2.4.向应用层提供两种服务

特性	面向连接的可靠服务(TCP)	无连接的不可靠服务(UDP)
连接方式	面向连接：需三次握手建立连接，传输结束释放连接	无连接：直接发送数据，无需建立连接
	有建立连接的时延	没有建立连接的时延
	有连接状态，需要维护	无连接状态，所以能支持更多的活动用户机
面向什么	面向字节流	面向报文
	每次传输一个报文段 TCP把应用程序交下来的数据仅视为一连串的无结构的字节流。	每次传输一个完整的报文 （UDP 处理的最小单位）
	支持报文自动拆分、重装，因此可以传输长报文。所以TCP 报文的长度则根据接收方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来决定。	不支持报文自动拆分、重装，因此只能传输短报文。所以UDP报文的长度由发送应用进程决定。
	应用进程传送到TCP缓存的数据块太长 → TCP就把它划分得短一些再传送 应用进程传送到TCP缓存的数据块太短 → TCP也可等到积累足够多的字节后再构成报文段发送出去。	报文过长 → IP 层可能分片，降低效率。 报文过短 → IP 数据报首部相对长度过大，同样降低效率。
可靠性	可靠（确认、重传）	不可靠（不确认、不重传）→可能丢包
		并不意味着应用对数据的要求是不可靠的，应用层来维护可靠性
几对几	仅支持一对一传输(因为通信双方的传输层必须先建立连接)	支持一对一(封装成单播IP数据报) 一对多传输(封装成广播/多播IP数据报)
全双工通信	✔️ 支持	✔️ 支持
	TCP 提供全双工通信，允许通信双方同时发送和接收数据。 TCP 连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用于临时存放双向通信的数据。 发送缓存暂存： ①发送应用程序传送给发送方TCP准备发送的数据 ②TCP 已发送但尚未收到确认的数据 接收缓存暂存： ①按序到达但尚未被接收应用程序读取的数据 ②不按序到达的数据	UDP 本身是全双工的，但由于无连接和不可靠性，应用层需自行管理数据流的双向传输（如 RTP 协议）。
传输效率	慢（需确认、重传）	快
数据顺序	保证数据按序到达	不保证顺序
首部开销
功能	可靠传输	分用 复用 差错检测（校验和，但出错直接丢弃）
	流量控制（滑动窗口）
	拥塞控制（慢启动、拥塞避免）	没有拥塞控制 不影响源主机发送速率，实时性，时延小
适用场景	适用于要求高可靠性的应用 （如网页浏览、文件传输、电子邮件）	适用于实时性要求高或容忍少量丢失的应用 （如视频流、DNS 查询、实时语音） 常用于一次性传输较少数据的网络应用，节省开销； 常用于多媒体应用，不要求可靠，但要求时延小。
应用	HTTP（网页浏览） FTP（文件传输） SMTP（电子邮件） TELNET（远程登录）	DNS（域名解析） SNMP（网络管理） TFTP（简单文件传输） RTP（实时视频/语音） DHCP（动态IP分配）

3.UDP

3.1.UDP 数据报

当接收方的传输层从IP层收到UDP数据报时，就根据UDP数据报首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交最后的终点一一接收方的应用进程。 若接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确(不存在对应于端口号的应用进程)，则就丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给发送方。

3.2.UDP检验

3.2.1.概念

定义：数据的发送方给数据的接收方发送一个UDP数据报后，接收方如何去检验出UDP数据报当中是否有比特错误。

计算IP数据报首部检验和的方法和UDP计算检验和的方法基本相同。不同的是：IP数据报检验和只检验首部；UDP的检验和要将首部和数据部分一起检验。

伪首部：在计算检验和时，UDP数据报前临时添加的伪首部。伪首部不向下传送或向上递交，只是为了计算检验和。 字段内容包括源IP地址（4字节）、目的IP地址（4字节）、全0字段（1字节）、协议字段（1字节，UDP为17）、UDP长度（2字节）。

3.2.2.步骤

1️⃣发送方添加伪首部。把全放入检验和字段。伪首部+首部+数据若不是的整数，用填充。

2️⃣发送方计算检验和：将伪首部+首部+数据以为一组，进行二进制反码求和(最高位产生的进位需要回卷)，加法运算的最终结果逐位取反，得到“检验和”。

3️⃣发送方计算完校验和之后，拆除伪首部。将“检验和”写入检验和字段。（而若检验和的计算结果恰好为，则将检验和字段置为全。

4️⃣发送方将UDP数据报（检验和字段为“检验和”）发送给接收方。

5️⃣接收方在差错检验之前，需要添加伪首部。

6️⃣差错检验：接收方将伪首部+首部+数据（与之前的区别是检验和字段为“检验和”）以为一组，进行二进制反码求和(最高位产生的进位需要回卷)。如果加法结果为全，说明没有差错，就接收该UDP数据报。如果加法结果不是全，说明有差错，就丢弃该UDP数据报或交付给上层并附上错误报告。

7️⃣检验完之后，拆除伪首部。

🦄例题 

4.TCP🦊

4.1.TCP报文段/TCP段

4.2.TCP连接管理

TCP连接的端点：套接字（IP地址+端口号）

即使IP或端口重复，通过套接字对（源IP+源端口+目标IP+目标端口）仍能唯一标识一条TCP连接。

TCP连接的建立模式：客户/服务器模式（C/S模式）

客户（Client）：主动发起连接建立的应用进程。

服务器（Server）：被动等待连接建立的应用进程。

TCP协议的三大阶段：1️⃣建立连接(三次握手)2️⃣数据传输3️⃣释放连接(四次挥手)

阶段\字段	SYN	ACK	FIN
握手1	1	0	0
握手2	1	1	0
握手3	0	1	0
挥手1	0	1	1
挥手2	0	1	0
挥手3	0	1	1
挥手4	0	1	0

4.2.1. 建立连接（三次握手）

4.2.1.1.字段值

TCP连接建立需要解决的三个核心问题：①确认对方的存在②参数协商③资源分配

TCP通过“三次握手”机制解决上述三个问题。

4.2.1.2.状态转换

4.2.1.3.耗时分析

4.2.2. 释放连接（四次挥手）

4.2.2.1.字段值

4.2.2.2.状态转换

注意：客户机和服务器都可以先发出挥手。

4.2.2.3.耗时分析

4.3.TCP可靠传输(接收方反馈,端到端,局部)

4.3.1.检验

和UDP检验一样

4.3.2.序号seq

每个字节分配唯一序号，起始序号在建立连接时确定。

作用：标识数据位置，确保有序传输。

示例：客户端初始序号=599，服务器初始序号=199。

4.3.3.确认seq_ack

累积确认规则：接收方返回确认号ack=n，表示序号n-1及之前的所有数据已正确接收。

专门确认（非术语）	携带确认
只有首部，没有数据	若接收方有数据需发送，可携带在ACK段中（减少报文数量）。 属于立即确认。

4.3.4.重传

4.4.TCP流量控制(接收方反馈,端到端,局部)

接收缓冲区的数据交给应用层后要保证有序（比如说应用层的数组有1~17的字节，要交上去18~20的字节可以，20~22的字节不行）

4.5.TCP拥塞控制(控制发送方,整个网络,全局)

发送窗口的上限值=min[rwnd接收窗口(流量控制)，cwnd拥塞窗口(拥塞控制)]

每台主机都有自己的发送窗口、接收窗口、拥塞窗口。

4.5.1.慢开始算法和拥塞避免算法

4.5.2.快重传算法和快恢复算法