浅谈运输层

今天药忘吃喽~ 2022-04-02 12:26 224阅读 0赞

# 一.  概述 #

首先看两个图吧

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**需要注意的几点：**

*  “逻辑通信”的意思是“好像是这样通信，但事实上并非真的这样通信”。
 *  从IP层来说，通信的两端是两台主机。但严格地讲，两台主机进行通信就是两台主机中的应用进程互相通信。
 *  从运输层来说，通信的真正端点并不是两台主机而是两台主机中的进程。

在一台主机中经常有多个应用进程同时分别和另一台主机中的多个应用进程通信。这表明运输层有一个很重要的功能——**复用** (multiplexing)和**分用** (demultiplexing)。下图为基于端口的复用和分用：

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# 二. 运输层的端口 #

运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。但运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符。这是因为在互联网上使用的计算机的操作系统种类很多，而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符。为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信，就必须**用统一的方法对 TCP/IP 体系的应用进程进行标志***。*

为了解决上面的问题，我们就在运输层使用**协议端口号**(protocol port number)，或通常简称为**端口** (port)。**虽然通信的终点是应用进程，但我们可以把端口想象是通信的终点，因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的进程）就由 TCP 来完成。**

需要注意的是，在协议栈层间的抽象的协议端口是**软件端口**，它是**应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址**（路由器或交换机上的端口是硬件端口。硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口）。

端口用一个 16 位端口号进行标志。端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在互联网中，不同计算机的相同端口号是没有联系的。由此可见，两个计算机中的进程要互相通信，不仅必须知道对方的 IP 地址（为了找到对方的计算机），而且还要知道对方的端口号（为了找到对方计算机中的应用进程）。

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# 三 UDP #

UDP只是在IP的数据报服务之上增加了很少的一点功能：

*  复用和分用的功能
 *  差错检测的功能

虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的优点。

*  UDP 是无连接的，发送数据之前不需要建立连接，，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
 *  UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
 *  UDP 是面向报文的。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP 一次交付一个完整的报文。
 *  UDP 没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很适合多媒体通信的要求。
 *  UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
 *  UDP 的首部开销小，只有 8 个字节，比 TCP 的 20 个字节的首部要短。

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当运输层从 IP 层收到 UDP 数据报时，就根据首部中的目的端口，把 UDP 数据报通过相应的端口，上交最后的终点——应用进程。

**请注意，虽然在 UDP 之间的通信要用到其端口号，但由于 UDP 的通信是无连接的，因此不需要使用套接字**。

# 四. TCP #

### 4.1  特点 ###

TCP的主要特点：  ** **

*  TCP 是面向连接的运输层协议。
 *  每一条 TCP 连接只能有两个端点 (endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。
 *  TCP 提供可靠交付的服务。
 *  TCP 提供全双工通信。
 *  面向字节流

TCP 中的“流”(stream)指的是流入或流出进程的字节序列。**“面向字节流”**的含义是：虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串无结构的字节流。

TCP 不保证接收方应用程序所收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系。但接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样。

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*  TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。
 *  TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到TCP 的缓存中是不关心的。
 *  TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP 发送的报文长度是应用进程给出的）。
 *  TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送。
 *  TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

### 4.2  套接字 ###

TCP 把连接作为最基本的抽象。每一条 TCP 连接有两个端点。TCP 连接的端点不是主机，不是主机的IP 地址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。**TCP 连接的端点叫做套接字 (socket) 或插口**。端口号拼接到 (contatenated with) IP 地址即构成了套接字。

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TCP连接就是由协议软件所提供的一种抽象，而TCP连接的端口也是个很抽象的套接字，即（IP地址：端口号）。同一个IP地址可以有很多个不同的TCP连接，而同一个端口号也可以出现在多个不同的TCP连接中

### 4.3  TCP报文段 ###

**TCP虽然是面向字节流，但TCP传送的数据单元确是报文段**。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。TCP 报文段首部的前 20 个字节是固定的，后面有 4n 字节是根据需要而增加的选项 (n 是整数)。因此 TCP 首部的最小长度是 20 字节。

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*  源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。 
 *  序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
 *  确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
 *  数据偏移（即首部长度）——占 4 位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）
 *  保留字段——占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。
 *  紧急 URG —— 当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
 *  确认 ACK —— 只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。当 ACK = 0 时，确认号无效。
 *  推送 PSH (PuSH) —— 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。 
 *  复位 RST (ReSeT) —— 当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
 *  同步 SYN —— 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
 *  终止 FIN (FINish) —— 用来释放一个连接。FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
 *  窗口字段 —— 占 2 字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。
 *  检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
 *  紧急指针字段 —— 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。 
 *  选项字段 —— 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。” MSS (Maximum Segment Size)是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段。所以，MSS是“TCP 报文段长度减去 TCP 首部长度
 *  填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。

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