第3章传输层

第3章传输层

3.1 概述和传输层服务

3.1.1传输层的定位与核心目标

1. 层间位置

   属于 TCP/IP 协议栈的 “边缘” 层，位于应用层之下、网络层之上，是衔接应用进程与网络核心（路由器等）的关键层，在 “Top-Down” 分析框架中，是越过应用层后向下深入的第一层。

2. 核心目标为不同主机上的应用进程提供逻辑通信服务 —— 让远端应用进程通过 Socket 接口，仿佛直接进行数据交互（无需感知底层网络的物理传输细节），而底层实际依赖传输层与网络层的协作完成数据传递。

3.1.2传输层的核心服务：进程间逻辑通信

（1）逻辑通信的定义

• 应用进程视角：通过 Socket API（如发送send、接收read），可将应用层报文（Message）“直接” 发给对等应用进程，无需关注数据如何经过主机内协议栈、路由器等物理设备。
• 实际实现逻辑：依赖传输层实体（TCP/UDP）与网络层的协作，将 “逻辑通信” 转化为物理上的分组传输，具体过程如下：
  • 发送方操作：接收应用层报文→将报文拆分为若干传输层报文段（TCP 段 / UDP 数据报，即传输层 PDU）→为报文段添加头部（含端口号等解复用信息）→将报文段交给网络层（封装为 IP 数据报）。
  • 接收方操作：从网络层接收 IP 数据报→提取传输层报文段→去除头部→重组报文段的数据部分（TCP 需按序重组为字节流，UDP 按数据报重组）→将重组后的应用层报文交给对等应用进程。

（2）关键特性：多路复用与解复用的基础

传输层需同时支撑同一主机上的多个应用进程（如浏览器、QQ、播放器）与远端进程通信，因此 “逻辑通信” 的前提是：

• 发送端需将多个应用进程的报文 “聚合”（复用）后通过网络层传输；
• 接收端需将收到的报文段 “拆分”（解复用），精准交付给对应应用进程 —— 这一功能依赖后续 3.2 节的 “端口号” 机制，但 3.1 节明确其为传输层服务的核心基础之一。

3.1.3传输层与网络层的对比：服务依赖与增强

（1）核心服务差异

对比维度	网络层服务	传输层服务
服务对象	主机（主机到主机的逻辑通信）	应用进程（进程到进程的逻辑通信）
数据单位	IP 数据报	TCP 段 / UDP 数据报
核心功能	跨越网络的分组转发（尽力而为）	进程间数据交付 + 服务品质增强

（2）传输层对网络层的 “依赖” 与 “增强”

• 依赖关系：传输层的报文段需封装在 IP 数据报中传输，因此网络层的性能（如延迟、带宽、丢包率）直接影响传输层服务质量（例：网络层延迟高，传输层通信延迟也会随之升高）。
• 增强关系：网络层仅提供 “尽力而为” 的不可靠服务（IP 数据报可能丢失、乱序、延迟抖动），传输层通过自身机制弥补这些不足，向上层提供更优服务，例如：
  • 可靠性增强：TCP 通过 “可靠数据传输（RDT）” 机制，确保应用层报文不丢失、不重复、按序交付（RDT 是网络核心 Top3 问题，所有计网教材均重点讲解）；
  • 服务细分：将网络层 “主机到主机” 的服务，细分为 “进程到进程” 的服务（通过端口号实现）；
  • 安全增强：可基于 TCP/UDP 扩展安全功能（如 TCP 之上的 SSL/TLS），实现数据加密、身份认证（网络层 IP 不提供安全服务）。

3.1.4类比理解：传输层与网络层的协作

用 “东海岸 Ann 家与西海岸 Bill 家 12 个小孩通信” 类比，直观理解两层服务的差异：

类比对象	对应网络实体	核心作用
家庭（Ann 家 / Bill 家）	主机	网络层服务的 “端点”（主机到主机）
家庭中的小孩	应用进程	传输层服务的 “端点”（进程到进程）
小孩写的信件	应用层报文（Message）	应用进程间交互的数据单元
Ann/Bill 家的家长	传输层协议（TCP/UDP）	复用（家长收集所有小孩信件打包）、解复用（家长拆包分发信件给对应小孩）
邮政公司	网络层协议（IP）	负责 “家庭到家庭” 的邮包传输（对应 IP 数据报的主机到主机转发）

• 关键逻辑：邮政公司（网络层）只负责将邮包从 Ann 家（源主机）送到 Bill 家（目标主机），不关心邮包里具体是哪个小孩的信；而 Ann/Bill 家的家长（传输层）需完成 “聚合信件（复用）” 和 “拆分信件（解复用）”，确保每个小孩（应用进程）的信能精准交付。

3.1.5Internet 的传输层协议：TCP 与 UDP 的服务特性

Internet 的传输层提供两种可选协议，二者均基于 IP 的 “尽力而为” 服务，但提供的服务品质差异显著，核心特性如下表：

协议	核心服务特性	关键机制 / 特点
TCP	1. 可靠的、按序的字节流传输 2. 多路复用 / 解复用 3. 流量控制（避免接收方溢出） 4. 拥塞控制（避免网络拥堵） 5. 面向连接（需先建立连接）	- 数据无报文边界（以字节流交付） - 通信前需 “三次握手” 建立连接，结束需 “四次挥手” 释放连接 - 基于序列号、确认号、超时重传实现可靠性
UDP	1. 不可靠的、无顺序的数据报传输 2. 多路复用 / 解复用 3. 无额外服务（不增强 IP 服务）	- 数据有报文边界（以 UDP 数据报为单位交付） - 无连接（无需握手，直接发送） - 头部开销小（仅 8 字节，远小于 TCP 的 20 字节最小头部）

补充说明（重点）

• TCP 的 “字节流”：不保证应用层报文的边界，需应用层自行定义报文分隔符（如 HTTP 的\r\n）；
• UDP 的 “数据报”：严格按应用层发送的报文大小交付，适合对延迟敏感、可容忍少量丢包的场景（如流媒体、DNS 查询）；
• 共性：二者均不提供延迟保证和带宽保证—— 因延迟、带宽由网络层的链路性能（如瓶颈链路带宽、路由延迟）决定，传输层无法改变。

3.1.6传输层服务的 “可加强” 与 “不可加强” 类型

基于网络层的 “尽力而为” 服务，传输层可通过自身机制增强部分服务品质，但部分服务品质受限于底层网络，无法增强：

服务品质类型	是否可加强	举例与说明
可加强的服务	是	1. 可靠性：IP 数据报可能丢失 / 乱序，TCP 通过 RDT 机制（序列号、确认、重传）实现可靠传输；2. 安全性：TCP/UDP 本身不加密，可通过 SSL/TLS（如 HTTPS）增强数据加密、身份认证；3. 服务细分：IP 是主机到主机，传输层通过端口号实现进程到进程的细分
不可加强的服务	否	1. 延迟：传输层无法降低数据在网络中的传输延迟（延迟由链路传播时延、路由器排队时延等决定）；2. 带宽：传输层无法突破网络瓶颈链路的带宽限制（如 100Mbps 链路，传输层无法让吞吐量超过 100Mbps）