计算机网络：传输层

计算机网络：传输层

传输层向应用层提供通信服务，属于通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。

传输层的两个主要协议

1. 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)
   UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。

2. 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)
   TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段(segment)

用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP 用于：

1. 对相对少量的数据进行直接的请求/响应通信，消除了对控制错误或数据包流的担忧多播，因为 UDP 可与数据包交换配合使用路由更新协议，如路由信息协议 （RIP）需要快速、顺利地交付信息的实时应用程序

2. 传输层协议：
   域名系统
   网络时间协议
   网络新闻协议
   动态主机配置协议 （DHCP）、引导协议 （BOOTP）
   实时流协议 （RTSP）、普通文件传输协议 （TFTP）、RIP
   每日报价协议 （QOTD）

3. 以下应用：
   记录路线
   跟踪路由
   时间戳

4. 实时数据包接收至关重要的多媒体应用

5. 使用广播或多播传输数据时

6. 减轻计算机资源负担

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）

面向连接，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

TCP 连接的端点叫做套接字(socket)或插口。
 套接字 socket = (IP地址: 端口号) 

以下是工作方式：

1. 建立连接

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

TCP三次握手的过程如下：
客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。
三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

2.连接终止

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。具体过程如下图所示。
（1） 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
（2） 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
（3） 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
（4） 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

注意：

1. “通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。
2. 在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。
3. 当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。
   无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。

UDP与TCP协议对比

UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据包的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。

TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；UDP 段结构比 TCP 的段结构简单，因此网络开销也小。TCP 协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用 TCP 传输数据。

当数据从一个点传输到另一个点时，它被赋予一个标头，该标头告诉设备如何处理它。UDP 标头是一个简单的 8 字节固定标头。另一方面，使用 TCP 时，标头可以从 20 到 60 个字节不等。UDP 端口号的字段长度为 16 位，因此范围从 0 到 65535。标头由一个 16 位源端口、一个 16 位目标端口、一个 16 位长度和一个 16 位校验和组成。这是用于将数据报发送到其目标的信息。发送过程不涉及对源和目标之间的连接进行任何验证。

TCP的不同之处在于，它需要在数据的来源和数据的来源之间握手。这使得 TCP 比 UDP 更可靠。在 TCP 通信过程中，只有在目标和源正式链接后才能发送数据。使用UDP，由于不需要链接，因此可以立即发送数据。

TCP 和 UDP 通信之间的另一个区别是，使用 TCP，在传输开始之前，需要确认数据包的接收顺序。此外，TCP 还提供了数据包按预期到达的确认。如果数据包未到达，TCP 会指示需要再次发送。UDP 不需要任何确认、检查或重新发送。
如果应用程序使用 UDP，则用户将承担出错、数据无法到达其目标或被复制的风险。接受这种权衡的回报是更好的速度。UDP本身不一定是数据丢失的罪魁祸首。标头中的信息足以将数据获取到需要的位置，并且发送数据报的时间顺序应使它们保持顺序。
但是，大多数网络路由器无法进行到达确认或数据包订购。数据包可能会丢失或重复。TCP通过确保数据以正确的顺序到达目的地，在大多数网络路由器中解释了这个"弱点"。