计算机网络-传输层

4FGR2025-06-252025-06-29

5.1 传输层提供的服务

端口的作用

通过**“端口号”**标识本主机的一个特定进程
- 每台主机的端口号是相互独立的
- TCP、UDP两种协议的端口号也是相互独立的
TCP或UDP协议，通过Socket 套接字={IP地址：端口号}，唯一标识网络中的一台主机上的一个应用进程
端口号的分类
- 服务器使用的端口号
  - 熟知端口号（0~1023）
  - 登记端口号（1024~49151）
- 客户端使用的端口号——短暂端口号 49152~65535

功能

实现端到端（进程到进程）的通信
复用和分用
- 复用（从上到下）
  - 在发送数据的时候，同一台主机上的多个进程可以使用同一个传输协议
- 分用（从下到上）
  - 在接收数据的时候，传输层可以把数据正确交付到目的进程
差错检测
- TCP检测出差错后丢弃数据，并通知发送方重传
- UDP检测出错误后直接丢弃，且不通知发送方
向应用层提供两种服务
- 面向连接的、可靠的端到端传输服务（TCP）——确保数据正确/完整，但开销大、实时性差
- 无连接的、不可靠的端到端传输服务（UDP）——数据可能出错/丢失，但速度快、开销小

5.2 UDP

UDP

UDP首部很小，只占 8B
UDP每次传输一个完整的报文，不支持报文自动拆分、重装
UDP是无连接的、不可靠的（可靠性可以交给应用层处理），也不支持拥塞控制
UDP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）

与TCP的区别

TCP首部更大，占60~80B
TCP支持报文自动拆分、重装，因此可以传输长报文
TCP是有连接的、可靠的、支持拥塞控制
TCP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）

UDP数据报格式

UDP检验（差错检验）

发送方计算原始数据之和（最高位进位要“回卷”），对其逐位取反，结果为校验和，一起发给接收方，接收方将所有数据相加，结果为1则正确，否则发送比特错误。

发送方：

接收方：

5.3 TCP

框架梳理

大致流程

建立连接（三次握手）
数据传输
释放连接（四次挥手，两次挥手只断开一方的连接）

建立TCP连接时，双方协商各自的MSS（最大段长）

每次建立TCP连接，可以传输多个报文（双向），TCP是面向字节流的（而UDP是面向报文的）。无论传输多少个报文，在TCP协议看来都是一连串字节流。

TCP连接大致流程：

TCP报文段

另译为“TCP段”

TCP首部和IP首部比特数相同

TCP段格式：

确认号具有累积确认的特性。

数据偏移字段标识TCP首部长度，以 \(\times 4B\) 为单位，填充字段负责为其凑足 \(4B\) 的整数倍。

窗口字段表示接受窗口的大小。从本报文段中的ack_seq算起，接收方还能接受多少数据。这个字段是实现流量控制的关键

校验和字段和UDP雷同，也需添加12B伪首部（将UDP伪首部的协议字段的17改为6，UDP长度字段改成TCP的）

注：在TCP首部中，并不会专门记录TCP数据部分长度（会根据IP首部、TCP首部的信息算出来）

保留字段(6bit)一般无用，置为0

标志位

紧急位URG=1时，紧急指针有效。表示这时紧急数据，应尽快插队发送。紧急指针的序号是独立的
推送位PSH=1时，表示希望接收方尽快回复（用于交互式通信）
复位位RST=1时，表示出现严重差错（如主机崩溃），必须释放连接。也可用于拒绝一个非法报文段（如恶意的黑客攻击）
同步位SYN=1时，表示这是一个连接请求或连接接受报文，只握手①和握手②时会让SYN=1
终止位FIN=1时，表明此报文段的发送方数据已发送完毕，要求释放传输连接。挥手①和挥手③时FIN=1

当标志位为1时，可称为（改标志位）段，如ACK段。

TCP连接管理

连接建立阶段

握手①②不能携带数据，握手③可以携带数据
握手①②固定消耗1个序号（握手②的确认号是握手①+1）
握手③如果不携带数据，就不消耗序号

TCP连接建立时的状态转换与耗时分析：

SYS可能是SYN的误写

释放连接阶段①②③④

只有挥手①和挥手③的FIN=1
挥手①和挥手③即使不携带数据，也要消耗一个序号（①③实际上往往也不会携带数据）
挥手②可以携带数据
挥手④不可以携带数据

TCP释放连接时的状态转换与耗时分析：

注意也有可能是服务器先发出挥手

由于终止等待2和关闭等待的时间极短，可忽略。其他时间计算可用RTT和MSL

TCP可靠传输、流量控制

可靠传输

序号——进程在建立连接时确定起始序号，数据传输过程中，每个字节对应一个序号
确认机制
重传机制

流量控制（滑动窗口机制）

接收方维持一个接收窗口
发送方维持一个发送窗口