计算机网络 笔记 传输层

概述：

主要功能：

TCP：

特点***：

数据格式：

连接管理***：

建立连接（三次握手）

释放连接（四次挥手）

应用场景

UDP：

特点：

数据格式：

应用场景

---

概述：

传输层是计算机网络体系结构中的重要层次，主要负责在不同主机上的应用进程之间提供端到端的通信服务。

主要功能：

提供端到端的通信：传输层为应用层提供了进程到进程的逻辑通信服务，它通过端口号来标识不同的应用进程，使得不同主机上的应用程序能够相互通信，实现数据的准确传输。

复用和分用：是传输层的重要功能，在接收端主要用于实现多个应用程序或进程对网络连接的(复用）共享以及（分用）数据的准确交付给对应的进程。

分段与重组：将应用层交付的较长的报文分成若干个较小的数据包进行传输，并在接收端将这些数据包重新组装成原始的报文，确保数据的完整性和准确性。

流量控制：通过一些机制来控制发送方发送数据的速率，使其与接收方的接收能力相匹配，防止接收方因来不及处理而导致数据丢失，保证数据传输的稳定性。

差错控制：对传输的数据进行差错检测和纠正，通过校验和等方式检测数据在传输过程中是否发生错误，若发现错误则请求发送方重传，以确保数据的可靠性。

连接管理：负责建立、维护和释放传输连接，如在 TCP 协议中，通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接，保证通信的有序进行。

TCP：

传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

特点***：

面向连接：在数据传输之前，TCP 需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接，就像打电话时先拨号建立连接，通话结束后再挂断连接一样。这个过程通过三次握手来实现，确保双方都做好了数据传输的准备。

可靠传输：TCP 通过多种机制来保证数据的可靠传输，如校验、序列号、确认应答、重传机制等。发送方会为每个发送的数据段分配一个序列号，接收方收到数据后会发送确认应答，告知发送方数据已正确接收。如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，就会重传数据。

（校验法和UDP的一致，

但是是采用的累计确认，如果因为意外，接收的是6-7-8的数据，但是现在需要的是4号数据，那么接收方返回的确认字段仍然为4而不是6-7-8，但是6-7-8会正常的接收，之后会要求发送发重传。

这里的重传机制是超时重传，时间的确定使用自适应算法，动态的改变重传时间RTTs

冗余ACK表示期望的下一个字节，如果多次接收到同一个Ack，那么重传这个文段

比如发送方发送了1,2,3,4,5接收方按如下顺序接收

接收1，发送1的确认

接收3，发送1的确认

接收4，发送1的确认

接收5，发送1的确认

3次接受到1的ACk，认为2丢失，重传

）

字节流传输：TCP 将应用层交付的数据看作是无结构的字节流，它不关心数据的具体含义和格式，只负责按照顺序将数据从发送方传输到接收方，并在接收方重新组装成原始的字节流。

流量控制：TCP 采用滑动窗口机制来实现流量控制，通过让发送方根据接收方的接收能力来调整发送数据的速率，防止接收方因来不及处理而导致数据丢失。

（

在通信过程中接收方根据自己的接收缓存的大小，动态的调整发送窗口的大小rwnd，发送方的发送窗口大小为min(发送方接收窗口大小，接收方接收窗口大小)，

）

拥塞控制：TCP 通过慢启动和拥塞避免、快重传和快恢复等算法来避免网络拥塞，确保网络的稳定性和数据传输的效率。（拥塞：全局的资源需求总量>可用资源）

下面讨论四个算法，有下面的几个假定：单向传送且另外一个方向只传输ACk；接收方缓存足够大，但是发送窗口大小取决于用拥塞度发送窗口=min(接收rwnd，拥塞rwnd)

传输轮次表示的是：发送一批报文段后接收到ack的时间

快重传就是3个冗余ack后立即重传，而不是等计时，快恢复就是重传不再是慢开始，而是从新的ssthresh开始

TCP只可以进行点对点的连接

支持全双工通信:含有发送缓存（存储待发送和已发送未接收Ack的数据）和接收缓存（未接收完和接收完但无序的数据），

数据格式：

TCP 数据段由首部和数据两部分组成，首部长度通常为 20 字节，包含了很多重要的控制信息。

源端口和目的端口：各占 2 字节，分别标识发送方和接收方的应用进程所使用的端口号。

服务端端口号包括熟知端口号，给TCP/IP重要的一些应用，其他的是登记端口号

客户端端口号的范围在客户使用的时候动态选择的

序号：占 4 字节，用来标识 TCP 发送的字节流中的每个字节的编号，确保数据的有序传输和正确组装。

确认号：占 4 字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，用于实现确认应答机制。

数据偏移：占 4 位，指出 TCP 首部的长度，以 4 字节为单位，用于确定数据部分的 。

保留：占 6 位，保留为今后使用，目前都置为 0。

控制位：占 6 位，包含了 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN 等标志位，用于控制 TCP 的连接建立、数据传输和连接释放等过程。

URG：紧急位，表示高优先级

ACK：确认位，建立连接后所有传送的报文都必须将ACK置1

PSH：推送位，接收方希望尽快交付，不在等到缓存填满

RST：复位，表示出现严重差错，要释放连接后重新传输

STN：同步位，表明这是一个连接请求or连接接收

窗口：占 2 字节，用于通告接收方的接收窗口大小，告知发送方自己能够接收的数据量，实现流量控制。

检验和：占 2 字节，用于检测 TCP 数据段在传输过程中是否发生错误。

紧急指针：占 2 字节，当 URG 标志位为 1 时，紧急指针指出紧急数据的末尾在字节流中的位置。

还有选项和填充部分

连接管理***：

建立连接（三次握手）

第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN（同步）报文段，其中包含客户端选择的初始序列号 seq=x，此时客户端进入 SYN_SENT 状态。

第二次握手：服务器接收到客户端的 SYN 报文段后，向客户端发送一个 SYN+ACK 报文段，其中确认号 ack=x+1，表示已收到客户端的 SYN 请求，同时服务器也选择一个初始序列号 seq=y，服务器进入 SYN_RCVD 状态。

第三次握手：客户端接收到服务器的 SYN+ACK 报文段后，向服务器发送一个 ACK 报文段，确认号 ack=y+1，序列号 seq=x+1，此时客户端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功。

（有句话想说.......，说吧.....，好的....）

SYN洪泛攻击，发生在OSI第四层，利用3次握手的特性，发送SYN，使得服务端发送ACK后一直处在挂起状态，占用服务器资源甚至使得服务器死机

释放连接（四次挥手）

第一次挥手：主动关闭方（假设为客户端）发送一个 FIN（结束）报文段，其中序列号 seq=u，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，表示客户端没有数据要发送给服务器了，但还可以接收服务器发送的数据。

第二次挥手：服务器接收到客户端的 FIN 报文段后，向客户端发送一个 ACK 报文段，确认号 ack=u+1，序列号 seq=v，服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，此时客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。

第三次挥手：服务器数据发送完毕后，向客户端发送一个 FIN 报文段，序列号 seq=w，确认号 ack=u+1，服务器进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手：客户端接收到服务器的 FIN 报文段后，向服务器发送一个 ACK 报文段，确认号 ack=w+1，序列号 seq=u+1，客户端进入 TIME_WAIT 状态，服务器收到 ACK 报文段后进入 CLOSED 状态。客户端在 TIME_WAIT 状态等待一段时间（2MSL，MSL 为最长报文段寿命）后，也进入 CLOSED 状态，连接彻底释放。

（1，我说完,2，好的，我还有一点3，我说的也完了，4，好的）

应用场景

TCP 协议适用于对数据可靠性要求较高的场景，如文件传输、电子邮件、远程登录、网页浏览等。在这些应用中，数据的准确性和完整性至关重要，TCP 能够保证数据无差错、按顺序地传输，为应用程序提供可靠的通信基础。

UDP：

用户数据报协议，是一种无连接的、不可靠的传输层协议

特点：

无连接：UDP 在数据传输前不需要在发送方和接收方之间建立连接，发送方可以直接将数据报发送出去，就像邮寄信件一样，不需要事先与接收方打招呼。

不可靠传输：UDP 不保证数据一定能正确到达接收方，也不保证数据的顺序和完整性。它没有确认应答机制、重传机制等保证数据可靠性的措施，数据报可能会丢失、重复或乱序到达。

面向数据报：UDP 以数据报为单位进行数据传输，每个数据报都是独立的，包含了完整的源地址、目的地址等信息。UDP 不会像 TCP 那样将数据看作是连续的字节流，而是将应用层交付的数据直接封装成数据报进行发送。

低开销、高效率：由于 UDP 不需要建立连接，也没有复杂的可靠性保证机制，所以它的开销较小，传输效率较高，适合于对实时性要求较高、但对数据可靠性要求相对较低的应用场景。

UDP无拥塞控制并且首部开销只有8B，比TCP的20B小很多

数据格式：

UDP 数据报也由首部和数据两部分组成，

首部长度固定为 8 字节。

源端口：占 2 字节，标识发送方应用进程所使用的端口号，可选字段，若不需要返回数据，该字段可置为 0。

目的端口：占 2 字节，标识接收方应用进程所使用的端口号，这是必须有的字段，用于将数据报正确交付给接收方的应用程序。

长度：占 2 字节，记录 UDP 数据报的总长度，包括首部和数据部分，最小值为 8（仅首部）。

检验和：占 2 字节，用于检测 UDP 数据报在传输过程中是否发生错误，但不是必须的，若不使用检验和，则该字段置为 0。

数据如果有的话为任意大小

伪首部（仿IP首部）：只出现在计算校验和时才出现，不会向下传送也不会向上递交

应用场景

UDP 适用于一些对实时性要求高，能容忍一定数据丢失或错误的场景：

实时音视频通信：如视频会议、网络直播、在线游戏等，这些应用要求数据能够快速传输，即使有少量数据丢失或延迟，也不会对整体的通信效果产生太大影响，用户通常感觉不到或者可以接受一定程度的卡顿、花屏等现象。

域名系统（DNS）：DNS 用于将域名转换为 IP 地址，通常只需要快速地查询和返回结果，对于少量查询结果的丢失或错误，不会对整个网络的运行造成严重影响，因为可以进行重试或使用缓存的结果。

简单网络管理协议（SNMP）：SNMP 用于网络设备的管理和监控，它通常会周期性地发送一些管理信息和查询请求，即使有部分数据报丢失，也不会影响对网络设备的整体管理和监控，后续的请求可以补充丢失的信息。

流媒体传输：在流媒体播放中，如在线音乐、视频点播等，偶尔的数据丢失可能只会导致短暂的卡顿或画面模糊，但不会影响整个播放过程的连续性，用户一般可以接受一定程度的质量下降。