计算机网络(3)——传输层

1.概述

1.1 传输层的服务和协议

(1)传输层为允许在不同主机(Host)上的进程提供了一种逻辑通信机制
(2)端系统(如手机、电脑)运行传输层协议

• 发送方：将来自应用层的消息进行封装并向下提交给 网络层
• 接收方：将接收到的Segment进行组装并向上提交给应用层

(3)传输层可以为应用提供多种协议，如UDP、TCP

逻辑通信机制：传输层提供的一种抽象服务，它使得不同主机上的应用程序能够直接进行数据传输，而无需关注底层网络的实现细节

1.2 传输层&网络层关系

• 网络层：提供主机之间的逻辑通信机制；传输层：提供应用程序之间的逻辑通信机制
• 传输层位于网络层之上，依赖于网络层提供的服务，并对网络层服务进行(可能的)增强

1.3 传输层协议

用户数据报协议(UDP)： 可靠、按序的交付服务

• 拥塞控制
• 流量控制
• 连接建立

传输控制协议(TCP)：不可靠的交付服务

• 基于尽力而为的网络层，没有做(可靠性方面的)扩展

两种协议均不保证：

• 延迟
• 带宽

1.4 套接字(Socket)

概念：套接字作为应用层和传输层之间的接口，充当了应用进程与网路协议栈(如TCP/IP协议栈)之间的桥梁
作用：

• 1.提供端点通信：套接字为每个通信进程提供了一个唯一的标识符(IP地址+端口号)，这使得不同主机上的应用进程能够相互识别并进行通信
• 2.封装传输层功能：应用进程通过套接字提供的接口进行数据的发送和接收(send和receive函数)；对于TCP套接字，套接字接口提供了来连接管理的功能(connect、accept、close等函数)
• 3.简化网络编程：套接字将底层网络协议的复杂性进行疯转，应用程序不需要了解TCP/IP协议栈的具体实现细节，只需要调用套结字提供的功能就可以进行网络通信

下面是基于Java中的套接字实现的TCP回显服务器。Java中的Socket是基于操作系统提供的套接字实现的，并进行了进一步的封装

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.*;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description:* User: 38917* Date: 2025-03-18* Time: 17:29*/
public class TCPEchoSever {//private final ServerSocket socket;//线程池private final ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4,8,1,TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<>(1024),Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());//public TCPEchoSever(int port) throws IOException {socket = new ServerSocket(port);}//启动服务器protected void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while (true){//将服务器和客户端连接//accept()有阻塞效果，等待客户端建立联系Socket clientSocket = socket.accept();//每与一个客户端建立连接，都创建一个线程来执行客户端的请求executor.execute(() -> {try {processConnection(clientSocket);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}});}}//public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {System.out.printf("[%s:%d] 服务器上线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());//inputStream从网卡读数据try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();//OutputStream往网卡写数据OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {//从网卡读数据//byte[] array = new byte[1024];int ret = inputStream.read(array);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);Scanner scanner = new Scanner(inputStream);while (true){//读取完毕，当客户端下线的时候产生//在用户输入之前，hasNext()有阻塞效果//当客户端断开连接时，scanner.hasNext()返回false并中断循环if (!scanner.hasNext()){System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());break;}//1.读取请求并解析//用户传过来的请求必须带有空白符，没有的话就会阻塞String request = scanner.next();//2.计算响应String response = process(request);//3.返回响应//outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);//这个方式不方便添加空白符//通过PrintWriter来封装outputStream//添加\nprintWriter.println(response);//刷新缓冲区printWriter.flush();//打印日志System.out.printf("[%s:%d] request:%s,response:%s\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),request,response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {clientSocket.close();}}//计算响应protected String process(String request) {return request;}//public static void main(String[] args) throws IOException {TCPEchoSever sever = new TCPEchoSever(9090);sever.start();}
}import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description:* User: 38917* Date: 2025-03-18* Time: 17:30*/
public class TCPEchoClient {private final Socket socket;//public TCPEchoClient(String severIp,int port) throws IOException {socket = new Socket(severIp,port);}//public void start(){System.out.println("客户端启动");try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {//读取控制台Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);Scanner scannerNetWork = new Scanner(inputStream);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);while (true){System.out.print("->");//在用户输入之前，hasNext()有阻塞效果if (!scannerConsole.hasNext()){break;}//1.从控制台输入请求String request = scannerConsole.next();//2.发送请求//让请求的结尾有\nprintWriter.println(request);//刷新缓冲区printWriter.flush();//3.从服务器读取响应String response = scannerNetWork.next();//4.将响应打印到控制台System.out.println(response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}//public static void main(String[] args) throws IOException {TCPEchoClient client = new TCPEchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

2.复用&分用

复用：在发送端，传输层将从不同应用进程接收到的数据合并成一个数据流，然后向下提交给网络层的过程。具体过程如下：

• 1.接收多个应用进程的数据：在一台主机上，可能有多个应用进程同时进行网络通信，例如浏览器、邮件客户端、文件传输等
• 2.分配端口号：每个应用进程都会被分配一个唯一的端口号，用于标识数据来源
• 3.封装数据：传输层将来自不同应用进程的数据分割成适当大小的数据段（Segment），并在每个数据段的头部添加源端口号和目的端口号等信息
• 4.合并数据流：这些数据段被合并成一个数据流，传递给网络层进行进一步传输

分用(解复用)：在接收端，传输层将来自网络层的数据根据端口号分解，并将其正确地向上提交给对应的应用进程的过程。具体过程如下：

• 1.接收数据流：网络层将接收到的数据传递给传输层
• 2.解析端口号：传输层解析每个数据段的头部信息，提取目的端口号
• 3.分配数据：根据目的端口号，传输层将数据段分配给相应的应用进程

3.UDP

3.1 协议格式

Java EE(14)——网络原理——UDP&TCP数据报的结构

3.2 特点解析

• 1.无连接：UDP的套接字在传输数据之前不需要建立连接，发送端直接键该数据发送给接收端，无需进行三次握手
• 2.不可靠传输：不保证数据的可靠传输，也不提供错误检测和纠正机制，数据达到接收端时可能会丢失、重复或乱序达到，需要应用程序自行处理
• 3.无序传输：不保证数据的顺序，接收端可能会接收乱序的数据，应用程序需要自行排序
• 4.无流量控制：不提供流量控制机制，发送端可以以任意速率发送数据，这可能导致网络拥塞和数据丢失
• 5.无拥塞控制：不会根据网络状况调整发送速率，在网络拥塞时可能会加剧拥塞问题

Question：传输层中已经有了TCP协议，UDP存在的意义是什么？
Answer：

• 1.低延迟：由于没有建立连接和确认应答等机制，UDP的延迟较低
• 2.低开销：UDP头部仅8字节，TCP头部20字节
• 3.简单性：UDP协议远远比TCP协议简单，易于实现和维护
• 4.适合实时应用：适合对实时性要求高、对可靠性要求低的应用，如视频、直播、DNS等

4.TCP

4.1 协议格式

Java EE(14)——网络原理——UDP&TCP数据报的结构

4.2 特点解析

Java EE(15)——网络原理——TCP协议解析