网络传输层之TCP/UDP详解

一、运输层协议概述

　　从通信和信息处理的角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段(segment)。

　　运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务。

运输层的主要功能总结：

- 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。
- 运输层还要对收到的报文进行差错检测。
- 运输层提供复用与分用功能。

二、运输层的两种通信信道：TCP/ UDP

1. 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)

　　UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式。

2. 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)

　　TCP 则提供面向连接的服务。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。

3. 端口

　　就是运输层服务访问点(TSAP),作用是让应用层的各种应用程序都能将数据交付给运输层，以及让运输层知道将数据向上交付给对应的应用进程。端口号只具有本地意义，不同计算机的端口没有关系。

服务与端口的关系：

端口与网路安全的关系：

三、UDP 详解

1. UDP的特点：

- UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。
- UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能。
- UDP 的首部开销小，只有 8 个字节。
- UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制，适合媒体通信的要求。
- UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
- 虽然 UDP 用户数据报只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的优点。

2. UDP的报文

- UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。
- 应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。
- 接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。
- 应用程序必须选择合适大小的报文。

3. UDP 报文首部格式详解：

　　1. 用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成 (源端口，目的端口，长度，检验和)，每个字段都是两个字节。

　　2. 伪首部：在计算检验和时，临时把“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和。

检验和计算的例子：

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四、TCP 详解

1. TCP的特点

　　（1）TCP 把连接作为最基本的抽象，是面向连接的传输层协议。
　　（2）每一条TCP连接只能有两个端点（endpoint），每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）。TCP 连接的端点不是主机，不是主机的IP 址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。TCP连接的端点叫做套接字(socket)或插口。端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了套接字。

　　（3）TCP提供可靠交付的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复、且按序发送。
　　（4）TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。在发送时，应用程序把数据传送给TCP的缓存后，就可以做自己的事，而TCP在合适的时候把数据发送出去。在接收时，TCP把收到的数据放入缓存，上层的应用进程在合适的时候读取缓存中的数据。
　　（5）面向字节流。TCP中的“流”（steam）指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。

2. TCP报文格式

　　TCP协议是能够实现数据分段传输、可靠传输、流量控制、网络拥塞避免等功能，因此TCP报文的首部要比UDP报文首部字段要多，并且首部长度不固定。

3. TCP报文首部格式详解

- 源端口和目的端口字段：各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。
- 序号字段：占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
- 确认号字段：占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
- 数据偏移（即首部长度）：占 4 位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）。
- 保留字段：占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。
- 紧急 URG ：当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
- 确认 ACK : 只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。当 ACK  0 时，确认号无效。
- 推送 PSH (PuSH) : 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
- 复位 RST (ReSeT) : 当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
- 同步 SYN : 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
- 终止 FIN (FINis) :用来释放一个连接。FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
- 窗口字段 : 占 2 字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。
- 检验和 :占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
- 紧急指针字段 : 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
- 选项字段 : 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”
- 填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。

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