C01S05-传输层和相关协议-优快云博客

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一、传输层

1. 传输层概述

传输层是OSI模型当中的第四层，主要负责在网络的两个节点中提供可靠的数据传输服务。实现端到端（进程和进程之间）的数据传输。传输层提供的传输是逻辑传输，也就是向应用层屏蔽了下面网络层的细节和具体实现，使得应用程序的数据传输是在传输层和传输层之间水平实现的，实际上并没有这样的物理连接。

2. 传输层工作原理

传输层会将从上层（应用层等）接收到的数据进行切割为多个数据单元，再将数据单元加上头部信息进行封装，通过网络传给目标主机的传输层后，会将头部信息和数据单元拆分开，按照顺序重新组合恢复数据，提供给上层。

3. 传输层常见名词

协议：传输层在TCP/IP协议族中有两个重要的协议，TCP协议（传输控制协议）和UDP协议（用户数据报协议）。
进程：正在运行的应用程序。
端口：传输层的TCP和UDP为了识别出所传输的数据是发送给哪个进程，设定了一个程序的编号，这个编号就是端口。
- 端口号总长16比特，范围也就是0~65535。0一般不用，所以允许有65535个不同的端口号。
- 公认端口：0~1023，明确与某种服务绑定，比如各种协议。
- 注册端口：1024~65535：松散的绑定一些服务，也就是有许多服务绑定这些端口。
- 一个端口只对应一个进程，但是一个进程可以有多个端口。

二、TCP协议

1. TCP概述

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在TCP/IP协议族中，TCP协议是基于网络层的IP协议。IP协议是一个不可靠的协议，也就是不能够保证数据传输的可靠性，而TCP协议给IP协议提供了一个可靠的环境；IP协议解决了数据的传输路由和地址问题，TCP协议就不用再关心路由和寻址。

2. TCP数据段

数据段是传输层传输数据的基本单元，TCP数据段主要分为TCP头部和上层数据分割后获得到的数据单元。头部包含了控制TCP行为的各种字段，而数据部分则承载实际要传输的数据。下面是TCP数据段的主要内容：

源端口号（Source Port）：16位，标识发送端的端口号。
目的端口号（Destination Port）：16位，标识接收端的端口号。
序列号（Sequence Number）：32位，用于标识从TCP源端向目的端发送的字节流中的每个字节的序号。这个序号确保了数据的有序传输。
确认号（Acknowledgment Number）：32位，当TCP段不包含数据时，这个字段表示接收端期望收到的下一个字节的序列号。如果包含数据，则表示对已成功接收数据的确认。比如确认号是101，表示前100个字节已经收到了，希望下次能够从第101个字节开始。
数据偏移（Data Offset）：4位，这里的偏移是指TCP数据段中实际数据距离TCP数据段起始位置的长度，也就是TCP数据段的头部长度。所以这个字段可以被叫做头部长度（Heading Length）。
保留（Reserved）：6位，保留位，目前必须置为0。
控制位（Control Flags）：6位，也称为标志位，用于控制TCP的行为，描述了两端节点当前的状态。包括：
- URG（紧急位、Urgent Pointer field significant）：表示紧急指针字段是否有效，当URG=1时，紧急指针字段有效。
- ACK（确认位、Acknowledgment field significant）：表示确认号字段是否有效，当ACK=1时，确认号字段有效；ACK=0时，确认号字段无效。
- PSH（急迫位、Push Function）：提示接收端应尽快将这个报文段交给应用层。
- RST（重置位、Reset the connection）：用于重置由于某种原因出现错误的连接。
- SYN（同步位、Synchronize sequence numbers）：用于建立连接，在建立连接时用来同步序列号，以开始一个新的连接。SYN为1表示希望建立连接。
- FIN（结束位、No more data from sender）：用于断开连接，表示发送端已经发送完所有数据，请求释放连接。当FIN=1时，告诉对方数据发送完成，可以断开连接。
窗口大小（Window Size）：16位，用于流量控制。它告诉发送端接收端还能接收多少数据。
检验和（Checksum）：16位，用于错误检测。它覆盖了整个的TCP段，包括TCP头部、数据和TCP伪头部。
紧急指针（Urgent Pointer）：16位，仅当URG控制位被设置时才有效。它指出了包中的紧急数据的结束位置。
选项（Options）：可变长度，用于各种附加功能，如最大报文段大小（MSS）、窗口缩放、选择确认（SACK）、时间戳等。
数据（Data）：实际传输的数据内容，其长度由数据偏移字段决定。

3. TCP建立连接（三次握手）

TCP在传输数据前创建连接的过程本叫做三次握手，客户端和服务端间的交互需要涉及三个报文。

第一次握手：客户端发送一个序列号seq=X和同步位SYN=1的报文给服务端，请求建立连接。
第二次握手：服务端收到客户端的连接请求后，会回复一个序列号seq=Y、同步位SYN=1和确认位ACK=1的报文给客户端，表示同意建立连接。
第三次握手：客户端收到服务端的同意连接后，会再发送一个序列号seq=X+1、确认号ack=Y+1和确认位ACK=1的报文给服务端，表示收到确认报文。完成三次握手，两端完成连接的建立。

之所以要进行三次握手，是因为网络要双向互通，三次握手可以保证双方正常通信。第一次握手确保客户端的发送能力正常，第二次握手确保服务端的接收能力正常和发送能力正常。第三次握手确保客户端的接收能力正常。

4. TCP断开连接（四次挥手）

当数据完成传输，客户端和服务端不再有数据传输的需求，就会断开TCP连接。该过程被称为四次挥手，客户端和服务端间的交互涉及四个报文。

第一次挥手：客户端发送一个序列号seq=U和结束位FIN=1的报文给服务端，告诉服务端数据发送完成，可以断开连接。
第二次挥手：服务端接收到断开连接的需求后，会回复一个序列号seq=V、确认号ack=U+1和确认位ACK=1的报文。
第三次挥手：服务端传输数据完成后，会发送一个序列号seq=W、确认号ack=U+1和结束位FIN=1的报文给客户端。
第四次挥手：客户端收到后，会发送一个序列号seq=U+1、确认号ack=W+1和确认位ACK=1的报文给服务端。

三、UDP协议

1. UDP概述

UDP是一种无连接的传输层通信协议，提供面向事务的简单不可靠传输的传输层协议。和TCP协议不同，不能够给数据提供传输保障，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

2. UDP数据段

UDP数据段主要分为UDP头部和来自上层的实际数据，与TCP数据段相比，构成简单，包括以下内容：

源端口号（Source Port）：16位，标识发送端的端口号。如果发送端不是由用户应用程序指定端口，则此字段可以是0，表示无端口。
目的端口号（Destination Port）：16位，标识接收端的端口号。
长度（Length）：16位，指定UDP数据报的长度，包括UDP头部和UDP数据的长度。如果计算结果为奇数，需要在数据部分填充一个字节，以确保整个数据报的长度是8字节的倍数。
校验和（Checksum）：16位，用于错误检测，覆盖UDP头部、UDP数据以及一个假想的UDP伪头部。如果校验和为零，表示没有进行校验和计算。
- UDP伪头部是在计算校验和时使用的，它包含以下内容：
  1. 源IP地址：32位，发送端的IP地址。
  2. 目的IP地址：32位，接收端的IP地址。
  3. 协议（Protocol）：8位，指定了传输层协议，对于UDP来说，这个值是17。
  4. UDP长度：16位，UDP数据报的长度，不包括伪头部。
- 伪头部仅在计算校验和时使用，并不实际在网络中传输。它的目的是让UDP校验和能够覆盖到IP头部的一些关键字段，从而提供端到端的错误检测。
数据（Data）：实际的数据部分。