运输层(Transport Layer)&&传输控制协议TCP

本文详细介绍了TCP协议的关键特性,包括其面向连接的服务、可靠的数据传输机制、流量与拥塞控制策略等。同时,还深入探讨了TCP报文段的组成结构及其各个字段的功能,如源端口、目的端口、序号、确认号等,并解释了如何利用端口实现进程间的通信。

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运输层(Transport Layer)&&传输控制协议TCP

 

TCP的字段名称以及表示意义

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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。 

 

进程之间的通信

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  • 两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。 

  • 应用进程之间的通信又称为端到端的通信。 

  • 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。

  • “运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是:运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。

 

运输层协议和网络层协议的主要区别

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运输层的主要功能

  • 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。

  • 运输层需要有两种不同的运输协议,即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。

 

两种不同的运输协议

  • 运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节(如网络拓扑、所采用的路由选择协议等),它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

  • 当运输层采用面向连接的 TCP 协议时,尽管下面的网络是不可靠的(只提供尽最大努力服务),但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道

  • 当运输层采用无连接的 UDP 协议时,这种逻辑通信信道是一条不可靠信道。 

TCP&&UDP

  • 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)。

  • TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段(segment)

  • UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。 

  • 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。

  • 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。  

  • 运输层的 UDP 用户数据报与网际层的IP数据报有很大区别。IP 数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发,但 UDP 用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。

  • TCP 报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送,这种信道是可靠的全双工信道。但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器,而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了 TCP 连接。 

 

运输层的端口

  • 运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。

  • 运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符。这是因为在因特网上使用的计算机的操作系统种类很多,而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符

  • 为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信,就必须用统一的方法对 TCP/IP 体系的应用进程进行标志。 

端口号(protocol port number)

  • 虽然通信的终点是应用进程,‍‍但我们可以把端口想象是通信的终点,因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口,剩下的工作(即最后交付目的进程)就由 TCP 来完成。‍‍

三类端口

  • 熟知端口,数值一般为 0~1023。

  • 登记端口号,数值为1024~49151,为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在 IANA 登记,以防止重复。

  • 客户端口号或短暂端口号,数值为49152~65535,留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时,就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后,这个端口号可供其他客户进程以后使用。 

 

TCP的主要特点:

  • 面向连接的

  • 提供可靠的数据传输服务

  • 提供流量控制。TCP能够控制进程发送数据的速率,保证另一端不被大量的数据“淹没”而出现溢出。

  • 提供拥塞控制。当网络出现拥塞的时候,TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量,缓解拥塞。

  • 提供全双工通信。TCP提供双向的数据传输服务。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候发送数据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。

  • TCP是面向字节流的。TCP中的“流”是指流入到进程或从进程流出的字节序列。

 

TCP协议概述

  • TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。

  • TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到TCP 的缓存中是不关心的

  • TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节(UDP 发送的报文长度是应用进程给出的)。

  • TCP可把太长的数据块划分短一些再传送。TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。 

 

TCP 的连接

  • TCP 把连接作为最基本的抽象。

  • 每一条 TCP 连接有两个端点。

  • TCP 连接的端点不是主机,不是主机的IP 地址,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。   

TCP连接的端点——套接字

套接字 socket = (IP地址: 端口号) 

TCP 连接 ::= {socket1, socket2}  = {(IP1: port1), (IP2: port2)} 

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