对网络传输层的理解

从这篇博客起来总结计算机网络中传输层的部分。

传输层服务和协议概述

传输层协议为运行在不同host上的进程也就是应用进程提供了一种逻辑通信机制。什么叫逻辑通信机制呢？指的就是两个进程之间仿佛是直接连接的，它不需要关心这期间有多远的物理距离，经过了多少路由器，使用了哪些物理层等等。端系统运行传输层协议，其中发送方将应用递交的消息分成一个或多个的报文段，并向下传给网络层。接收方将接收到的报文段组装成消息并向上交给应用层。

传输层协议

可靠、按序的交付服务（TCP）

• 拥塞控制
• 流量控制
• 连接建立

不可靠的交付服务（UDP）

基于“尽力而为”的网络层，没有做扩展。

复用和分用

复用：从多个报文段接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成报文段，交给网络层。

分用：传输层依据头部信息将收到的报文段交给正确的socket，即不同的进程。如下图所示：

主机2上面运行着两个进程，分别是P1和P2，主机1的P3进程会给主机2的P1进程发报文段，主机3的P4进程会给主机2的P2进程发报文段，那么主机2的传输层作为接收端就要进行多路分用，就是要将报文段正确的交给对应的进程。主机收到报文段之后，传输层协议提取IP地址和端口号信息，将报文段导向相应的socket。

UDP

User Datagram Protocol用户数据报协议，基于IP协议，进行多路复用/分用和错误校验的工作。UDP提供一种尽力而为的服务模型，这是因为IP就是一种尽力而为的机制，而UDP在IP的基础上没有附加太多的东西所以就造成了这种不可靠的特性。UDP发送方和接收方之间不需要握手，每个UDP段的处理独立于其他段。

UDP为什么存在？

1.UDP无需建立连接，所以就会减少延迟的时间，这也就是为什么DNS用的是UDP而不是TCP。

2.实现简单，无需维护连接状态。

3.头部开销少。

4.没有拥塞控制，应用可以更好的控制发送时间和速率。

UDP的用途

常用于流媒体应用，容忍流失，速率敏感。还用于DNS，SNMP协议等。

在UDP上实现可靠性传输？

• 在应用层增加可靠性机制
• 应用特定的错误恢复机制

TCP

Transmission Control Protocol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。有以下几个特点：

• 点对点
• 可靠的，按序的字节流
• 采用流水线机制
• 能够对发送方/接收方进行缓存

通信双方在发送数据之前必须建立连接，连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态。TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等。

下图是TCP的段结构

其中介绍一下这几个标志位

• ACK——确认连接
• RST——复位
• SYN——请求建立连接
• FIN——终止连接

seq序列号——报文段中的一个字节的编号

ack——希望接收到的下一个字节的序列号

TCP三次握手

如上图所示简述一下tcp三次握手的过程：客户机发起建立连接的请求，发送报文段SYN=1，seq为初始的序列号。服务器端如果同意建立连接会返回一个报文段，SYN=1，ACK=1，选择自己的初始序列号，ack=上一个报文段seq+1，表示上一段的消息收到，下一次希望从这个位置开始接收数据。客户端收到来自服务端的反馈时，ACK=1，seq=上一个报文段ack+1刚好就是客户机所希望的，然后设置ack=上一个报文段seq+1。

为什么要三次握手？

我所了解的原因有两个。

第一，防止已经失效的连接请求突然发送到了客户端，也就是说当客户端发送连接请求后，服务器一直没有进行及时响应，后来突然进行这条请求的响应传到了客户端（我相信这时候客户端是懵逼的），很显然这时候这条响应已经失效了，但如果是两次握手那么这种情况就会造成一系列错误。

第二，假定客户机给服务器发送连接请求，服务器收到，发送确认应答表示已经成功的建立连接并开始发送数据。可是，客户端在服务器的应答在传输中丢失，客户端不知道服务器是否准备好，甚至怀疑是否收到连接请求。在这种情况下，客户端认为服务器连接未建立成功，将忽略服务端发来的数据，只能等待链接确认信号，而服务端在发出超时后，重复发送，形成死锁。

TCP四次挥手

客户端向服务器发送FIN控制 报文段，表示我已经没有数据向你传送了，请求断开。服务端收到FIN后，回复ACK，表示我收到你的关闭请求，进入等待关闭状态。当服务端也没有数据向客户端传送时，向客户端发送FIN表示我也没有数据向你发送。客户端收到FIN后，回复ACK，表示我收到你的关闭请求，进入最终确认状态。发送到服务端后，连接关闭。

为什么要四次挥手？

这是由于TCP的半关闭造成的，因为在客户端给服务端发送关闭请求服务端也给予回应后，服务端给客户端数据是流动的，也就是说服务端是可以向客户端发送数据的。所以，必须要再进行一次确认关闭，才能完全结束这个过程。

TCP流量控制

接收方为TCP连接分配buffer，左边是IP传递来的数据，右边传递给上层的应用进程。上层应用可能处理buffer中的数据的速度较慢，但是传输的速度又比较快，可能会导致buffer溢出，所以就要利用流量控制来控制传输的速度和数量，避免buffer溢出淹没接收方。