传输层篇 | 03
如果从信息的处理角度来看，主要使用应用层提供通信服务的。我们平时对网络进行编程的时候，很多时候都是直接对接传输层（使用传输层的接口来进行网络的编程）。因此我们说传输层是用户功能的最底层，但是属于面向通信部分的最高层。
传输层的工作位置在计算机中。
对于网络中的路由器，并没有传输层在工作。也就是在通信的时候，传输层是工作在终端的设备。
传输层的作用：管理端到端的通信连接。
网络层的作用就是解决好虚拟的互联网络如何处理数据的路由，决定数据的走向。
网络层已经解决好了数据走向问题，那么在传输层就不关心了，重点关心的是两个端之间是如何进行通信的。
传输层的作用就是让两个进程建立可以在网络中建立通信。
操作系统中讲解的进程之间的通信是本机之间的进程通信，不能跨网络，跨设备。
计算机网络中将的进程通信是可以跨网络，跨设备的。
在计算机网络的传输层中需要引入端口的概念，用来标记不同的网络进程。
端口使用16bit表示（0~65535）
传输层主要就是学习两个协议： TCP & UDP
UDP协议详解
UDP相对于TCP来说是一个简单的协议。
UDP中比较重要的概念是数据表（Datagram）。数据报是UDP协议的一个重要特征。
数据报：应用层传输过来的完整数据。 UDP不会对该数据进行合并，也不会进行拆分，就是加上一个UDP头部就向下传递给网络层了。
UDP的数据长度主要由应用层传输的数据长度决定的，应用层传输的数据长度长，那么UDP的数据就长（应该仅仅加个UDP头部，不做任何其他处理）。
可以看出在各个网络层数据报的形式。
上图就是UDP数据报的格式。
可以看到，UDP的头部由四部分组成，将其和IP头部比对，UDP是一个简单的头部。
由于UDP的头部很简单，也没有办法保证数据会一定发送到，而且就算数据丢失了，也没有办法感知到。
UDP是面向报文传输的，它不会对报文进行任何的处理。而是直接塞进UDP的数据中，然后就发送出去了。
与之对应的TCP，这个后面会讲解。
上面就是UDP的特点
- UDP是无连接的
- UDP不能保证可靠的交付
- UDP是面向报文传输的
- UDP没有拥塞控制
- UDP的首部开销很小
TCP协议详解
字节流：流入进程或流出进程的字节序列。
从应用层传输下来的数据，UDP将其看成是一块数据，而TCP不见其看成是一块数据，而是会将其拆分，看作是一系列的字节流。TCP不是面向一整块数据（面向数据报）而是面向一个字节一个字节来处理的。
所以在TCP中，可能先取出数据的某一段来进行传输，然后剩下的数据在放到第二个TCP报文来进行传输。
TCP会对用户的数据进行拆分和合并操作，以保证数据可以更好的传输出去。
上面就是TCP的五个特点（对比UDP来写）
- TCP是有连接的
- TCP提供可靠的交付
- TCP是面向字节流的
- TCP有拥塞控制
- TCP首部开销比较大
- TCP是全双工通信
除了可选的，TCP头部的固定长度是20字节。
TCP给每一个字节都编号了，然后序号这里存储的就是这次TCP报文第一字节的序号。
例子：
计算机收到的TCP报文的序号是501，然后数据的长度有100个字节。计算机收到数据后，也就是501~600的字节都收到了，那么期望下一个传递归来的序列号是601。
确认号需要配合序号一起使用。
结论：确认号为N，则表示N-1序号的数据都收到
数据偏移：真实的TCP数据偏离首部的距离
通过数据偏移，可以计算出TCP头部的长度范围，最少为20，4*15=60，所以TCP头部的长度为[20,60]字。
需要有数据偏移是因为有TCP选项这一块内容，所以要有数据偏移来记录TCP头部的长度。
TCP标记是非常有用的， 包含后面的三次握手，四次挥手都要不断用到这里的TCP标记。
窗口指明允许对方发送的数据量，如果窗口的值为1000，那么就表示允许对方发送过来1000个字节。
窗口可以和确认好结合运算，比如确认号是501，窗口的值是1000，那么表示501~1500这么多个字节的数据都是可以接收的。
可靠传输协议的基本原理
可靠传输的基本原理，这里了解了两个协议：停止等待协议 & 连续ARQ协议
停止等待协议的核心是停止和等待。
连续ARQ协议的核心是滑动窗口和累计确认。
停止等待协议就如上图， 接收方和发送方一直处于停止等待，停止等待的过程。
第一种差错情况： 发送方没有收到确认消息，可能是发送方发出去的消息丢失了，那么发送方就会重新发送数据。
第二种差错情况：确认消息丢失，发送方没有收到确认消息，会超时重传。
第三种差错情况：确认消息没有丢失，但是迟到了。
停止等待协议的三种可能查重情况
- 发送消息在路上丢失
- 确认消息在路上丢失
- 确认消息很久才到
TCP中一共有四个定时器，这里学习第一个定时器——超时定时器。
这里不再一个一个字节发送，而是直接把窗口中的6个字节一起发送。
但是如果要一个字节一个字节确认的话，那么相当于是没有改进的。
例如上图，如果第5个字节收到了确认了，那么就表明序号5和之前的字节都收到了（这是确认号的作用）。
然后就可以直接向后推进，这样就省了很多次重复确认。
窗口控制与重发控制
-
确认报文丢失，这个其实是不要津的，可以通过后面的确认号来进行确认判断。
-
发送的报文丢失，那么接收方就会重复发送几次同样的一个确认号，接收方连续3次收到同一个确认号，就会将所对应的数据进行重发（快速重传）。
TCP协议的可靠传输
TCP的可靠传输是基于连续ARQ的。
选择重传重传的是一个边界，也就是一个范围，而不是某一个字节。
网络的速度不一定是按序的！如果先收到了25和27的确认应答，但是没有收到23，24的话，也要从23开始重传。
选择重传：TCP可以选择一些消息重新传输，而不是把所有消息重新传输。
（如果是按序收到的，那么就是连续ARQ协议，如果不是按序收到的，就可以选择重传！）
选择重传的重传序号存在TCP选项中，最多可以存放10个序号。
TCP协议的流量控制
流量控制是TCP协议的一个特有功能。
流量控制： 接收方通过控制窗口的大小，来约束发送方的发送速率
TCP协议的拥塞控制
流量控制和拥塞控制的差别。一个是考虑端到端的流量控制，一个是对网络全局的考虑。
拥塞控制主要有两个算法：慢启动算法 & 拥塞避免算法
慢启动先指数增长，增长到慢启动阈值就会停止，切换到拥塞避免算法。
网络拥塞的意思就是传输报文不会发生超时。
慢启动阈值一般都是告诉你的（怎么计算先不管了...）
上图就是是先进行慢启动，达到阈值之后在进行拥塞避免算法，不断去+1试探。
TCP连接的三次握手
上面就是上次握手的过程
-> SYN=1,seq=x
<- SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1
-> ACK=1,seq=x+1,ack=y+1
TCP的三次握手最主要是防止已过期的连接再次传到被连接的主机。
上图所示，如果发送方的请求报文进行了超时重传， 第二个报文先到了，并得到接收方回应，如果是两次握手的话，那么接收方回应时就建立了连接，发送方收到应答报文也建立连接。
但是问题是，如果超时报文接收方回应了，那么发送方收到这个应答报文，也会建立连接，那么就会建立两次连接，这是不对的。
为了避免上述问题，发送方在收到接收方的应答后，可以建立连接，并再发送一次确认报文，这样后面收到的请求应答报文都是无效的。而接收方再收到第三次握手才开始建立连接。
TCP连接的四次挥手
为什么接收方连续发送两次确认报文呢？因为结束连接是发送方主动请求的，发送方的数据是发送完成了，但是接收方可能还有数据需要接收，所以第一次应答报文是：好的，我知道了，等我收完数据先。然后接收方收完数据后就会发送第二条应答报文。
发送方收到第二次应答报文后，会进入一个等待时间2MSL（报文最长存活时间），防止应答报文没有发送出去，等待时间过了就进行关闭。
接收方收到发送方的应答报文就关闭了。
一般主动释放连接后，也是不能马上复用该端口的，就是因为有这个等待计时器的存在，要等待2MSL后才会释放端口（一般是4分钟左右）。
为什么要设置2MSL？
- 最后一个报文没有确认
- 确保发送方的ACK可以到达接收方
- 2MSL时间内没有收到，则接收方会重发
- 确保当前连接的所有报文都已经过期
套接字与套接字编程
服务端代码
import socket
def server():
# 创建套接字
s = socket.socket()
# 绑定套接字
host = 'localhost'
port = 6666
s.bind((host, port))
# 监听套接字
s.listen(5)
# 接收&处理消息
while True:
c, addr = s.accept()
print("Connect Addr: ", addr)
c.send(b"Welcome!")
c.close()
if __name__ == "__main__":
server()
客户端代码
import socket
def client(i):
# 创建套接字
s = socket.socket()
# 连接套接字
host = 'localhost'
port = 6666
s.connect((host, port))
# 发送信息
print("Recv msg:%s, Clinet: %d" % (s.recv(1024), i))
s.close()
if __name__ == "__main__":
for i in range(10):
client(i)
网络套接字的话，不管是不是本机，都要完整的走完整个协议栈。
域套接字本适合本机的进程之间通信，对系统资源消耗也小。