运输层

运输层概述

运输层提供应用层端到端通信服务，通俗的讲，两个主机通讯，也就是应用层上的进程之间的通信，也就是转换为进程和进程之间的通信了，我们之前学到网络层，IP协议能将分组准确的发送到目的主机，但是停留在网络层，并不知道要怎么交给我们的主机应用进程，通过前面的学习，我们学习有mac地址，通过mac地址能找到同一个网络下主机，有IP地址，通过ip地址能找到不同网络下的网络，结合mac地址就能找到对应主机，那么怎么找到主机应用进程呢，肯定也有一个东西来标识它，那就是我们常说的端口了。

端口

占有16位，其大小也就有65536个，是从0~65535.也就是一台计算机有65535个端口，主机之间的通讯，也就是应用进程之间的通讯，都要依靠端口，一个进程对应一个端口，进程A和进程B通信，进程A分到的端口为60000，进程B分到的端口为60001，进程A通过端口60000发送数据给进程B，就知道要交给60001端口，也就到了进程B中，这样就达到了通信的目的。

熟知端口、登记端口、客户端端口

  • 熟知端口：0-1023， 也就是一些固定的端口号，比如http使用的80端口，意思就是在访问网址时，我们访问服务器的端口就是80，然后服务器那边传网页的数据给我们。
  • 登记端口：1024-49151，比如微软开发了一个系统应用，该应用在通讯或使用时，需要使用到xxx端口，那么就要去登记一下这个端口，以免有别人公司的应用使用同一个端口号，例如，windows系统中的3389端口，就是用来实现远程连接的，就固定了这台计算机如果要使用远程连接服务，就打开3389端口，别人就能使用远程连接连你了，默认是不打开的。
  • 客户端端口：49152-65535，一般我们使用某个软件，比如QQ，等其他服务，随机拿这个范围内的端口，而不是去拿前面哪些固定的，拿到等通讯结束后，就会释放该端口。

运输层就是将两个端口连起来通信的介质，不然光知道两个端口有什么用，怎么通信的，还是要靠运输层来做这个事情，其中重要的就是靠两个协议，UDP和TCP协议。

UDP协议

UDP:User Datagram Protocol 用户数据报协议，无连接、不可靠

  • 无连接：意思就是在通讯之前不需要建立确定连接，直接传输数据。
  • 不可靠：是将数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证数据报能够到达另一端，任何必须的可靠性都由应用程序提供。在 UDP情况下，虽然可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会达到目的端。没有超时和重传功能，当 UDP 数据封装到 IP 数据报传输时，如果丢失，会发送一个 ICMP差错报文给源主机。即使出现网络阻塞情况，UDP也无法进行流量控制。此外，传输途中即使出现丢包，UDP 也不负责重发，甚至当出现包的到达顺序杂乱也没有纠正的功能。

UDP的首部格式image

UDP首部
  • 源端口号：占16位，源主机的应用进程所使用的端口号
  • 目标端口号：占16位，目标主机的应用进程所使用的端口号，也就是我们需要通信的目标进程
  • UDP报长度：UDP用户数据报的长度，数据部分+UDP首部之和为UDP报长度。
  • 检验和：检验和是为了提供可靠的 UDP首部和数据而设计，这里不要和上面的不可靠传输搞混淆了，这里提供可靠的UDP首部，是因为一个进程可能接受多个进程过来的报文，那么如何区分他们呢，就是通过5个东西来进行区分的， “源IP地址”、“目的IP地址”、“协议号”、“源端口号”、“目标端口号”的，这个检测可靠，是检测接受哪个正确的报文，也就是说是哪个报文要进这个端口，那个不可靠，说的是这个报文可能丢失，可能其中数据损坏了我们不关心，但是这些的前提是，你得传输到正确的目的地去。
UDP伪首部

就是拿到IP层的一些数据，因为要进行检验和，就必须要有这些数据。其中检验的算法跟IP层中检验首部的办法是一样的。image

一个目标进程中，其中的报文，目标端口，目标ip地址肯定都一样的，但是源IP地址和源端口就可能不一样，这就说明了不同源而同一目的地的报文会定位到同一队列。这跟接下来我们要讨论的TCP不一样，因为UDP是无连接的，大家都是用这一条通道，所以其队列中就会出现上面所说的这样的情况。

使用UDP协议的例子：
  • 应用层协议中DNS，也就是根据域名解析ip地址的一个协议，他使用的就是UDP
  • DHCP,这个是给各电脑分配ip地址的协议，其中用的也是UDP协议
  • IGMP，我们说的多播，也就是使用的UDP，在多媒体教师，老师拿笔记本讲课，我们在下面通过各自的电脑看到老师的画面，这就是通过UDP传输数据，所以会出现有的同学卡，有的同学很流畅，就是因为其不可靠传输，但是卡一下，对接下来的观看并没有什么影响

TCP协议

TCP协议是面向连接的、可靠传输、有流量控制，拥塞控制，面向字节流传输等很多优点的协议。其最终功能和UDP一样，在端和端之间进行通信，但是和UDP的区别还是很大的。

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TCP报文的结构
  • 源端口号
  • 目标端口号
  • 序列号：因为在TCP是面向字节流的，他会将报文度分成一个个字节，给每个字节进行序号编写，比如一个报文有900个字节组成，那么就会编成1-900个序号，然后分几部分来进行传输，比如第一次传，序列号就是1，传了50个字节，那么第二次传，序列号就为51，所以序列号就是传输的数据的第一个字节相对所有的字节的位置。
  • 确认应答：如刚说的例子，第一次传了50个字节给对方，对方也会回应你，其中带有确认应答，就是告诉你下一次要传第51个字节来了，所以这个确认应答就是告诉对方要传第多少个字节了
  • 首部长度：就是首部的长度
  • 保留：给以后有需要在用，这个保留的位置放的东西是跟控制位类似的
  • 控制位：目前有的控制位为6个
  • URG:紧急，当URG为1时，表名紧急指针字段有效，标识该报文是一个紧急报文，传送到目标主机后，不用排队，应该让该报文尽量往下排，让其早点让应用程序给接受。
  • ACK:确认，当ACK为1时，确认序号才有效。当ACK为0时，确认序号没用
  • PSH：推送，当为1时，当遇到此报文时，会减少数据向上交付，本来想应用进程交付数据是要等到一定的缓存大小才发送的，但是遇到它，就不用在等足够多的数据才向上交付，而是让应用进程早点拿到此报文，这个要和紧急分清楚，紧急是插队，但是提交缓存大小的数据不变，这个推送就要排队，但是遇到他的时候，会减少交付的缓存数据，提前交付。
  • RST:复位，报文遇到很严重的差错时，比如TCP连接出错等，会将RST置为1，然后释放连接，全部重新来过。
  • SYN：同步，在进行连接的时候，也就是三次握手时用得到，下面会具体讲到，配合ACK一起使用
  • FIN：终止，在释放连接时，也就是四次挥手时用的。
  • 窗口：指发送报文段一方的接受窗口大小，用来控制对方发送的数据量(从确认号开始，允许对方发送的数据量)。也就是后面需要讲的滑动窗口的窗口大小
  • 检验和：检验首部和数据这两部分，和UDP一样，需要拿到伪首部中的数据来帮助检测
  • 选项：长度可变，介绍一种选项，最大报文段长度，MSS。能够告诉对方TCP，我的缓存能接受报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节。如果没有使用选项，那么首部固定是20个字节
  • 填充：就是为了让其成为整数个字节
面向连接

(三次握手)：在通信之前，会先通过三次握手的机制来确认两端口之间的连接是否可用。而UDP不需要确认是否可用，直接传。

三次握手机制image
  1. 一开始客户端和服务端都市关闭状态，但是在某个时刻，客户端需要和服务端进行通信，此时双方都会各自准备好端口，服务器段的端口会处于监听状态，等待客户端的连接。客户端可会知道自己的端口号，和目的进程的端口号，这样才能发起请求。
  2. 第一次握手：客户端想与服务器进行连接了，所以状态变为主动打开，同时发送一个连接请求报文给服务器段SYN=1，并且会携带x个字节过去。发送完请求连接报文后，客户端的状态就变为了SYN_SENT，可以说这个状态是等待发送确认(为了发送第三次握手时的确认包)
  3. 第二次握手：服务端接收到连接请求报文后，从LSTTEN状态变为被动打开状态，然后给客户端返回一个报文。这个报文有两层意思，一是确认报文，而可以达到告诉客户端，我也打开连接了。发完后，变为SYN_RCVD状态(也可以说是等待接受确认状态，接受客户端发过来的确认包)
  4. 第三次握手：客户端得到服务器端的确认和知道服务器端也已经准备好了连接后，还会发一个确认报文到服务器端，告诉服务器端，我接到了你发送的报文，接下来就让我们两个进行连接了。客户端发送完确认报文后，进入ESTABLISHED，而服务器接到了，也变为ESTABLISHED，进入到ESTABLISHED状态后，连接就已经完成了，可以进行通信了。
问题：为什么需要第三次握手，有前面两次不就已经可以了吗？

假设没有第三次握手，客户端发送一个连接请求报文过去，但是因为网络延迟，在等待了一个超时时间后，客户端就会在重新发一个请求连接报文过去，然后正常的进行，服务器端发回一个确认连接报文，然后就开始通讯，通讯结束后，那个第一次因为网络延迟的请求连接报文到了服务器端，服务器端不知道这个报文已经失效，也发回了一个确认连接报文，客户端接收后，发现自己并没有发送连接请求(因为超时了，所以就认为自己没有发)，所以对这个确认连接请求就什么也不做，但是此时客户端不这么认为，他认为i连接已经建立了，就一直打开着等待客户端传数据过来，这就造成了极大的浪费。如果有了第三次握手，那么客户端就可以通知服务器了。所以第三次握手也很重要。

同时打开连接请求

正常情况下，通信一方请求建立连接，另一方响应该请求，但是如果出现，通信双方同时请求建立连接时，则连接建立过程并不是三次握手过程，而且这种情况的连接也只有一条，并不会建立两条连接。同时打开连接时，两边几乎同时发送 SYN，并进入 SYN_SENT状态，当每一端收到 SYN 时，状态变为 SYN_RCVD，同时双方都再发 SYN 和 ACK 作为对收到的 SYN 进行确认应答。当双方都收到 SYN 及相应的 ACK 时，状态变为 ESTABLISHEDimage

  • 可靠传输
    通过数据编号和积累确认、以字节为单位的滑动窗口、超时重传时间 、快速重传这四个方面来达到可靠传输的目的。

    • 数据编号：将每个字节进行编号，有900个字节，就从1到900进行编号
    • 积累确认：服务器端不是接收到一个字节就发一个确认，那样效率太低，而是当接收到4，5个时，在发送一个确认，那么在之前的确认之前的数据就算发送成功了的。
    • 滑动窗口：这个跟在数据链路层讲个滑动窗口一样。每次能发送的数据是在此窗口中的，接到了多少数据，就往后滑多少数据
    • 超时重传时间：这个也在链路层讲过，如果等待一段时间后，还没接收到确认报文，那么就重新传
    • 快速重传：在滑动窗口中的应用，比如传了12346到服务器端，老办法是在4之后的所有数据度要重新传，而这个快速重传就只需要等待传了5这个序号，就可以继续往下接收数据了。

  • 流量控制
    在传输层中，有接受缓存和发送缓存这两个东西的存在，所以每次发送数据过去另一端时，都会把这些数据给带过去，让对方知道自己的这两个缓存的大小，然后来合理的设置自己的发送窗口的大小，如果对方的缓存快满了，对方在传送数据过来的时候，就会告诉自己，少发一点数据过来，自己就设置滑动窗口小一点，让对方有缓冲的机会，而不会导致缓存溢出，不让自己的报文被丢弃。

  • 拥塞控制
    其实跟流量控制差不多，但是站的角度更大，此时既考虑了对方接收不过来，缓存太多溢出导致，又考虑在线路中，线路上的传输速率就那么大，但是有很多人同时用，发送的数据太多，就会使线路发现拥塞，也就是路由器可能转发不过来，导致大量数据丢失，这两个问题。所以拥塞控制这个解决方案，大概意思就是当检测到有网络拥塞时，就会让自己的滑动窗口变小，但具体是怎么变化的，就是根据算法来算了，发送窗口的上限值 = Min[rwnd，cwnd]

    • rwnd：接受窗口，根据接受缓存，而定的接受窗口，接收缓存还有很多，那么接收窗口就大
    • cwnd：拥塞窗口，根据线路中的拥塞状况来决定，线路中不拥塞，那么此窗口就大，
      发送窗口是取两个中较小值。这个还是可以理解的。慢启动算法、快速恢复算法、结合来达到对拥塞进行控制的
TCP释放连接时的四次挥手image
  • 第一次挥手：从ESTABLISHED变为主动关闭状态，客户端主动发送释放连接请求给服务器端，FIN=1。发送完之后就变为FIN_WAIT_1状态，这个状态可以说是等待确认状态。
  • 第二次挥手：服务器接收到客户端发来的释放连接请求后，状态变为CLOSE_WAIT，然后发送确认报文给客户端，告诉他我接收到了你的请求。为什么变为CLOSE_WAIT，原因是是客户端发送的释放连接请求，可能自己这端还有数据没有发送完呢，所以这个时候整个TCP连接的状态就变为了半关闭状态。服务器端还能发送数据，并且客户端也能接收数据，但是客户端不能在发送数据了，只能够发送确认报文。客户端接到服务器的确认报文后，就进入了FIN_WAIT_2
    状态。也可以说这是等待服务器释放连接状态。
  • 第三次挥手：服务器端所有的数据度发送完了，认为可以关闭连接了，状态变为被动关闭，所以向客户端发送释放连接报文，发完之后自己变为LAST_WAIT状态，也就是等待客户端确认状态
  • 第四次挥手：客户端接到释放连接报文后，发送一个确认报文，然后自己变为TIME_WAIT,而不是立马关闭，因为客户端发送的确认报文可能会丢失，丢失的话服务器就会重传一个FIN，也就是释放连接报文，这个时候客户端必须还没关闭。当服务器接受到确认报文后，服务器就进入CLOSE状态，也就是关闭了。但是由于上面说的这个原因，客户端必须等待一定的时间才能够进入CLOSE状态。
同时关闭连接

正常情况下，通信一方请求连接关闭，另一方响应连接关闭请求，并且被动关闭连接。但是若出现同时关闭连接请求时，通信双方均从 ESTABLISHED 状态转换为 FIN_WAIT_1状态。任意一方收到对方发来的 FIN 报文段后，其状态均由 FIN_WAIT_1转变到 CLOSING 状态，并发送最后的 ACK 数据段。当收到最后的ACK数据段后，状态转变化TIME_WAIT，在等待 2MSL 时间后进入到 CLOSED 状态，最终释放整个TCP传输连接。