自顶向下---运输层

Posted 2020-08-17 wj_hubei

同为端到端的通信，传输层与网络层的区别是什么？

任务：负责向两个主机中应用进程之间的通信提供服务（提供逻辑通信）。

区别：运输层为运行在不同主机上的进程之间提供端到端的逻辑通信，但网络层是提供主机之间的逻辑通信。

 

一、多路分解与多路复用

　　每个运输层的报文段中设置了几个字段，包括源端口号和目的端口号等。多路分解就是，在接收端，运输层检查这些字段并标识出接收套接字，然后将该报文定向到该套接字。其工作方式可以简单地认为是这样的，主机上的每个套接字被分配一个端口号，当报文到达主机时，运输层检查报文段中的目的端口号，并将其定向到相应的套接字。多路复用就是从源主机的不同套接字中收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息从而生成报文段，然后将报文段传递到网络层中去。

1、无连接的多路复用和多路分解

　　在运输层，无连接的网络传输是通过UDP来实现的。UDP报文中只有源端口号和目的端口号，一个UDP套接字是由一个含有目的IP地址和目的端口号的二元组来全面标识的。在客户端，源端口号是客户进程套接字的端口号，目的端口号是服务器的端口号。而在服务器端，源端口号是服务器的创建的套接字的端口号，而目的端口号是客户端的套接字的端口号。

　　注意：使用UDP来传输报文段时，一个UDP套接字是由一个含有目的IP地址和目的端口号的二元组来全面标识的。因此，如果两个UDP报文段有不同的源IP地址和源端口，但具有相同的源IP地址和目的端口号，那么这两个报文段将通过相同的目的端口号定向到相同的目的进程。这里没有过多地说明IP地址，是因为IP地址是网络层的知识，所以没有提及，我们现在只须知道，IP地址对应着一台主机，而端口号对应着一台主机上的一个进程（或套接字）。

2、面向连接的多路复用和多路分解

　　网络上主机间的进程间通信，实质上是通过套接字来实现的。在运输层中面向连接的网络传输多使用TCP，而TCP套接字和UDP套接字之间有一个细微的差别，就是，TCP套接字是由一个四元组（源IP地址、源端口号，目的IP地址，目的端口号）来标识的。这样，当一个TCP报文段从网络到达一台主机时，主机会使用全部4个值来将报文段定向，即多路分解到相应的套接字。

　　与UDP不同的是，两个具有不同源IP或源端口号的到达的TCP报文段将被重定向到两个不同的套接字。

　　尽管如此，而TCP的多路利用和多路分解的工作原理与无连接的UDP的多路复用和多路分解的原理还是大致一样的。

 　　

　　想想为什么TCP的多路复用和多路分解要这样设计呢？

　　这是因为TCP和UDP对待接收到的数据的处理方式不同所致的。我们以服务器上的TCP套接字和UDP套接字为例，假定服务器接收客户端的数据，并把数据发送回客户端。当一个UDP服务器接收到一个UDP报文段时，它会根据收到的UDP报文段的源IP和源端口号，把数据发送回客户端，它并不需要创建一个新的套接字来处理该报文段；而对于一个TCP服务器，当它接受一个连接时，它会产生一个新的套接字，然后通过新的套接字来与客户端通信，也就是通过新的套接字来把数据发送回给客户端。由于每一个连接都会产生一个新的套接字，所以具有不同的源IP或源端口号的连接就是一个不同的连接，对应着产生的新的不同的套接字。

二、UDP

　　UDP（用户数据报协议，User Datagram Protocol），它只是做了运输层协议能够做的最少工作，除了多路复用和多路分解及一些差错检测外，它几乎没有做任何东西。如果应用程序使用的运输层协议是UDP，则应用程序几乎是直接与IP打交道的。

 

　　同时，UDP也是一种无连接的运输层协议，因为在使用UDP时，在发送报文段之前，发送方和接收方的运输层实体之间没有进行握手，所谓的握手，就是发送方和接收方通过发送一些特定的报文段来互相确认，从而为发送做准备。

 

　　UDP为网络层以上和应用层以下提供了一个简单的接口。UDP只提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份（所以UDP是不可靠的数据报协议），也不要求接收方回复接收成功确认，也不会重发数据，不提供流量控制，更不提供拥塞控制。UDP在IP数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验（字段）。

UDP报文段结构

　　从上图可以看出，UDP首部只有4个字段，每个字段由两个字节组成。

 　　源端口号：本机（客户端）的应用程序的套接字所对应的端口号，服务器端可利用此端口号向客户端发送数据。

 　　目的端口号：服务端上的应用进程的套接字所对应的端口号，例如HTTP服务器的80端口。

 　　长度：指明了首部和数据部分的UDP报文段的总长度，单位为字节，即首部+数据。

 　　检验和：提供了差错检测功能，即检验和用于确定当UDP报文段从源到达目的时，其中的比特是否发生了改变。事实上，计算检验和时，除了UDP报文段以外还使用了IP首部的一些字段。注意，它只能检测到一个报文段发生了错误，但并不能纠正这个错误。　　

UDP的优势

　　从UDP的概述中，我们可以看到，UDP其实并不提供什么服务，而TCP则为我们提供了非常吸引的服务（如数据备份、重发机制、流量控制、接收确认、拥塞控制等等），实现的是一个可靠的传输。为什么还在存在UDP这个东西呢？每一样事物都有它的优点，而且很多时候，事物的缺点恰恰就是它的优点。我为何这么说，下面就来看看它的优势吧！

　　1、应用层能更好发控制要发送的数据和发送时间。

　　为什么采用UDP的应用层能更好地控制发送的数据和时间呢？因为UDP只提供最简单、服务最少的服务，所以当网络应用进程有数据传递给UDP时，UDP马上就会将此数据打包成UDP报文段，并把它交付给网络层，从而把数据发送出去。相反，由于TCP提供了各种的机制，特别是拥塞控制，以便让源和目的主机间的一条或多条链路变得非常拥塞时，遏制运输层TCP发送方，从而让因特网电话、视频会议之类的实时应用性能变得很差。再者，TCP还会继续重发数据报文段直到目的主机收到此报文并加以确认，点面结合 不管可靠的交付需要多少时间。TCP的这些特性，对于一些实时应用来说通常是不适合的，因为它们通常要求以最快的发送速率发送数据，而不想过分地延迟报文的传送，而且它还能容忍一些数据丢失，所以没用必要使用TCP，使用TCP还会增加额外的负担。

　　2、无需连接建立

　　如上述的那样，UDP是一个无连接的运输层协议，而TCP在开始数据传输之前要经过三次握手。UDP由于它是一个无连接的协议，所以可以不需要任何准备即可进行数据传输，因此它不会引入建立连接的时延。所以DNS运行在UDP之上而不是TCP之上，因为如果DNS运行在TCP之上，则会由于要建立过多的连接而产生过长连接延时，从而让DNS运行得很慢。

　　3、无连接状态

　　TCP由于在提供各种可靠传输的服务，需要在端系统中维护连接状态。此连接状态包括接收和发送缓存、拥塞控制参数、序号与确认序号等参数。而UDP不维护连接状态，也不跟踪这些参数。因此，使用UDP的服务器能支持更多的活动客户机。

　　4、分组首部开销小

　　由于UDP提供的服务少，只提供多路分解和多路复用和校验功能，所以其首部字段少，只有8个字节，而TCP的首部有20个字节。

三、TCP

　　TCP作为一个可靠的连接协议最大的特点就是面向连接的，即在发送数据之间要建立连接，数据传输过程中要维护连接，数据发送完毕之后要释放连接。在此基础上TCP提供可靠的传输：

1. 可靠交付：TCP传递的数据无差错、无丢失、无重复、且按序到达；
2. 全双工通信：TCP通信的每一段都维护着一个发送缓存和接收缓存；
3. 面向字节流：TCP协议把上层交付的应用层数据单纯地看成是一系列无结构的字节流；

     TCP连接的端点不是主机中的应用进程，而是应用进程维护的套接字接口（socket），其基本的结构包含【IP：Port】；

TCP报文格式如下:

• 源端口或目的端口（分别2个字节）：略。
• 序号（4个字节）：TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。报文段中的序号值是本报文段所发送的数据的第一个字节的编号。例如一报文段序号值为101，数据共有100字节，那么下一报文段序号值就为201。因为序号的大小是[0,2^32 -1],超出了循环从0开始，所以序号是使用mod2^32运算的。
• 确认号（4个字节）：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
• 数据偏移（又称首部长度）（4位）：指出TCP报文段的数据起始处距离TCP首部的起始处有多远。实际上就是指出TCP首部长度。该字段指示了以32bit的字为单位的TCP首部长度。由于TCP选项字段的原因，TCP首部的长度是可变的。因此，数据偏移的单位是4个字节，而4位二进制的最大值是15，则说明首部最大只能是15*4=60字节。其实选项字段最大只能为40字节。
• 保留（6位）：略。
• 紧急URG：表明紧急指针子字段有效。
• 确认ACK：等于1时确认号字段才有效。TCP规定连接建立后所有传送报文度必须把ACK置1。
• 推送PUSH：表明需要尽快地交付接收应用进程，不再等整个缓存都填满后再向上交付。
• 复位RST：等于1时表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接再重新建立。
• 同步SYN：用于连接建立时同步序号的。
• 终止FIN：用来释放一个连接。
• 窗口（2个字节）：该字段用于流量控制，指示接收方愿意接收的字节数量。因为接收方的接收缓存有限。窗口值是动态变化的。
• 检验和（2个字节）：检验和检查的范围包括首部和数据。
• 紧急指针（2个字节）：指出紧急数据的末尾在报文段中的位置。即使窗口值为零也可以发送紧急数据。
• 选项（最大可达40个字节）：略。

 

 未完待续。。。。。

 

 

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