传输层：TCP UDP SCTP

Posted 2020-10-25 AlanTu

总图

虽然协议族被称为“TCP/IP”，但除了TCP和IP这两个主要协议外，还有许多其他成员。图2-1展示了这些协议的概况。

图2-1中同时展示了IPV4和IPV6。从右向左看该图，最右边的5个网络应用在使用IPV6，随后的6个网络应用使用IPV4。

最左边名为tcpdump的网络应用或者使用BSD分组过滤器（BPF），或者使用数据链路层提供者接口（DLPI）直接与数据链路层进行通信。处于其右边所以9个应用下面的虚线标记为API，它通常是套接字或XTI。访问BPF或DLPI的接口不使用套接字或XTI。

图2-1中还标明traceroute程序使用两种套接字：IP套接字用于访问IP，ICMP套接字用于访问ICMP。

下面我们讲解一下图2-1中的每一个协议框。

IPV4 它使用32为地址，IPV4给TCP、UDP、SCTP、ICMP和IGMP提供分组递送服务。

IPV6 使用128位更大地址。IPV6给TCP、UDP、SCTP和ICMPv6提供分组递送服务。

TCP 传输控制协议。TCP是一个面向连接的协议，为用户进程提供可靠的全双工字节流。TCP套接字是一种流套接字。TCP关心确认、超时、和重传之类的细节。注意，TCP既可以使用IPV4，也可以使用IPV6。

UDP 用户数据包协议。UDP是一个无连接协议。UDP套接字是一种数据报套接字。UDP数据报不能保证最终到达它们的目的地。与TCP一样，UDP既可以使用IPV4，也可以使用IPV6。

SCTP 流控制传输协议。SCTP是一个提供可靠全双工关联的面向连接的协议，我们使用“关联”一词指称SCTP中的连接，因为SCTP是多宿的，从而每个关联的两端均涉及一组IP地址和一个端口号。SCTP提供消息服务，也就是维护来自应用层的记录边界。与TCP和UDP一样，SCTP既可以使用IPV4，也可以使用IPV6，而且能够在同一个关联中同时使用它们。

ICMP 网际控制消息协议。ICMP处理在路由器和主机之间流通的错误和控制消息。这些消息通常由TCP/IP网络支持软件本身（而不是用户进程）产生和处理，不过图中展示的ping和traceroute程序同样使用ICMP。有时我们称这个协议为ICMPv4，以便与ICMPv6相区别。

IGMP 网际组管理协议。IGMP用于多遍，它在IPV4中是可选的。

ARP 地址解析协议。ARP把一个IPV4地址映射成一个硬件地址（如以太网地址）。ARP通常用于诸如以太网、令牌环网和FDDI等广播地址，在点对点网络上并不需要。

RARP 反向地址解析协议。RARP把一个硬件地址映射成一个IPV4地址。它有时用于无盘点的引导。

BPF BSD分组过滤器。该接口提供对于数据链路层的访问能力。

DLPI 数据链路提供者接口。该接口也提供对于数据链路层的访问能力，通常随SVR4内核提供。

 

用户数据包协议（UDP）

UDP是一个简单的传输层协议。应用进程往一个UDP套接字写入一个消息，该消息随后被封装到一个UDP数据报，该UDP数据报进而又被封装成一个IP数据报，然后发往到目的地。UDP不保证UDP数据报会到达其最终目的地，不保证各个数据报的先后顺序跨网络后保持不变，也不保证每个数据报只到达一次。

每个UDP数据报都有一个长度。如果一个数据报正确地到达其目的地，那么该数据报的长度将随数据一道传递给接收端应用进程。我们已经提到过TCP是一个字节流协议，没有任何记录边界，这一点不同于UDP。

我们也说UDP提供无连接的服务，因为UDP客户与服务器之间不必存在任何长期的关系。举例来说，一个UDP客户可以创建一个套接字并发送一个数据报给一个给定的服务器，然后立即用同一个套接字发送另一个数据报给另一个服务器。同样地，一个UDP服务器可以用同一个UDP套接字从若干个不同的客户接收数据报，每个客户一个数据报。

 

传输控制协议（TCP）

由TCP向应用进程提供的服务不同于由UDP提供的服务。首先，TCP提供客户与服务器之间的连接。TCP客户先与某个给定服务器建立一个连接，再跨该连接与那个服务器交换数据，然后终止这个连接。

其次，TCP还提供了可靠性。当TCP向另一端发生数据时，它要求对端返回一个确认。如果没有收到确认，TCP就自动重传数据并等待更长的时间。在数次重传失败后，TCP才放弃，如此在尝试发送数据上所花的总时间一般为4~10分钟。

TCP通过给其中每个自己关联一个序列号对所发送的数据进行排序。举例来说，假设一个应用写2048字节到一个TCP套接字，导致TCP发送2个分节：第一个分节所含数据的序列号为1~1024，第二个分节所含数据的序列号1025~2048.（分节是TCP传递给IP的数据单元。）如果这些分节非顺序到达，接收端TCP将先根据它们的序列号重新排序，再把结果数据传递给接受应用。如果接收端TCP接收到来自对端的重复数据，它可以判定数据是重复的，从而丢弃重复数据。

再次，TCP提供流量控制。TCP总是告知对端在任何时刻它一次能够从对端接收多少字节的数据，这称为通告窗口。在任何时刻，该窗口指出接收缓冲区中当前可用的空间量，从而确保发送端发送的数据不会使接收缓冲区溢出。该窗口时刻动态变化：当接收到来自发送端的数据时，窗口大小就减小，但是当接收端应用从缓冲区中读取数据时，窗口大小就增大。通告窗口大小减小到0是可能的：当TCP对应某个套接字的接收缓冲区已满，导致它必须等待应用从该缓冲区读取数据时，方能从对端再接收数据。

 

流控制传输协议（SCTP）

SCTP提供的服务与UDP和TCP提供的类似。SCTP在客户和服务器之间提供关联，并像TCP那样给应用提供可靠性、排序、流量控制以及全双工的数据传送。SCTP中使用“关联”一词取代“连接”是为了避免这样的内涵，一个连接口涉及两个IP地址之间的通信。一个关联指代两个系统之间的一次通信，它可能因为SCTP支持多宿而涉及不止两个地址。

一个“关联”Association　是由多个单向的“流”（Stream）组成的。各个流之间相对独立，可以单独发送数据而不受其它流的影响，也可以共同实现用户数据的有序递交。

与TCP不同的是，SCTP是面向消息的。它提供各个记录的按序递送服务。与UDP一样，由发送端写入的每条记录的长度随数据一道传递给接收端应用。

SCTP能够在所连接的端点之间提供多个流，每个流各自可靠地按序递送消息。一个流上某个消息的丢失不会阻塞同一关联其他流上消息的投递。这种做法与TCP正好相反，就TCP而言，在单一字节流中任何位置的字节丢失都将阻塞该连接上其后所有数据的递送，直到该丢失被修复为止。

SCTP提供多宿特性，使得单个SCTP端点能够支持多个IP地址。该特性可以增强应当网络故障的健壮性。一个端点可能有多个冗余的网络连接，每个网络又可能有各自接入因特网基础设施的连接。当该端点与另一个端点建立一个关联后，如果它的某个网络或某个跨越因特网的通路发生故障，SCTP就可以通过切换到使用已有该关联的另一个地址来规避所发生的故障。