计算机网络 第五章 运输层

5.1 运输层概述

5.1.1 运输层的核心作用

运输层为应用层提供端到端的通信服务。

网络层实现的是主机与主机之间的通信，而运输层在此基础上，实现两台主机内部应用进程与应用进程的端到端通信，是真正面向用户应用的通信层级。

5.1.2 核心功能：复用与分用

1. 复用：多个应用进程可同时使用同一个运输层协议传输数据。
2. 分用：运输层收到数据后，可根据标识将数据准确交付给对应的目标应用进程。

5.1.3 两大运输层协议

运输层包含两种核心协议，特性完全不同：

1. TCP（传输控制协议）：面向连接的可靠协议。即便底层网络不可靠，也可为上层提供全双工可靠逻辑信道。
2. UDP（用户数据报协议）：无连接的不可靠协议。底层网络不可靠，其逻辑通信信道依然为不可靠信道。

5.1.4 端口号

端口号是应用进程与运输层交互的唯一标识，仅具备本地意义，TCP/IP 协议采用16 位端口号标识端口。

端口号分类：

1. 服务器端端口号：1~49151，供各类服务器程序固定使用
2. 客户端端口号：49152~65535，客户端进程临时动态使用

5.2 用户数据报协议（UDP）

5.2.1 UDP 核心概述

UDP 在 IP 无连接服务的基础上，仅新增复用分用和差错检验两项基础功能，结构极简、开销极低。

5.2.2 UDP 六大核心特点

1. 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据。
2. 尽最大努力交付：不保证数据可靠传输，无重传、确认机制。
3. 面向报文：完整保留应用层交付的报文边界，不拆分、不合并数据。
4. 无拥塞控制：不会根据网络拥堵情况调整发送速率，网络拥堵时易丢包。
5. 支持多交互通信：支持一对一、一对多、多对多通信模式。
6. 首部开销小：首部固定 8 字节，传输效率极高。

总结：UDP 简单高效、实时性强，但传输不可靠。

5.2.3 UDP 首部格式

UDP 报文由首部字段 + 数据字段两部分组成，总首部固定 8 字节，包含四个字段：

1. 源端口
2. 目的端口
3. 报文长度
4. 检验和

补充：UDP 检验和校验范围包含首部 + 全部数据部分，用于检测传输过程中的数据差错。

5.3 传输控制协议（TCP）概述

5.3.1 TCP 五大核心特点

1. 面向连接：数据传输前必须建立专属连接，传输结束后释放连接。
2. 点对点通信：一条 TCP 连接仅存在两个通信端点，仅支持一对一传输。
3. 可靠交付：通过确认、重传、校验等机制，保证数据无差错、不丢失、不重复、按序到达。
4. 全双工通信：连接建立后，双方可同时发送、接收数据。
5. 面向字节流：将应用层数据视为无结构的字节序列，可拆分、重组报文，无固定报文边界。

5.3.2 TCP 连接与套接字

1. 套接字（插口）：TCP 连接的通信端点，由IP 地址 + 端口号拼接构成，格式：IP:端口号
2. TCP 连接唯一标识：一条 TCP 连接由两端套接字唯一确定公式：TCP = {socket1, socket2} = {(IP1:port1), (IP2:port2)}
3. 核心特性：TCP 端点是抽象的套接字，而非主机、端口或进程。

5.4 可靠传输工作原理

可靠传输的理想条件：传输信道无差错、接收方处理速率始终匹配发送方发送速率。

5.4.1 停止等待协议

核心逻辑：发送方发送一个分组后，停止发送，等待接收方确认后，再发送下一个分组。

1. 无差错场景：发送方发送分组 → 接收方接收并返回确认 → 发送方收到确认，发送下一组数据。
2. 传输出错场景：出现分组丢失、出错时，触发超时重传机制。

协议三大核心注意点

1. 发送方发送分组后，必须临时保存分组副本，用于超时重传。
2. 所有传输分组、确认报文必须编号，区分有序数据。
3. 超时计时器的重传时间，需大于数据平均往返传输时间。

特殊异常场景：确认丢失、确认迟到

处理规则：

1. 接收方收到重复分组，直接丢弃重复数据。
2. 接收方向发送方重新发送确认报文。

通过确认 + 超时重传机制，可在不可靠网络中实现可靠传输，该机制统称为ARQ 自动重传请求协议。

协议优缺点

优点：逻辑简单、易实现缺点：信道利用率极低，资源浪费严重

5.4.2 连续 ARQ 协议

为解决停止等待协议信道利用率低的问题，提出连续 ARQ 协议。

1. 核心规则：发送方无需等待单个确认，可连续发送多个分组；每收到一个确认，发送窗口向前滑动一格。
2. 接收方式：采用累积确认机制，仅对按序到达的最后一个分组发送确认，代表该分组及之前所有分组均已正确接收。

5.5 TCP 报文段格式

TCP 报文段结构复杂，首部长度可变（20~60 字节），核心字段如下：

1. 源端口、目的端口
2. 序号：标识报文段数据的首个字节序号
3. 确认号：告知发送方下一次期望接收的字节序号
4. 数据偏移：标识 TCP 首部长度
5. 保留位：预留未使用
6. 六大标志位：URG 紧急、ACK 确认、PSH 推送、RST 复位、SYN 同步、FIN 终止
7. 窗口：接收方告知发送方自身接收窗口大小，用于流量控制
8. 检验和：校验首部 + 数据全部内容
9. 紧急指针：配合 URG 标志，标识紧急数据长度
10. 选项：可变长度，核心选项为MSS 最大报文段长度，定义 TCP 报文段数据字段的最大长度

5.6 TCP 可靠传输的实现

TCP 基于字节流、滑动窗口、超时重传、选择确认实现完整可靠传输。

5.6.1 以字节为单位的滑动窗口

TCP 滑动窗口以字节为最小单位，通过窗口滑动机制，实现连续数据传输、有序接收和差错重传，提升传输效率。

5.6.2 超时重传时间（RTO）自适应算法

1. RTT 往返时间：报文段从发送到收到确认的时间差。
2. 核心计算公式：RTO = RTTs + 4 × RTTD
   • RTTs：加权平均往返时间
   • RTTD：RTT 时间偏差加权平均值
3. 关键规则：重传的报文段，不参与 RTT 采样计算，保证超时时间计算精准。

5.6.3 选择确认（SACK）

当部分字节丢失、部分字节在接收窗口内正常接收时，接收方保留已收到的乱序数据，并通过 SACK 告知发送方具体接收区间，让发送方仅重传丢失字节，避免重复传输，提升传输效率。

5.7 TCP 流量控制

5.7.1 核心目的

流量控制：限制发送方发送速率，防止发送方发送过快，导致接收方缓冲区溢出、数据丢失。

5.7.2 实现方式

基于滑动窗口机制实现，接收方通过窗口字段，实时告知发送方自身剩余接收缓冲区大小，发送方严格根据接收窗口大小调整发送量。

5.7.3 TCP 传输效率优化（Nagle 算法）

算法规则：

1. 优先发送首个字节数据。
2. 后续零散字节先缓存，待首个字节确认返回后，将所有缓存数据整合为一个报文段发送。
3. 有效减少零散小报文传输，降低网络开销，提升传输效率。

5.8 TCP 拥塞控制

5.8.1 核心目的

拥塞控制：全局调控网络数据注入量，避免大量数据涌入网络，导致路由器、链路过载、网络拥堵瘫痪。

区别：流量控制是点对点控制，拥塞控制是全网全局性控制。

5.8.2 核心控制机制

发送方传输窗口 = 接收窗口（流量控制） & 拥塞窗口（拥塞控制）

1. 慢开始 + 拥塞避免

• 慢开始：初始拥塞窗口极小，指数增长探测网络负载，逐步增大数据发送量。
• 拥塞避免：网络无拥堵时，拥塞窗口线性缓慢增长，稳定传输，避免突发拥堵。

2. 快重传 + 快恢复

• 快重传：发送方连续收到3 个重复确认，判定为个别报文丢失（非全网拥堵），立即重传丢失报文，无需等待超时。
• 快恢复：触发快重传后，不重置拥塞窗口，小幅调整窗口大小，直接进入拥塞避免阶段，大幅提升故障恢复速度。

5.9 TCP 运输连接管理

TCP 是面向连接协议，完整通信分为三个阶段：连接建立 → 数据传送 → 连接释放

5.9.1 TCP 连接建立：三次握手

通过三次报文交互，完成双向连接建立，确认双方收发能力正常，同步初始序号。

5.9.2 TCP 连接释放：四次挥手

数据传输完毕后，通信双方可主动发起连接释放，需四次报文交互，实现双向连接断开。

5.9.3 最长报文段寿命（MSL）

MSL 定义 TCP 报文段在网络中能存在的最长时间，用于保证所有残留报文段全部消散，避免新旧连接数据混淆，保障连接释放的安全性。