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什么是運輸層

運輸層在OSI七層協議中為第4層(在網路層的上層,會話層的下層),在TCP/IP協議中為第三層(網路層上層,應用層下層),其功能就是給予不同主機間的應用行程提供分組通信,主要的通信協議為UDP和TCP，

為什么需要運輸層

從網路層的角度來說,IP資料報的首部明確了兩個要通信的主機的地址,并能夠將分組資料由發送端主機傳送到目的主機端中,實作兩臺主機間的通信,既然都已經實作了兩臺主機間的通信那為什么還需要運輸層呢? 其實 “兩臺主機通信” 并不夠準卻,應該是 “兩臺主機的應用行程間通信” ,因此IP做的僅僅是將分組資料傳送到了目的端主機的網路層中并沒有交付到目的主機的行程中,而運輸層就是將在網路層中的分組資料交付給應用層達到應用行程間通信的作用，

說了這么多可以總結兩句話:
網路層:為主機間提供邏輯通信

傳輸層:為主機中的應用行程提供邏輯通信

運輸層的分用與復用

上面說到對于運輸層而言,所謂的通信是指兩臺主機間的應用行程間的通信,而不是兩臺主機間的通信,那么兩臺主機間不會在一個時刻只相互通信一個行程的資料吧!一定是多個行程與多個行程之間同時的互動,因此,運輸層有一個很重要的功能---- 分用和復用

舉個平常的例子:
當一個小區的sf快遞小哥收到這個小區所有業主要寄出的sf快遞,之后把快遞都交到sf的物流中心,這個行為我們就可以說是小區的所有業主復用了小區的快遞小哥,而當各地方的sf物流中心包裹要寄來這個小區時,快遞小哥收集了包裹后分別的交給對應的業主,這個行為就是分用，

而在運輸層中,應用層的所有應用行程從埠將資料通過運輸層傳輸到網路層,這就是 復用,而運輸層收到從網路層要發送給各應用行程的資料后,運輸層通過埠號將分別交付到指定的應用行程這就是分用

埠號

1. 什么是埠號

上面說到的埠,埠號就是應用層中各個應用行程的一個號碼,埠就像一扇門,在發送端,應用行程通過埠將要互動的資料傳給運輸層;而在接收端運輸層通過埠號將資料傳給個應用行程

2. 埠號分類

2.1 服務器埠號:
　　　熟知埠號(系統埠號):數值為 0-1023,詳細的對應可在IANA查詢
　　　登記埠號:數值為 1024-49151,可在IANA登記辦理

2.2 客戶埠號: 數值為 49152-65535,又叫短暫埠號,當客戶端和服務器端的通信結束時,
　　　　　　　客戶埠號就會消失

##注意##埠號的作用范圍只在本地,在整個因特網中,不同計算機的相同埠號是沒有關聯的

無連接服務和面向連接服務

所謂的連接指兩端在資料傳前是否需要建立連接,而面向連接就是在通信之前,必須建立連接,在通信的程序中,會一直被監控和管理,在通信結束后,釋放連接;而相對于面向連接,無連接服務就是兩個通信設備通信前不建立連接,當要傳資料時,直接把資料放到網路上,由系統決定怎么傳輸資料,無連接服務不能保證資料發送端發送的資料順序以相同的順序到達接收端

UDP(用戶資料報協議)

1. 特點

1.1 UDP是無連接的:字面上的意思,UDP在發送資料之前不用建立連接(此處可和后面講到的TCP建立連接做對比)

1.2 UDP的服務是盡最大努力的服務:就是不可靠的服務,說的在白話一些就是UDP傳送的資料不會保證有沒有傳到,也不會確認到底傳到沒有,但UDP有簡單的差錯檢驗,不過如果檢驗出錯誤,會直接丟棄報文所以主機不需要維持連接狀態表(節省資源)

1.3 UDP沒有擁塞控制:所以使用UDP傳輸時當網路出現擁塞時,并不會影響發送端的發送資料,所以對于實時應用要求高的應用行程(視頻電話、直播)會使用UDP

##注意##雖說實時應用要求高的應用行程會使用UDP,但當很多這類應用行程同時向網路發送資料時,網路就可能會引起擁塞,會造成所有應用行程都沒法正常使用##

2. UDP首部格式

2.1 每個UDP的資料報有兩段格式=>UDP首部+UDP資料部份

2.2 UDP首部:源埠+目的埠+長度+校驗和 (每一個欄位占用2位元組)

源埠: 需要對方回信時選用,不需要時可以是全0
目的埠: 在終點交付報文時必須使用
長度: 就是資料報長度,最小為8
校驗和: 檢測資料報在傳輸中是否有錯,有錯就扔

##如果目的端UDP發現目的埠號并沒有對應的應用行程,則會丟掉資料報,并由ICMP回傳
"埠不可達"差錯報文給發送方

TCP(傳輸控制協議)

1. 特點

1.1 TCP是面向連接的運輸層協議: 應用程式再使用TCP協議前必須建立TCP連接,傳送完資料后,釋放TCP連接

1.2 每一條TCP連接只能是點到點(一對一的套接字)的連接

##注意##埠號拼接到IP地址后就是套接字,每一條TCP的連接的兩個端點是套接字,
TCP ={socket1 , socket2} ={(IP1:port1 . IP2:port2)},

1.3 TCP提供全雙工通信: TCP允許通信的應用行程雙方都能夠隨時傳送資料,連接的兩端都設有發送快取和接收快取

1.4 面向位元組流: 雖然應用行程和TCP互動的是一次一個資料塊,但TCP把應用行程交付下來的資料塊視為沒有意義的位元組流,TCP并不明白每一個資料塊的含義,也不保證接收方應用程式所接收到的資料塊和發送方傳送的資料塊有大小對應的關系(會根據對方TCP的視窗值和網路擁塞的程度來決定一個報文含有多少位元組),但接收方收到的位元組流和發送方收到的位元組流是一樣的

2. 可靠傳輸

2.1 可靠傳輸特點:

2.1.1 不錯: 資料不會出差錯
2.1.2 不丟: 資料不會丟失
2.1.3 不亂: 資料按造發送端發送的資料順序以相同的順序到達接收端

3. 可靠傳輸作業原理

TCP的報文是要下交給IP層傳送的,但IP層的做的作業是盡最大努力的服務,是不可以靠的傳輸服務,所以TCP要使用一些方法滿足可靠傳輸，
理想的傳輸條件1.傳輸信道不產生差錯 2.不管發送方發送的多塊.接收方都能夠來得及處里接收的資料, 然而現實總是差強人意,這種理想是不存在的,因此使用一些可靠傳輸的協議,可以達成上面兩個條件

3.1 停止等待協議: 就是當發送方傳送資料到接收方,接收方能夠回傳確認資訊給發送方,發送方收到后再接著傳接下來的資料分組,但在發送和接收通信時往往會有以下情況發生 :

3.1.1無差錯情況:這是最理想的情況了,就是發送端發送的資料分組都能夠到達接收端,并且接收端也都可以回傳確認資訊



3.1.2分組出現差錯或丟失 :指得是傳送端將資料傳送給發送端后,接收端檢測資料是有差錯的或者壓根資料在傳輸程序丟失,這時接收端會丟棄資料分組,接著啥也不干,而發送端一直沒收到接收端的確認資訊,則重新在發送一次相同的資料分組,這個程序叫做超時重傳, 要達到超時重傳需要:

a. 設定一個超時計時器并且這個計時器的設計需要設計成比分組傳輸的平均往返時間更長,并且在接收到確認分組后,這個超時計時器就會丟失
b. 發送端必須暫時保留發送的資料分組的副本,直到接收端回傳確認資訊再丟棄
c. 分組和確認分組都要編號,這樣才可以確認哪些資料分組已經有回傳確認了哪些沒有

圖片來源:https://www.cnblogs.com/kikochz/p/13559707.html

3.1.3確認丟失或遲到: 從字面意思就可以知道,發送端的分組資料到達接收端并沒有丟失且沒有差錯,但接收端回傳確認資訊時,確認資訊丟失或遲到,導致發送端以為是資料沒有傳到,因此再傳了一次,導致接收端收到重復的分組,這時接收端會做:

a. 將重復的資料丟棄
b. 再重新傳一次確認資訊; 而發送端會一直等待確認,如果一直沒等到就一直等
c. 如果是遲到的情況,其實很簡單,就是把重復的確認給丟棄掉就行了

圖片來源:https://www.cnblogs.com/kikochz/p/13559707.html

上述的這種可靠傳輸協議又稱為ARQ(自動重傳請求),而使用ARQ就可以滿足在不可以靠的傳輸網路上實作可靠的通信

3.2連續ARQ協議: 從停止等待協議可以得出,停止等待的效率是非常低的,因為分組在信道中往返的時間,占整個分組傳輸到確認的時間太大,而往返的這段時間,信道又是空閑的,解決這個辦法就是使用流水線傳輸,發送端不等到確認回傳才發送,而是發送端連續發送多個分組資料,這樣就可以大大提高信道的使用率,而使用流水線傳輸就要使用連續ARQ協議+滑動窗孔協議來完成

3.2.1 基本概念:發送方會維持一個發送視窗,在發送視窗內的分組可以連續發送出去,接收方采用的是累積確認方式,累積確認就是接收方會對按序到達的最后一個分組發送確認,代表這個序號之前的所有分組我已經確認收到了

3.2.2 連續ARQ的缺點: 假設今天的發送視窗大小為5,而序號4的分組丟失了,因此接收方回傳了序號3的確認,這時發送不知道序號5是否也是丟失了或者差錯(就算序號5到達了),也會將4、5兩個序號分組重新都發出,這種現象叫做Go-back-N,表示要退回來重傳已發送過的N個分組，

4. TCP報文首部格式

廢話不多說直接上格式,文字對應著圖片看

TCP報文段 = TCP首部+TCP資料, TCP首部代表著TCP的全部功能,和該TCP報文段的狀態

(1) 源埠、目的埠: 2位元組,就是源埠號和目的埠號,同UDP的作用一樣,TCP分用就是通過埠來實作的

(2) 序號: 4個位元組,(序號的值為0 ~ 2^32-1),代表著該TCP報文段中發送資料的第一個位元組的序號,TCP是面向位元組流的,所以每個位元組的序號是連續的

例如:TCP序號為100代表發送資料的第一個位元組為101,而該資料報文段總共發送100個位元組,最后一個位元組的序號就是200,下一個資料報文段的資料開始位元組就是201

(3) 確認號: 4個位元組,代表期望對方下一個報文段的第一個資料位元組的序號,從上面的例子可以知道,此例子中的TCP報文首部的確認號就是201

(4) 資料偏移: 占4位 ,代表著報文段首部的長度,其記錄著TCP報文段的首部位置到TCP報文段資料起始處的距離

(5) 保留位: 占6位,保留以后使用,現在要至為0

接著是6個控制位,又叫標志位,說明本報文段的狀態性值
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(6) URG(緊急): URG=1時,緊急指標有效,代表該報文段是緊急的報文段,系統會有先傳這一報文段,不會按原來順序傳送(相當于有較高優先級)

(7) ACK(確認): 只有當ACK=1時,確認號才有效,TCP規定所已建立連接的TCP,ACK都必須標志為1

(8) PSH(推送): 當接收方收到PSH=1的報文段時,會盡快的將該報文段交付給對應的應用行程,而不會等到快取滿了在一起發送

(9) RST(復位): 當RST=1,代表TCP連接出現了嚴重的差錯,系統會釋放TCP連接再重新建立TCP連接,RST=1也會用來拒絕非法的TCP報文段或者拒絕打開一個鏈接

(10) SYN(同步): 代表建立連接時的同步序號,SYN=1,ACK=0時代表這個報文段是一個連接請求報文段;SYN=1,ACK=1代表這個報文段是一個接受請求的確認報文段

(11) FIN(終止): FIN=1代表資料已經發送完畢,釋放連接
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(12) 視窗: 占2位元組,(數值為0 ~ 2^16-1),是代表發送此報文的告知接收此報文的,從報文段首部的確認號算起,我還能接收多少資料,有點繞口其實視窗值就是,發送的那一方告訴接收的那一方,我還可以接收多少位元組的資料

(13) 檢驗和: 占2位元組,用來差錯檢驗

(14) 緊急指標: 當URG=1時有效,代表緊急資料的位元組數,所有緊急資料處里完,行程就會恢復正常操作

(15) 選項: 最長為40位元組,為了滿足TCP報文段位元組數為4的倍數