网络——传输层（详细版）
目录
一、传输层功能
二、传输层协议
1.UDP协议
（1）协议格式
（2）特点
（3）缓冲区
（4）UDP注意事项
（5）基于UDP的应用层协议
2.TCP协议
（1）协议格式
（2）六位标志位
（3）TCP原理/机制
①确认应答机制（安全机制）
②超时重传机制（安全机制）
③连接管理机制（安全机制）
三次握手流程（建立连接）
四次挥手流程（关闭连接）
④滑动窗口机制（提高效率机制）
⑤流量控制机制（安全机制）（接收端安全）
⑥拥塞机制（安全机制）（发送端安全）
⑦延迟应答机制（提高效率机制）
⑧捎带应答机制（提高效率机制）
（4）TCP特点
①面向字节流
②粘包
3.TCP和UDP的区别
三、常见问题
一、传输层功能
提供端对端的接口，确保网络数据传输的可靠性(安全性）向应用层提供通信服务；
（五元组：源ip，源port，目的ip，目的port，协议号；作用：标识一个通信）
二、传输层协议
1.UDP协议
（1）协议格式
- 16位的源端口/16位的目的端口：描述数据从哪个进程发送到哪个进程 – 负责实现应用程序间的数据传输
- 16位的数据报长度：包含UDP报文头部在内的整体报文长度，16位存储的最大数字为65535
- 16位的校验和：二进制反码求和算法，用于校验接收到的数据和发送的数据是否一致
- 发送方在发送数据之前，校验和为0，从完整报文的第0个字节开始，每个字节进行取反相加，超过16位的部分取出来，再次与低16位进行相加，最后得到一个校验和填充到协议字段中
- 接收方接收到数据之后，从完整报文的第0个字节开始，每个字节进行取反相加，最终的结果如果为0，则表示数据一致，否则则表示数据不一致
（2）特点
UDP传输过程类似于寄信；
①无连接：知道对端的IP和端口号就直接进传输，不需要建立连接；
②不可靠：没有确认，重传机制；如果因为网络故障该段无法发送到对方，UDP协议层不会给应用层返回任何错误信息；
③面向数据报：不能灵活的控制读写数据的次数和数量；
（3）缓冲区
①没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作；
②具有接收缓冲区，不能保证数据顺序一致；
UDP的socket既能读也能写，叫做全双工；
（4）UDP注意事项
UDP协议首部中有一个16位的最大长度，也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首部），如需传输大于64K的数据，就需要在应用层手动分包，多次发送，并在接收端手动拼接；
（5）基于UDP的应用层协议
NFS：网络文件共享；
TFTP：简单文件传输协议；
DHCP：动态主机配置协议；
BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）；
DNS：域名解析协议；
2.TCP协议
（1）协议格式
- 16位的源端口和目的端口：负责应用程序之间的数据传输
- 32位序号/32位确认序号：实现确认应答机制以及接收端的包序管理
- 4位头部长度：表示TCP头部有多少，TCP头部是不定长的，主要取决于选项数据的大小，TCP头部最小为20字节，最大60字节(选项数据中占0~40字节)
- 6位保留位：目前没有想好用来干什么，先预留出来用于以后扩展
- 6位标志位：URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN
- 16位窗口大小：表示本端可以接收的数据大小，用于实现滑动窗口机制，进行流量控制
- 16位校验和：二进制反码求和算法，校验数据接收与发送的一致性
- 16位紧急指针：标识哪些数据是紧急数据(带外数据)
- 0-40字节的选项数据：通常用于协商一些信息如MSS的长度
（2）六位标志位
URG：紧急指针是否有效；
ACK：确认号是否有效；
PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走；
RST：对方要求重新建立连接，把携带RST标识的称为复位报文段；
SYN：请求建立连接，把携带SYN标识的称为同步报文段；
FIN：通知对方，本端要关闭了，把携带FIN标识的称为结束报文段；
（3）TCP原理/机制
①确认应答机制（安全机制）
②超时重传机制（安全机制）
发送端发送的数据报超过一定时间间隔没有收到确认应答的数据报，表示之前发送的数据报可能丢包，所以要重新发送；
一定时间：网络环境不同，是有差异的，时间太长会影响重传效率，时间太短会频繁发送重复的包，为了保证高性能通信，会动态设置计算最大超时时间，超时500ms重发，再超时2*500ms......累计一定的重传次数，认为无法正常发送数据，关闭连接；
可能丢包：发送的数据报丢包 或 确认应答数据报；
③连接管理机制（安全机制）
连接：对每一端来说，保持一个本端到对端的连接状态；
三次握手流程（建立连接）
流程：
a）客户端发送SYN数据报到服务端，申请建立客户端到服务端的连接；
b）服务端返回SYN+ACK给客户端；
（ACK是第一次SYN的应答，SYN是申请建立服务端到客户端的连接，客户端接收到该数据报，建立客户端到服务端的连接）
c）客户端返回ACK给服务端；
（ACK是对第二次SYN的应答）
四次挥手流程（关闭连接）
a）客户端发送FIN到服务端，申请关闭连接（客户端——>服务端的连接）；
（服务端收到该数据报，状态置为CLOSE_WAIT）
b）服务端返回ACK给客户端；
（操作系统实现TCP协议时，默认机制：系统自动返回）
c）服务端发送FIN到客户端，申请关闭连接（服务端——>客户端的连接）；
（客户端收到该数据报，状态置为TIME_WAIT）
d）客户端返回ACK给服务端；
④滑动窗口机制（提高效率机制）
“高速重发控制” 也叫 “快重传”；
作用：同时发送多个数据报，同时接收多个响应ACK，提高效率；
窗口大小：指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值；
如何确定窗口大小：min（流量窗口大小，拥塞窗口大小）；
滑动：发送后没有返回ACK的数据，都保存在发送缓冲区，接收到下一个是多少的ACK之后，可以计算出可以滑动的大小（下一个是多少 - 窗口最小序号）；
⑤流量控制机制（安全机制）（接收端安全）
根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度；
作用：间接的控制发送端滑动窗口大小（发送数据的大小）；
⑥拥塞机制（安全机制）（发送端安全）
TCP引入了“慢启动”机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度进行传输数据；
慢启动的阈值（窗口最大值），当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数的方式增加，而是按照线性方式增长，在每次超时重发的时候，慢启动的阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置位1；
⑦延迟应答机制（提高效率机制）
马上应答，返回的流量窗口大小会比较小，接收端处理速度是比较快的，稍等一段时间，接收端消费一些接收缓冲区数据后，再返回的流量窗口大小会更大；发送端设置的滑动窗口大小就可能更大，网络数据传输的吞吐量就更高；
⑧捎带应答机制（提高效率机制）
需要主动发送的数据报，可以和接收数据报后要返回的ACK数据报合并为一个，类似TCP三次握手中，第二次合并SYN和ACK的数据报；
（4）TCP特点
①面向字节流
创建一个TCP的socket，同时在内核中创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，调用write时，数据会先写入发送缓冲区中；如果发送的字节数太长，会被拆成多个TCP的数据包发出；如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者其他合适的时机发送出去；接收数据时，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区，然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据；
TCP的一个连接，既有发送缓冲区也要接收缓冲区，那么对于这一个连接，既可以读数据，也可以写数据，这叫做全双工。
②粘包
表示应用层读取多组数据时，一定要规定号一个业务的数据格式（应用层协议）
产生原有：没有明确数据报的边界；（UDP不存在粘包问题）
3.TCP和UDP的区别
1）UDP是无连接的，不可靠，但效率更高
TCP是有连接，可靠传输，效率相对UDP更差
2）UDP是面向数据报（一次发，一次收）
TCP是面向字节流（多次发，多次收）
3）UDP没有发送缓冲区，有接收缓冲区
TCP既有发送缓冲区也有接收缓冲区
（基于TCP和UDP程序，既可以发也可以收，叫做全双工）
4）UDP数据大小受限
TCP数据大小不限
5）TCP提供了很多可靠传输机制
三、常见问题
1）问：基于传输层UDP协议，如何传输超过64k的数据？如何保证可靠传输？
----->在应用层实现类似TCP所有可靠传输机制；
2）问：连接管理机制中为什么是四次挥手，能不能是三次？
----->第二次是系统自动返回，第三次是手动调用close关闭连接才返回；
问：为什么不能合并？
----->TCP协议栈实现时，就不包含主动发的FIN，交给程序自己实现；（程序关闭前，可以完成一些前置工作，如释放资源等操作）
问：第三步，客户端收到FIN以后，为什么还不能置为关闭状态，而要等待一定的时间？
----->第四步的ACK也可能丢包，这种情况下，服务端会基于超时重传机制，重发FIN，如果客户端关闭连接，就无法处理这个数据报；
问：为什么TIME_WAIT的时间时2MSL？
----->MSL是TCP报文的最大生存时间，如果最后一步的ACK丢包，上一步的FIN还需要再发一次；
问：为什么服务器出现大量的CLOSE_WAIT?
----->原因是服务器没有正确的关闭socket，导致四次挥手没有正确完成，这是一个BUG，只需要加上对应的CLOSE即可解决问题；