《计算机网络》传输层知识点总结,快速理解TCP和UDP。

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网络层根据IP地址将数据从源主机传输到目的主机,主机可以提供很多服务,比如Web服务、FTP服务等,需要使用IP地址+端口号来区分不同的服务。

因此,我们得先知道端口是什么。

端口(port)是设备与外界通信的出口,就像进出房子的门。

一台主机有65536个端口,用端口号来标记,范围是0~65535,其中:

  1. 0~1023 为公认端口,分配给常用的服务进程
    1. 比如FTP服务使用21端口,HTTP服务使用80端口
  1. 1024~49151 为注册端口,分配给用户安装的应用程序进程
  2. 49151~65535 为动态端口,不分配固定进程,进程运行时被动态使用(也叫私有端口,原则上不为服务分配。)

当主机收到数据包后,会根据报文首部的目的端口号,把数据发送到对应的端口;等数据处理完毕后,再根据报文首部的源端口号,原路返回。

比如,主机收到一个数据包,报文首部的目的端口号是80,传输层就会把这个数据包交给80端口对应的Web服务去处理。

那么,数据是怎么在端口之间进行传输的呢?答案是数据传输协议。

传输层提供了两种数据传输协议:TCP和UDP。

1. UDP协议

UDP协议(User Datagram Portocol),也叫「用户数据报协议」,是一种无连接的数据传输协议。

1.1 特点

UDP协议有三个特点:无连接、不可靠、传输速度快。

1)「无连接」是指,发送方和接收方不需要建立连接,就能直接传输数据。

2)「不可靠」是因为,UDP使用报文首部的检验值来保证数据的安全。发送方通过算法计算出校验值,接收方收到后再重新计算,如果数据被篡改或者被噪音损坏,校验值就会发生变化,UDP就可以检查出错误。但UDP只检错而不纠错,出错的信息会被扔掉或者发送警告信息。并且UDP不对数据进行分组和排序,不能判断数据是否安全完整的传送,可靠性较低。

3)「传输速度快」是相对于TCP来说的,UDP的头部只有8个字节(TCP有20个字节),不包含控制信息,只是尽最大的努力去传输数据,因此速度很快。

由于不可靠但速度快的特点,UDP适合视频和音频这种对数据完整性要求不高的应用。

1.2 报文格式

UDP的报文在IP数据报的数据部分,如下图所示: img UDP报文分为首部和数据两个部分,首部包含4个字段:源地址、目的地址、UDP长度、校验和。

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2. TCP协议

TCP报文同样保存在IP数据报的数据部分,占用20个字节,比UDP报文多了一些控制字段。

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2.1 面向连接

TCP是基于连接的传输协议,传输过程分为三个阶段:建立连接、数据传输、释放连接。

2.1.1 TCP三次握手

TCP在传输数据前需要建立连接,也就是我们常说的三次握手,过程如下:

  1. 客户端发送SYN报文给服务端,告诉服务器:“我想建立连接”。
  2. 服务器收到SYN报文后,回复一个SYN+ACK报文,告诉客户端:“我同意你建立连接”。
  3. 客户端收到回复的SYN报文后,再发送一个ACK确认报文,表示:“我收到了你的确认信息,我们可以开始传输数据了”。

img 下面是Wireshark抓取的TCP三次握手数据包,重点看我圈中的地方:

img 首先解释一下里面几个关键字的含义:

  • SYN(synchronize)是标志位,同步的意思,就像两个人见面先打个招呼。
  • ACK也是标志位,确认的意思,ACK为1的时候,Ack才有效。
  • Seq(Sequence)是发送序列号,内容随机生成,用于验证连通性。
  • Ack(Acknowledgement Sequence)是确认序列号,用于验证连通性。

第一次握手:客户端发送一个SYN,随机生成一个发送序列号 Seq=x,服务器看到SYN就会知道,这是一个建立连接的请求。 第二次握手:服务器响应了一个ACK和一个SYN,把收到的Seq的值加上1,放到Ack里面(Ack = x+1),客户端可以根据这个Ack的值判断连接是否有误,然后再随机生成一个Seq=y。 第三次握手:客户端发送一个ACK,把响应回来的Seq的值加上1,放到Ack里面(Ack = y+1),服务器同样可以根据这个Ack的值判断连接是否有误,如果没有错误就建立连接,开始传输数据。

2.1.2 TCP四次挥手

数据传输完成后,需要释放连接;

由于TCP是「全双工」通信,两个方向的连接都得单独关闭,因此,需要两次请求和响应,也就是我们常说的四次挥手,过程如下:

  1. 客户端发送FIN报文给服务器,告诉服务器:“我数据发送完了”。
  2. 服务端收到请求后,响应一个ACK确认报文,然后关闭客户端到服务端方向的连接。
  3. 服务端发送一个FIN报文给客户端,告诉客户端:“我的数据也发送完了”。
  4. 客户端收请求后,响应一个ACK确认报文给服务端,然后关闭服务端到客户端方向的连接。到这里,TCP的连接才完全断开。

为什么建立连接是三次,关闭连接却是四次?

TCP是全双工通信,有两条连接,当一方发送完数据后,并不能确定对方是不是也发送完了数据,因此只能关闭单方向的连接,等到对方也发送完数据后,再关掉另一个方向的连接。

2.2 可靠传输

TCP协议的可靠主要依赖三个机制:分包、排序确认、超时重传。

1)TCP将应用层的数据拆分成多个数据包,给每个包一个「序号」,接收方可以根据序号保证数据的顺序。

2)TCP使用首部「校验和」字段保证数据的准确性,发送和接收时都要计算校验和,校验和一致则判定数据正常,接收方就响应一个确认(ACK),表示数据已经收到了。

3)如果在规定时间内,发送方没有收到接收方的确认(ACK),则判定数据丢失,重新发送这个数据包,也就是「超时重传」。

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