《计算机网络》传输层知识点总结，快速理解TCP和UDP。

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传输层负责 「进程」和 「进程」之间的数据传输。

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。

一、端口

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
   • 比如FTP服务使用21端口，HTTP服务使用80端口
2. 1024~49151 为注册端口，分配给用户安装的应用程序进程
3. 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。

二、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：

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。

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。

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”。

下面是Wireshark抓取的TCP三次握手数据包，重点看我圈中的地方：

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」。