1、傳輸層存在的必要性

???????由于網(wǎng)絡(luò)層的分組傳輸是不可靠的，無(wú)法了解數(shù)據(jù)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間，無(wú)法了解數(shù)據(jù)未達(dá)終點(diǎn)的狀態(tài)。因此有必要增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

2、引入傳輸層的原因

?????? 面向連接的傳輸服務(wù)與面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類似，都分為建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、釋放連接三個(gè)階段；編址、尋址、流控制也是類似的。無(wú)連接的傳輸服務(wù)與無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也非常類似。一個(gè)很顯然的問(wèn)題：既然傳輸層的服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)如此相似，那么為什么我們還要兩個(gè)獨(dú)立的層呢？

????? 原因在于：傳輸層的代碼完全運(yùn)行在用戶的機(jī)器上，但是網(wǎng)絡(luò)層主要運(yùn)行在由承運(yùn)商控制的路由器上。試想以下幾種情況？

①?????? 網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)不夠用；

②?????? 頻繁的丟失分組；

③?????? 路由器時(shí)常崩潰。

?????? 用戶在網(wǎng)絡(luò)層上并沒(méi)有真正的控制權(quán)，所以他們不可能用最好的路由器或者在數(shù)據(jù)鏈路層上用更好的錯(cuò)誤處理機(jī)制來(lái)解決服務(wù)太差的問(wèn)題。唯一的可能是在網(wǎng)絡(luò)層之上的另一層中提高服務(wù)質(zhì)量。這就是傳輸層存在的必要性。

????? 傳輸層的重要性：不僅僅是另外一層，它是整個(gè)協(xié)議層次的核心所在。如果沒(méi)有傳輸層，那么分層協(xié)議的整個(gè)概念將變得沒(méi)有意義。

????? 傳輸層的任務(wù)：在源機(jī)器和目標(biāo)機(jī)器之間提供可靠的、性價(jià)比合理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并且與當(dāng)前使用的物理網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立。

?

3、傳輸層的功能

??????? 數(shù)據(jù)傳送，不關(guān)心數(shù)據(jù)含義，進(jìn)程間通信。

??????? 彌補(bǔ)高層（上3層）要求與網(wǎng)絡(luò)層（基于下3層）數(shù)據(jù)傳送服務(wù)質(zhì)量間的差異（差錯(cuò)率、差錯(cuò)恢復(fù)能力、吞吐率、延時(shí)、費(fèi)用等），對(duì)高層屏蔽網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)的差異，提供穩(wěn)定和一致的界面。

4、傳輸層協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要區(qū)別

?????? 網(wǎng)絡(luò)層（IP層）提供點(diǎn)到點(diǎn)的連接即提供主機(jī)之間的邏輯通信，傳輸層提供端到端的連接——提供進(jìn)程之間的邏輯通信。

5、傳輸層的用途

????? 傳輸層將數(shù)據(jù)分段，并進(jìn)行必要的控制，以便將這些片段重組成各種通信流。在此過(guò)程中，傳輸層主要負(fù)責(zé)：

①?????? 跟蹤源主機(jī)和目的主機(jī)上應(yīng)用程序間的每次通信；

②?????? 將數(shù)據(jù)分段，并管理每個(gè)片段；

③?????? 將分段數(shù)據(jù)重組為應(yīng)用程序數(shù)據(jù)流；

④?????? 標(biāo)識(shí)不同的應(yīng)用程序。

6、端口號(hào)的概念

?????? ?運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程是用進(jìn)程標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)志的。運(yùn)行在應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程卻不應(yīng)當(dāng)讓計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)指派它的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。這是因?yàn)樵谝蛱鼐W(wǎng)上使用的計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)種類很多，而不同的操作系統(tǒng)又使用不同格式的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。為了使運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)程能夠互相通信，就必須用統(tǒng)一的方法對(duì)TCP/IP體系的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行標(biāo)志。

解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是在運(yùn)輸層使用協(xié)議端口號(hào)(protocol port number)，或通常簡(jiǎn)稱為端口(port)。

雖然通信的終點(diǎn)是應(yīng)用進(jìn)程，但我們可以把端口想象是通信的終點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎灰岩獋魉偷膱?bào)文交到目的主機(jī)的某一個(gè)合適的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的進(jìn)程）就由?TCP來(lái)完成。

??

?

7、傳輸層的主要協(xié)議

????????? TCP/ IP傳輸層的兩個(gè)主要協(xié)議都是因特網(wǎng)的重要標(biāo)準(zhǔn)，傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）[RFC 768]、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）[RFC 793]。

????????? 傳輸層的數(shù)據(jù)流要在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)之間建立邏輯連接。如果使用UDP，傳輸層的首要任務(wù)是將數(shù)據(jù)從源設(shè)備傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。如果使用TCP，傳輸層主要通過(guò)滑動(dòng)窗口來(lái)提供端到端控制，以及利用確認(rèn)序列號(hào)和確認(rèn)信息提供可靠性。傳輸層定義主機(jī)應(yīng)用程序之間端到端的連接。

?

8、TCP&UDP的比較

?????? TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向連接的協(xié)議（eg:打電話）、傳輸效率低全雙工通信（發(fā)送緩存&接收緩存）、面向字節(jié)流。使用TCP的應(yīng)用：Web瀏覽器；電子郵件、文件傳輸程序。

?????? UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、無(wú)連接的服務(wù)，傳輸效率高（發(fā)送前時(shí)延小），一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多、面向報(bào)文，盡最大努力服務(wù)，無(wú)擁塞控制。使用UDP的應(yīng)用：域名系統(tǒng)?(DNS)；視頻流；IP語(yǔ)音(VoIP)。

?問(wèn)題1：什么是面向連接、面向無(wú)連接？

?????? ?面向連接舉例：兩個(gè)人之間通過(guò)電話進(jìn)行通信。

面向無(wú)連接舉例：郵政服務(wù)，用戶把信函放在郵件中期待郵政處理流程來(lái)傳遞郵政包裹。顯然，不可達(dá)代表不可靠。

??????? ?從程序?qū)崿F(xiàn)的角度解析面向連接、面向無(wú)連接如下：

?????? ? TCP面向連接，UDP面向無(wú)連接（在默認(rèn)的阻塞模式下）：

???????? 在TCP協(xié)議中，當(dāng)客戶端退出程序或斷開(kāi)連接時(shí)，TCP協(xié)議的recv函數(shù)會(huì)立即返回不再阻塞，因?yàn)榉?wù)端自己知道客戶端已經(jīng)退出或斷開(kāi)連接，證明它是面向連接的；

??????? 而在UDP協(xié)議中，recvfrom這個(gè)接收函數(shù)將會(huì)始終保持阻塞，因?yàn)榉?wù)端自己不知道客戶端已經(jīng)退出或斷開(kāi)連接，證明它是面向無(wú)連接的）。

?

?????? 從上圖也能清晰的看出，TCP通信需要服務(wù)器端偵聽(tīng)listen、接收客戶端連接請(qǐng)求accept，等待客戶端connect建立連接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā)（recv/send）工作。

???????? 而UDP則服務(wù)器和客戶端的概念不明顯，服務(wù)器端即接收端需要綁定端口，等待客戶端的數(shù)據(jù)的到來(lái)。后續(xù)便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)（recvfrom/sendto）工作。

問(wèn)題2：什么是面向字節(jié)流、面向報(bào)文？

?????? 面向字節(jié)流：雖然應(yīng)用程序和TCP的交互是一次一個(gè)數(shù)據(jù)塊（大小不等），但TCP把應(yīng)用程序看成是一連串的無(wú)結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。TCP有一個(gè)緩沖，當(dāng)應(yīng)用程序傳送的數(shù)據(jù)塊太長(zhǎng)，TCP就可以把它劃分短一些再傳送。如果應(yīng)用程序一次只發(fā)送一個(gè)字節(jié)，TCP也可以等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)成報(bào)文段發(fā)送出去。

?????? 面向報(bào)文：面向報(bào)文的傳輸方式是應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。因此，應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。若報(bào)文太長(zhǎng)，則IP層需要分片，降低效率。若太短，會(huì)是IP太小。（謝希仁，第五版。UDP對(duì)應(yīng)用層交下來(lái)的報(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。這也就是說(shuō)，應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP就照樣發(fā)送），即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文）。

問(wèn)題3：在默認(rèn)的阻塞模式下，為什么說(shuō)TCP無(wú)邊界，UDP有邊界？

???????? 對(duì)于TCP協(xié)議，客戶端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，只要服務(wù)端的這個(gè)函數(shù)的緩沖區(qū)足夠大，會(huì)一次性接收過(guò)來(lái)，即客戶端是分好幾次發(fā)過(guò)來(lái)，是有邊界的，而服務(wù)端卻一次性接收過(guò)來(lái)，所以證明是無(wú)邊界的；

??????? 而對(duì)于UDP協(xié)議，客戶端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，即使服務(wù)端的這個(gè)函數(shù)的緩沖區(qū)足夠大，也只會(huì)一次一次的接收，發(fā)送多少次接收多少次，即客戶端分幾次發(fā)送過(guò)來(lái)，服務(wù)端就必須按幾次接收，從而證明，這種UDP的通訊模式是有邊界的。

問(wèn)題4：UDP 如何發(fā)送大量的數(shù)據(jù)？如何處理分包？

??????? 用 updclient 一次不能發(fā)送太大的數(shù)據(jù)量，不然就會(huì)報(bào)錯(cuò)：一個(gè)在數(shù)據(jù)報(bào)套接字上發(fā)送的消息大于內(nèi)部消息緩沖器或其他一些網(wǎng)絡(luò)限制，或該用戶用于接收數(shù)據(jù)報(bào)的緩沖器比數(shù)據(jù)報(bào)小。但不知道一次到底能發(fā)多少字節(jié)？如果把一個(gè)大的字節(jié)數(shù)組拆分成若干個(gè)字節(jié)數(shù)組發(fā)送，那么接收時(shí)如何判斷和處理呢？

?????? 答：方法很簡(jiǎn)單：

1、在客戶端將你要發(fā)送的內(nèi)容（文件什么的都可以）分塊，每塊內(nèi)容進(jìn)行編號(hào)，然后發(fā)送；

2、服務(wù)端在接收到你的分塊數(shù)據(jù)以后，根據(jù)你的客戶端數(shù)據(jù)內(nèi)容的編號(hào)重新組裝；

3、一般我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，盡量采用比較小的數(shù)據(jù)塊的方式（我的都沒(méi)有超過(guò)1024的），數(shù)據(jù)塊太大的話容易出現(xiàn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，匹配出問(wèn)題。

問(wèn)題5.UDP發(fā)包的問(wèn)題

?????? 問(wèn)：udp發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，第一次?100字節(jié)，第二次200字節(jié)，接包方一次recvfrom( 1000 ),收到是?100，還是200，還是300？

?????? 答：UDP是數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議，是以數(shù)據(jù)包方式，所以每次可以接收100，200，在理想情況下，第一次是無(wú)論recvfrom多少都是接收到100。當(dāng)然，可能由于網(wǎng)絡(luò)原因，第二個(gè)包先到的話，有可能是200了。對(duì)可能會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)原因亂序，所以可能先收到200，所以自定義的udp協(xié)議包頭里都要加上一個(gè)序列號(hào)，標(biāo)識(shí)發(fā)送與收包對(duì)應(yīng)。

問(wèn)題6.TCP的發(fā)包問(wèn)題

?????? 問(wèn)：同樣如果換成tcp,第一次發(fā)送?100字節(jié)，第二次發(fā)送200字節(jié)，recv( 1000 )會(huì)接收到多少？

?????? 答：tcp是流協(xié)議，所以recv( 1000 )，會(huì)收到300 tcp自己處理好了重傳，保證數(shù)據(jù)包的完整性

問(wèn)題7.有分片的情況下如下處理

??????? 問(wèn)：如果MTU是1500，使用UDP發(fā)送?2000，那么recvfrom(2000)是收到1500，還是2000?

??????? 答：還是接收2000，數(shù)據(jù)分片由ip層處理了，放到udp還是一個(gè)完整的包。接收到的包是由路由路徑上最少的MTU來(lái)分片，注意轉(zhuǎn)到UDP已經(jīng)在是組裝好的(組裝出錯(cuò)的包會(huì)經(jīng)crc校驗(yàn)出錯(cuò)而丟棄)，是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。

問(wèn)題8.分片后的處理

?????? 問(wèn)：如果500那個(gè)片丟了怎么辦？udp又沒(méi)有重傳

?????? 答：udp里有個(gè)crc檢驗(yàn)，如果包不完整就會(huì)丟棄，也不會(huì)通知是否接收成功，所以UDP是不可靠的傳輸協(xié)議，而且TCP不存在這個(gè)問(wèn)題，有自己的重傳機(jī)制。在內(nèi)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，UDP基本不會(huì)有丟包，可靠性還是有保障。當(dāng)然如果是要求有時(shí)序性和高可靠性，還是走TCP，不然就要自己提供重傳和亂序處理(? UDP內(nèi)網(wǎng)發(fā)包處理量可以達(dá)7M~10M/s )

問(wèn)題9.不同連接到同一個(gè)端口的包處理

?????? 問(wèn)：TCP

????????? A -> C發(fā)100

????????? B -> C發(fā)200

???????? AB同時(shí)同一端口

???????? C recv(1000) ,會(huì)收到多少？

????? 答：A與C是一個(gè)tcp連接，B與C又是另一個(gè)tcp連接，所以不同socket，所以分開(kāi)處理。每個(gè)socket有自己的接收緩沖和發(fā)送緩沖

問(wèn)題10.什么是TCP粘包

??????? 在應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用程序有時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘包現(xiàn)象（即發(fā)送方發(fā)送的若干包數(shù)據(jù)到接收方接收時(shí)粘成一包）。詳細(xì)解釋如下：由于TCP是流協(xié)議，對(duì)于一個(gè)socket的包，如發(fā)送?10AAAAABBBBB兩次，由于網(wǎng)絡(luò)原因第一次又分成兩次發(fā)送，?10AAAAAB和BBBB，如果接包的時(shí)候先讀取10(包長(zhǎng)度)再讀入后續(xù)數(shù)據(jù)，當(dāng)接收得快，發(fā)送的慢時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)先接收了?10AAAAAB,會(huì)解釋錯(cuò)誤?,再接到BBBB10AAAAABBBBB，也解釋錯(cuò)誤的情況。這就是TCP的粘包。

???????在網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用中，通常需要在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之上再自定義一個(gè)協(xié)議封裝一下，簡(jiǎn)單做法就是在要發(fā)送的數(shù)據(jù)前面再加一個(gè)自定義的包頭，包頭中可以包含數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和其它一些信息，接收的時(shí)候先收包頭，再根據(jù)包頭中描述的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)接收后面的數(shù)據(jù)。詳細(xì)做法是：先接收包頭，在包頭里指定包體長(zhǎng)度來(lái)接收。設(shè)置包頭包尾的檢查位（如群空間0x2開(kāi)頭，0x3結(jié)束來(lái)檢查一個(gè)包是否完整）。對(duì)于TCP來(lái)說(shuō)：1）不存在丟包，錯(cuò)包，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)?2）如果包頭檢測(cè)錯(cuò)誤，即為非法或者請(qǐng)求，直接重置即可

???????為了避免粘包現(xiàn)象，可采取以下幾種措施。

??????? 一是對(duì)于發(fā)送方引起的粘包現(xiàn)象，用戶可通過(guò)編程設(shè)置來(lái)避免，TCP提供了強(qiáng)制數(shù)據(jù)立即傳送的操作指令push，TCP軟件收到該操作指令后，就立即將本段數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而不必等待發(fā)送緩沖區(qū)滿；

??????? 二是對(duì)于接收方引起的粘包，則可通過(guò)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)、精簡(jiǎn)接收進(jìn)程工作量、提高接收進(jìn)程優(yōu)先級(jí)等措施，使其及時(shí)接收數(shù)據(jù)，從而盡量避免出現(xiàn)粘包現(xiàn)象；

???????? 三是由接收方控制，將一包數(shù)據(jù)按結(jié)構(gòu)字段，人為控制分多次接收，然后合并，通過(guò)這種手段來(lái)避免粘包。

問(wèn)題11.圖解TCP的3次握手建立連接，4次握手釋放連接？

???????? TCP是面向連接的協(xié)議。運(yùn)輸連接是用來(lái)傳送TCP報(bào)文的。TCP傳輸連接的建立和釋放是每一次面向連接的通信中必不可少的過(guò)程。因此，傳輸連接就由三個(gè)階段，即：連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放。

?

??????這里的SYN=SYNchronization，SYN=1,ACK=0,表示連接請(qǐng)求報(bào)文段；同意建立連接則SYN=1，ACK=1，連接后所有的ACK=1。

三次握手(three-way handshake)方案解決了由于網(wǎng)絡(luò)層會(huì)丟失、存儲(chǔ)和重復(fù)分組帶來(lái)的問(wèn)題。試想不進(jìn)行三次握手可能出現(xiàn)的問(wèn)題？

?

??????

??????? 如上圖所示，如果僅僅是2次握手的話，可能出現(xiàn)的問(wèn)題如下：

?????? Host A發(fā)送的數(shù)據(jù)包由于網(wǎng)絡(luò)的原因，出現(xiàn)了滯留，即延時(shí)到達(dá)了HostB。此時(shí)，B以為HostA發(fā)來(lái)了請(qǐng)求，于是就向HostA發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，以建立連接。而HostA收到報(bào)文后，由于其沒(méi)有向HostB發(fā)起建立連接的請(qǐng)求，因此不會(huì)理睬HostB的確認(rèn)，也不會(huì)向HostB發(fā)送數(shù)據(jù)。而此時(shí)的B認(rèn)為已經(jīng)建立起連接了，就等待HostA發(fā)送的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致HostB的資源白白浪費(fèi)！

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的网络传输层之TCP、UDP详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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