计算机网络第五章运输层

1. 运输层概述

1.1 运输层的功能与作用

1.1.1 运输层的功能

• 传输数据：运输层负责在网络中的两个端系统之间传输数据。
• 端到端通信：运输层实现端系统之间的直接通信，无需关心底层网络的细节。
• 提供服务：运输层向高层提供可靠或不可靠的服务，以满足不同应用的需求。

1.1.2 运输层的作用

• 提高网络的利用率：通过复用，将多个用户的数据组合在一起传输，减少网络资源的浪费。
• 提高通信效率：通过差错控制、流量控制等机制，确保数据正确、高效地传输。
• 支持不同网络之间的互连：运输层协议的标准化，使得不同网络之间的通信成为可能。

1.2 运输层协议的分类

1.2.1 面向连接的协议

• 可靠传输：通过建立连接、数据传输、释放连接等步骤，确保数据正确到达。
• 面向连接：在数据传输前，需要先建立连接，传输完成后释放连接。

1.2.2 无连接的协议

• 不可靠传输：不保证数据一定能够到达，不进行拥塞控制和流量控制。
• 无连接：不需要建立连接，直接发送数据，传输完成后即结束。

2. 传输控制协议（TCP）

2.1 TCP概述

2.1.1 TCP的特点

• 面向连接：在数据传输前需要先建立连接。
• 可靠传输：通过拥塞控制、流量控制、错误检测和重传机制，确保数据正确到达。
• 面向字节流：将数据看作一系列无结构的字节流。

2.1.2 TCP的应用场景

• 需要高可靠性的应用，如文件传输、邮件传输等。
• 需要大量数据传输的应用，如视频流、音频流等。

2.2 TCP的连接建立与终止

2.2.1 连接建立

• 三次握手：客户端发送SYN请求，服务器回应SYN+ACK，客户端回应ACK。
• 建立连接：通过这个过程，双方交换初始序列号，确认双方的接收能力。

2.2.2 连接终止

• 四次挥手：客户端发送FIN请求，服务器回应ACK，客户端再次发送ACK，服务器发送FIN请求。
• 终止连接：通过这个过程，双方逐步释放资源，结束连接。

2.3 TCP的可靠传输机制

2.3.1 拥塞控制

• 慢启动：当连接建立后，逐渐增加窗口大小，以避免网络拥塞。
• 拥塞避免：当网络拥塞时，减少窗口大小，以避免进一步拥塞。
• 快重传与快恢复：当收到重复数据时，快速重传丢失的数据包，并逐步恢复窗口大小。

2.3.2 流量控制

• 滑动窗口协议：通过窗口大小来控制发送方的发送速度。
• 确认应答：接收方通过发送ACK来确认已接收的数据。

2.4 TCP的错误检测与重传

2.4.1 错误检测

• 校验和：对每个数据段进行校验和的计算，以检测数据在传输过程中的错误。
• 序列号：为每个数据段分配一个序列号，用于数据的重传和排序。

2.4.2 重传机制

• 超时重传：当发送方没有收到接收方的ACK，会等待一段时间后重传数据。
• 选择性重传：接收方只重传丢失的数据包，而不是整个窗口内的数据。

3. 用户数据报协议（UDP）

3.1 UDP概述

3.1.1 UDP的特点

• 无连接：不需要建立连接，直接发送数据。
• 不可靠传输：不进行拥塞控制和流量控制，不保证数据一定能够到达。
• 面向数据报：将数据看作一系列独立的数据报。

3.1.2 UDP的应用场景

• 实时应用：如视频会议、在线游戏等，对数据传输的实时性要求较高。
• 小数据包传输：如DNS查询、NTP时间同步等，数据量较小，对可靠性要求不高。

3.2 UDP的头部格式

3.2.1 源端口和目的端口

• 源端口：发送方的端口号。
• 目的端口：接收方的端口号。

3.2.2 长度和校验和

• 长度：数据报的长度，包括头部和数据。
• 校验和：对整个数据报进行校验和的计算，以检测错误。

3.3 UDP的优点与缺点

3.3.1 优点

• 减少开销：无需建立连接，减少了传输过程中的开销。
• 提高实时性：不需要进行拥塞控制和流量控制，提高了数据传输的实时性。

3.3.2 缺点

• 不可靠传输：不保证数据一定能够到达，可能导致数据丢失。
• 缺乏流量控制：可能导致接收方来不及处理发送方的数据，导致数据丢失。