第七章 传输层
7.1 传输层的功能与作用
传输层位于网络层之上，主要负责端到端的通信，提供可靠或不可靠的数据传输服务。其核心功能包括：
- 数据分段与重组：将应用层数据分段，添加传输层首部，传输完成后重组数据。
- 端到端通信：确保数据准确地传输到目标主机的正确进程。
- 可靠性保证：通过确认机制、重传机制等实现数据的可靠传输（TCP协议）。
- 流量控制：避免数据发送方过快地向接收方传输数据，造成拥塞。
- 拥塞控制：防止网络过载，提升整体性能。
- 多路复用与多路分解：支持多个应用共享一个网络连接。
7.2 端到端通信与传输层协议
传输层实现端到端通信，主要通过两种协议来完成：
-
TCP（Transmission Control Protocol）：
- 提供可靠的数据传输。
- 使用连接机制，确保数据无丢失、无重复、按顺序到达。
- 适用于需要高可靠性的应用（如文件传输、电子邮件）。
-
UDP（User Datagram Protocol）：
- 提供无连接的数据传输。
- 不保证数据可靠性，适用于实时性高、对丢包不敏感的场景（如视频流、在线游戏）。
7.3 TCP协议
7.3.1 连接管理
TCP通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接：
- 三次握手（建立连接）：
- 客户端发送SYN（同步）请求。
- 服务器回复SYN+ACK（同步+确认）。
- 客户端发送ACK（确认）完成握手。
- 四次挥手（断开连接）：
- 主动关闭方发送FIN（结束）请求。
- 被动关闭方发送ACK确认。
- 被动关闭方再发送FIN请求。
- 主动关闭方发送ACK确认，连接断开。
7.3.2 流量控制
- 目的：控制发送方的发送速度，避免接收方因缓存不足而丢包。
- 方法：基于接收方的窗口大小（接收窗口，Receive Window）调整发送速率。
7.3.3 拥塞控制
- 目的：避免网络过载，维持数据流畅性。
- 常见算法：
- 慢启动：初始发送速度较低，逐步增大窗口。
- 拥塞避免：检测网络拥塞，调整窗口大小。
- 快速重传：在未收到确认时，快速重发丢失的数据。
- 快速恢复：避免拥塞后恢复数据传输。
7.4 UDP协议
UDP是一种简单的无连接传输协议，特点如下：
- 无连接：数据在不建立连接的情况下发送，不维护会话状态。
- 不可靠性：不保证数据到达顺序，也不提供重传机制。
- 效率高：传输开销小，适合实时性高的应用。
- 应用场景：
- 视频流传输（如IPTV、视频会议）。
- 实时通信（如VoIP、在线游戏）。
- DNS查询服务。
7.5 传输层端口与套接字
7.5.1 端口
- 定义：端口是传输层用来标识应用程序的数字标识符。
- 范围：
- 0-1023：知名端口，分配给常见服务（如HTTP的80，HTTPS的443）。
- 1024-49151：注册端口，供特定服务使用。
- 49152-65535：动态端口，为临时通信分配。
7.5.2 套接字（Socket）
- 定义：套接字是IP地址和端口的组合，用于标识通信的端点。
- 示例：
192.168.1.10:80表示IP地址为192.168.1.10，端口为80的通信终点。
7.6 服务质量（QoS）与传输层的优化
7.6.1 服务质量（QoS）
- 定义：QoS是指在网络中提供不同服务的优先级，确保关键应用获得较好的服务质量。
- 核心指标：
- 带宽：数据传输的最大速率。
- 延迟：数据从发送到接收的时间间隔。
- 抖动：延迟的波动性。
- 丢包率：传输中丢失数据包的比例。
7.6.2 传输层优化技术
- 拥塞管理：采用高效的拥塞控制算法优化传输效率。
- 数据压缩：通过压缩技术减少传输数据量。
- 传输协议选择：根据应用场景选择合适的传输协议（如TCP或UDP）。
总结
传输层是实现端到端通信的核心部分，为应用层提供可靠或非可靠的传输服务。通过掌握TCP、UDP协议及其核心机制，可以更好地理解和优化网络通信。