以太网详解（八）传输层协议：TCP/UDP 协议

文章目录

传输层协议概述
- 为什么需要传输层？
- 传输层功能
- - [网络层与传输层在实现 "端到端" 传输的异同](#网络层与传输层在实现 “端到端” 传输的异同)
  - 两类服务:面向连接/无连接服务
[传输控制协议 TCP](#传输控制协议 TCP)
- [TCP 协议数据单元格式](#TCP 协议数据单元格式)
- [TCP 的重传机制](#TCP 的重传机制)
- - 快重传和快恢复
  - - 快重传举例
    - 快恢复算法
[用户数据报协议 UDP](#用户数据报协议 UDP)
- [UDP 概述](#UDP 概述)
- [UDP 基本工作过程](#UDP 基本工作过程)
- [UDP 用户数据报的首部（Head）格式](#UDP 用户数据报的首部（Head）格式)
[TCP 与 UDP 的比较](#TCP 与 UDP 的比较)

传输层协议概述

为什么需要传输层？

OSI网络层是通过 "逐节点"（Hop-by-Hop）实现源主机到目的主机间网络协议数据单元（Internet 中的 IP）的 "端到端" 传输的。即使网络层在节点间提供服务确认，仍不能保障 "端到端" 可靠传输（如果中间节点对收到的数据确认后，在前传前出现节点故障）。
网络层地址仅能标识网络设备或端系统的网络端口，不能作为标识系统内部的多个应用进程（用户平台的应用进程或信控管理平台的特殊应用进程）的标识符，因此需要应用进程传输层标识符（TSAP）；在 Internet 中称为 "端口号"。

传输层功能

连接管理
流量控制
差错检测
对用户请求的响应
建立无连接或面向连接的通信
--- 面向连接：会话建立、数据传输、会话拆除
--- 无连接：不保证数据的有序到达

网络层与传输层在实现 "端到端" 传输的异同

网络层（主机间）：通过通信子网中中继系统逐级转发实现的 "源"、"目的" 主机间物理上的 "端到端" 的用户数据的传输。但网络层协议通常只定义节点间的转发过程，因此网络层协议执行过程不是 "端到端" 直接通信，而是 "逐级"（Hop-by-Hop）转发实现的物理上的端到端通信。
传输层（应用进程间）：由于用户数据在通信子网的用户数据平台上没有传输层实体，因此，应用进程利用传输层实现进程间的传输只是概念上/逻辑上的 "端到端" 的 "直接传输"。物理上仍然利用网络层逐级实现的端到端服务。

两类服务:面向连接/无连接服务

提供面向连接服务的协议：TCP (Transmission Control Protocol) - RFC 973
提供无连接服务的协议：UDP (UserDatagram Protocol) - RFC 768

传输控制协议 TCP

客户（主动请求） / 服务器（被动响应）工作模式：

建立连接 ：通过三次握手方式建立连接。

数据传输

基本数据传输：能连续、双向传输字节流。
提供敦促接收方迅速将收到的数据提交应用进程的功能（PUSH）。
可靠性：数据损坏、丢失、重复和错序必须能恢复（机制:以字节为基础的序号、正确接收确认（ACK）、重传时钟、检错）。
流量控制：窗口可变的 "滑动窗口" 流控方式，窗口大小以 "字节" 为基础。

连接拆除

请求拆除、两次拆除确认等待、请求方在确认的方式。

TCP 协议数据单元格式

源端口和目的端口字段

各占 2 字节。端口是传输层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。

序号字段

占 4 字节。TCP 连接中传输的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

确认号字段

占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。

数据偏移

占 4 bit，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。"数据偏移" 的单位不是字节而是 32 bit 字（4 字节为计算单位）。

保留字段

占 6 bit，保留为今后使用，但目前应置为 0。

紧急比特 URG

当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传输（相当于高优先级的数据）。

确认比特 ACK

只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。当 ACK = 0 时，确认号无效。

推送比特 PSH（PuSH）

接收 TCP 收到推送比特置 1 的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。

复位比特 RST（ReSeT）

当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。

同步比特 SYN

同步比特 SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

终止比特 FIN（FINal）

用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放传输连接。

窗口字段

占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。

检验和

占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。

紧急指针字段

占 16 bit。紧急指针指出：在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。

选项字段

长度可变。TCP 只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS（Maximum Segment Size）。MSS 告诉对方 TCP："我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节"。MSS 是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段。

填充字段

这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。