TCP/IP傳輸層

TCP:傳輸控制協議,是TCP/IP參考模型的傳輸層協議。那麼關於TCP/IP傳輸層，你懂多少?下面跟yjbys小編一起來學習吧!

　　一、傳輸層的主要功能是什麼?

分割並重新組裝上層提供的數據流，為數據流提供端到端的傳輸服務

　　二、傳輸層如何區分不同應用程序的數據流?

因為，對應傳輸層而言，它只需要知道目標主機上的哪個服務程序來響應這個程序，而不需要知道這個服務程序是幹什麼的。因此，我們只需要能夠抽象的表示出來這些應用程序和服務程序即可。我們使用端口號來抽象標識每個網絡程序。

因此：在同一IP地址(同一個目標主機)上不同的端口號是兩個不同的鏈接。IP地址和端口號用來唯一的確定網絡上數據的目的地。

　　三、傳輸層有哪些協議?

傳輸層的兩大協議：TCP(傳輸控制協議)UDP(用户數據包協議)

TCP是一個可靠的面向鏈接的協議，UDP是不可靠的或者説無連接的協議。

可以用打電話和發短信來説明這種關係：

UDP就好似發短信，只管發出去，至於對方是不是空號(網絡不可到達)能不能收到(丟包)等並不關心。

TCP好像打電話，雙方要通話，首先，要確定對方不是開機(網絡可以到達)，然後要確定是不是沒有信號()，然後還需要對方接聽(通信鏈接)。

　　四、什麼是UDP協議?

UDP數據包結構如下圖所示

UDP為應用程序提供的是一種不可靠的、無連接的分組交付，因此，UDP報文可能會出現丟失、亂序、重複、延時等問題。

　　五、為什麼有了UDP，還需要TCP?

問題4中已經説到，UDP為應用程序提供的是一種無連接、不可靠的分組交付。當網絡硬件失效或者負擔太重時，數據包可能就會產生丟失、重複、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通信不正常。如果讓應用程序來擔負差錯控制的工作，無疑將給程序員帶來許多複雜的工作，於是，我們使用獨立的通信協議來保證通信的可靠性是非常必要的。

　　六、什麼是TCP協議?

傳輸控制協議TCP是一個面向鏈接的、可靠的通信協議。

1. 在開始傳輸前，需要進行三次握手建立鏈接

2. 可靠性：在傳輸過程中，通信雙方的.協議模塊繼續進行通信

3. 通信結束後，通信雙方都會使用改進的三次握手來關閉鏈接

　　TCP數據包結構如下圖

　　七、怎麼理解協議和程序?

如同我們自定義的應用層協議一樣：協議只是給出了一組規範，規定我們應該怎麼樣(按什麼規則)保存數據。

在計算機間傳輸的永遠都是二進制字節碼(對於傳輸層，可以理解為傳輸的始終是下層的IP數據包)，是計算機中的程序通過對這些字節碼進行邏輯分析、判斷，來控制程序完成差錯控制等功能。

至於解析這些字節碼的程序，則可以有不同的實現，只要我們按照規則來解析，並作出相應的控制，我們大可以自己寫個程序是實現相應功能。

　　八、TCP是否真的有鏈接?

我們都知道，TCP通過完成三次握手來建立鏈接的，但是這種連接是面向虛電路的，是物理上不存在的，只是雙方的TCP程序，邏輯上的認為建立了這樣的鏈接。

九、鏈接是如何建立的(邏輯上)?

假設：當我們在主機A上啟動一個程序，通過TCP去鏈接主機B上的9091端口。

整個過程是怎麼樣的呢?邏輯上我們可以這麼理解建立鏈接的過程：

:seq=X;

1.1 A的TCP程序，為這個鏈接分配一個端口(設為9090)。

1.2 同時邏輯上的將TCP連接的狀態設置為：正在連接。(通過在鏈接狀態表中添加一條記錄，記錄中狀態為：正在連接)

猜想：

1.3 同時，隨機生成一個初始序列號X，生成一個TCP包，將初始化序列號X設置為TCP中的序列號，發送給主機B。

:seq=Y ACK:ack=X+1;

2.1 B上TCP程序收到該數據包，查詢9091端口狀態，如果可以鏈接。

2.2 同樣的，在邏輯上的將TCP連接的狀態設置為：正在連接

2.3 同時，隨機生成一個初始化序列號Y，根據接收的序列號X，生成應答號X+1，生成一個TCP包，將序列號和應答號分別設置到TCP包頭中，將TCP數據包發給主機A。

:seq=X+1 ACK:ack=Y+1.

3.1 A上的TCP程序接收到數據包，查詢9090端口狀態。

3.2 根據收到的SYN:seq=Y;ACK:ack=X+1; 封裝一個TCP包 SYN:seq=x+1;ACK:ack=Y+1;發送給主機B。同時，TCP程序將鏈接狀態表中該條記錄狀態設置為已連接。

3.3 主機B收到數據包，TCP程序將鏈接狀態表中該條記錄狀態設置為已連接。

至此，一個TCP鏈接建立(三次握手)完成。

我們可以看到：

第一：傳送的都是IP數據包，其實只是將收到的數據包交給TCP程序處理。

第二：鏈接狀態，只是TCP程序中的一個邏輯狀態。

　　十：所謂的建立TCP鏈接開銷很大，具體是指什麼?

從九中，很容易看出。要簡歷TCP鏈接，必須進行三次IP數據包的成功傳輸。

　　十一：三次握手的目的是什麼?

TCP是面向鏈接的，在面向鏈接的環境中，開始傳輸數據之前，在兩個中端之間必須先建立一個鏈接。建立鏈接的過程可以確保通信雙方在發送應用程序數據包之前，都已經準備好了傳送和接收數據。並且使通信雙方統一了初始化序列號。

　　十二：TCP如何提供可靠性?

在傳輸過程中，通信雙方的協議模塊繼續進行通信，從而確保了傳輸的可靠性。

針對亂序：在通過三次握手進行鏈接時，序列號被初始化。在傳輸過程中，TCP繼續使用這個序列號來標記發送的每一個數據段，沒傳送一個數據段，序列號加一。接收方依據序列號重裝收到的數據段。

針對丟包：在傳輸過程中，接收方收到一個數據段後，會用ACK應答碼向發送端回覆一個IP包進行應答，確認號ACK用來告訴發送端哪些數據包已經成功接收，發送方對未被應答的報文段提供重傳。

針對重複：接收端收到數據段後，查看序列號，如果已經成功接收改數據包，則丟棄後面這個數據段。

針對延時：延時造成的第一個問題，就是數據包達到接收端時亂序。

當延時嚴重時，接收端一直未收到數據段，則不會回覆ACK，發送端認為丟包，重發。

　　十三：什麼是預期確認?什麼是肯定確認與重新傳輸?哪些情況會重傳?

1.確認號ACK會告訴發送端哪些數據段已經成功接收，並且確認號會向發送端指出接收端希望收到的下一個序列號。即，確實號ACK為上個數據序列號+1，這種機制稱為預期確認。

2.為了提高效率，我們在發送端，將數據段保存在緩衝區中，直道發送端收到來自接收端的確認號。這種機制被稱為“肯定確認與重新傳輸”。

3.當發送端在給定時間間隔內收不到那個數據段的應答時，發送端就會重傳那個數據段。

情況1：網絡延時/環路，數據段丟失

情況2：網絡延時，數據段推遲到達

情況3：數據段成功到達，應答因為1.2不能達到。

　　十四： TCP中，序列號和應答號有哪些作用?

從以上10,11,12中，很明顯的可以看到

依靠序列號重組數據段

依靠數據包消除網絡中的重複包

依靠序列號和應答號進行差錯重傳，提高了TCP的可靠性

　　十六：為什麼需要窗口技術?

前面我們已經説了，TCP的可靠性，是通過預期確認來實現的。即發送方發送一個數據段後，需要得到對方的確認後，才會發送下一個數據段。

因此，假設一個數據段大小為64KB(IP包最大值)，一次發送和確認需要的時間為500MS，則，1S內，只能傳送128KB的數據，如果帶寬為1M，顯然很浪費帶寬。為了充分利用帶寬，我們使用窗口技術。滑動窗口允許發送方在收到接收方的確認之前發送多個數據段。(窗口大小決定了在收到確認前可以發送的數據段數量)

　　十七：如何實現流量控制?

窗口數決定了當前傳輸的最大流量。當我們在傳輸過程中，通信雙方可以根據網絡條件動態協商窗口大小，調整窗口大小時，即可實現流量控制。(在TCP的每個確認中，除了ACK外，還包括一個窗口通知)

　　十八：UDP的開銷很小，具體是指什麼?

1.因為UDP是無連接的。在傳輸數據之前，不需要進行復雜的三次握手來建立連接。

2.在傳輸數據時，沒有協議間通信流量(確認信號)，也不需要浪費不必要的處理時間(接收確認信號再發一下)。

3;傳輸結束後，也不用再用改進的三次握手來端口連接。

　　十九：UDP數據包、TCP數據包大小如何確認?

無論TCP還是UDP數據包，都需要交給Internet層封裝為IP包，而一個IP包，包頭中的長度位為16位，所以IP包最大為2的16方，即65535(64KB還需要減去各種包頭長度)。

TCP因為面向流，且可以憑藉序列號對大文件進行分段和重組，因此，TCP可以用來傳輸較大的文件。而UDP，如果要傳輸大於64KB的數據，則需要自己在應用層進行差錯控制。

為了提高傳輸效率和減少網絡通信量(協議間的通信)，TCP也會一次傳輸足夠多的數據。

因為MTU的存在，TCP包和UDP包不是越大越好。(在路由中分包，在接收端重組，加大路由與接收端負擔，增大丟包概率。分組丟失，整個數據包重傳。)

　　二十：UDP適用哪些環境?TCP適用哪些環境?

適合UDP的環境：

1.在高效可靠的網絡環境中(不需要考慮網絡不好導致的丟包、亂序、延時、重複等問題)，因為UDP是無連接的服務，不用消耗不必要的網絡資源(TCP中的協議間通信)和處理時間(預期確認需要的時間)，從而效率要高的多。

2.在輕權通信中，當需要傳輸的數據量很小(可以裝在一個IP數據包內)時。如果我們使用TCP協議，那麼，先建立連接，一共需要發送3個IP數據包，然後數據傳輸，1個IP數據包，產生一個確認信號的IP包，然後關閉連接，需要傳輸5個IP數據包。使用TCP協議IP包的利用率為1/10。而使用UDP，只需要發送一個IP數據包。哪怕丟包(服務不成功)，也可重新申請服務(重傳)。

UDP很適合這種客户機向服務器傳送簡單服務請求的環境。此類應用層協議包括TFTP , SNMP , DNS ,DHCP等。

3.在對實時性要求很強的通信中：在諸如實時視頻直播等對實時性要求很高的環境中，從而允許一定量的丟包的情況下(直播比賽，前面丟失的包，重傳出來已經意義不大了)，UDP更適合。(可以根據具體需要通過應用層協議提供可靠性，不用像TCP那麼嚴格。)

適合TCP協議的環境：

當網絡硬件失效或者負擔太重時，數據包可能就會產生丟失、重複、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通信不正常的時候。如果讓應用程序來擔負差錯控制的工作，無疑將給程序員帶來許多複雜的工作，於是，我們使用獨立的通信協議來保證通信的可靠性是非常必要的。