5、传输层和网络层协议
一、传输层协议分类
TCP/IP协议族的传输层协议主要包括TCP（Transfer Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。TCP是面向连接的可靠的传输层协议，它支持在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的数据传输。UDP是无连接的传输协议，主要用于支持在较可靠的链路上的数据传输，或用于对延迟较敏感的应用。传输层协议定义了通信两端之间是否需要建立可靠的连接关系，如果需要那么传输层就需要封装TCP的头部，如果不需要就封装UDP的头部。
二、TCP协议简介
1、TCP协议特点
①三次握手（Three-Way Handshake）建立连接：确保连接建立的可靠性。
②端口号：通过端口号标识上层协议和服务，实现了网络通道的多路复用。
③完整性校验：通过对协议和载荷数据计算校验和（Checksum），保证了接收方能检测出传输过程中可能出现的差错。
④确认机制：对于正确接收到的数据，接收方通过显式应答通告发送方，超出一定时间之后，发送方将重传没有被确认的段，确保传输的可靠性。
⑤序列号：发送的所有数据都拥有唯一的序列号，这样不但唯一标识了每一个段（segment），而且明确了每个段在整个数据流中的位置，接收方可以利用这些信息实现确认、丢失检测、乱序重排等功能。
⑥窗口机制：通过可调节的窗口，TCP接收方可以通告期望的发送速度，从而控制数据的流量。
2、TCP头部
| Source port | 源端口，标识哪个应用程序发送，长度为16比特 |
| Destination port | 目的端口，标识哪个应用程序接收，长度为16比特 |
| Sequence number/Acknowledgement number | Sequence number表示发送数据包的编号，Acknowledgement number用来对所收到的报文进行确认，确保可靠性和有序性 |
| Header length | 头部长度，指出TCP报文头部长度 |
| Reserved | 保留，必须填0，长度为4比特 |
| Control bits | 控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段 |
| Window | 用来控制每次传递数据的量，窗口最大为65535字节，长度为16比特 |
| Checksum | 对于TCP头部和TCP数据进行一个校验，接收方也做一个校验，确保数据传递过程中一个完整性 |
| Urgent | 指针位用不到 |
| Options | 可选位 |
三、TCP的工作原理
1、TCP三次握手建连接
任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行“三次握手”建立连接，TCP连接建立的详细过程如下。
- 由TCP连接发起方（图中PC1），发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0。
- 接收方（图中PC2）接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时因为此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1。
- PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1，确认序列号为b+1。PC2收到之后，TCP双向连接建立。握手过程确保TCP只有在两端一致同意的情况下，才会打开一个连接。
2、TCP四次握手终止连接
当数据传输完成，TCP需要通过“四次挥手”机制断开TCP连接，释放系统资源，TCP连接终止的详细过程如下。
- 由PC1发出一个FIN字段置”1”的不带数据的TCP段。
- PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后，会回复一个ACK置位的TCP报文。
- 若PC2也没有需要发送的数据，则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送，那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
- PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。TCP连接至此终止，可见这是一个四次握手过程，终止连接两端可以不一致。
3、传输确认和超时重传
TCP并不要求对每个数据包一对一地发送确认，接收端可以用一个ACK确认之前收到的所有数据。例如，接收到的确认序列号为N+1时，表示接收方对到N为止的所有数据全部正确接收。Sender发送了三个数据包，Receiver回复ACK=3，表明我收到了前两个数据包，Sender就知道网络拥塞，重传第三个报文。
4、滑动窗口
Window用来控制每次接收TCP报文的数量，滑动窗口可以基于网络情况进行动态调整，如果网络空闲每次就多传递些TCP报文，如果网络拥塞每次就少传递些TCP报文，详细过程如下。
- 首先是PC1和PC2之间三次握手建立TCP连接。在报文的交互过程中，PC1将自己的缓冲区大小（窗口大小）3发送给PC2，PC2同理，这样双方就知道了对端的窗口大小。
- PC1连续发送3个单位的数据，在这一波数据发送完后，PC1就不能再发了，需等待PC2的确认。
- PC1发送过来的数据逐渐将PC2缓冲区填满。
- PC2向PC1发送一个ACK，这个报文中指示窗口大小为1。PC1收到PC2发过来的ACK消息，并且知道PC2将窗口大小调整为1，因此他只发送了一个单位的数据并且等待PC2的下一个确认报文。
5、TCP的慢启动拥塞避免的机制
TCP检测到网络是空闲的，窗口大小呈指数级别启动。网络一旦发生拥塞，就是出现大量的TCP的重传，窗口大小降低为原来的一半，再指数级别启动。
四、UDP协议简介
1、UDP头部
| Source port | 源端口，标识哪个应用程序发送，长度为16比特 |
| Destination port | 目的端口，标识哪个应用程序接收，长度为16比特 |
| Length | 该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度 |
| Checksum | 对于UDP头部进行一个校验，接收方也做一个校验，确保数据传递过程中一个完整性 |
2、TCP和UDP的对比
UDP报文没有序列号、确认、超时重传和滑动窗口，没有任何可靠性保证。因此基于UDP的应用和服务通常工作于可靠性较高的网络环境下。当然，使用UDP作为传输层协议也有独特的优势。
- 实现简单，占用资源少。
- 带宽浪费少，传输效率高，因为UDP头比TCP头尺寸小。
- 延迟小，适合低延迟的业务。
五、端口号
IP头部中的协议号如果是6表示上层是TCP头部，如果是17表示上层是UDP头部。传输层头部中的源端口一般随机分配，目标端口则由服务器的应用指定。源端口号一般为系统中未使用的，且大于1023。目的端口号为服务端开启的应用（服务）所侦听的端口，如HTTP缺省使用80。
