一、传输层

1.1 传输层定义

TCP/IP中有两个具有代表性的传输层协议，它们分别是TCP和UDP。TCP提供可靠的通信传输，而UDP则常被用于让广播和细节控制交给应用的通信传输。

IP首部中有一个协议字段，用来标识网络层（IP）的上一层所采用的是哪一种传输层协议。根据这个字段的协议号，就可以识别IP传输的数据部分究竟是TCP的内容，还是UDP的内容。

同样，传输层的TCP和UDP，为了识别自己所传输的数据部分究竟应该发给哪个应用，也设定了这样一个编号。

在TCP/IP的通信当中，使用“端口”作为编号，指定具体的应用程序。根据端口号就可以识别在传输层上一层的应用层中所要进行处理的具体程序。

1.2、传输层的通信处理

；连接

上图所示的这些服务端程序在UNIX系统当中叫做守护进程。例如HTTP的服务端程序是httpd（HTTP守护进程），而ssh的服务端程序是sshd（SSH守护进程）。在UNIX中并不需要将这些守护进程逐个启动，而是启动一个可以代表它们接收客户端请求的inetd（互联网守护进程）服务程序即可。它是一种超级守护进程。该超级守护进程收到客户端请求以后会创建（fork）新的进程并转换（exec）为sshd等各个守护进程。

传输协议TCP、UDP通过接收数据中的目标端口号识别目标处理程序。当收到TCP的建立连接请求时，如果目标端口为22，则转给sshd，如果是80则转给httpd。

1.3 TCP和UDP

在TCP/IP中能够实现传输层功能的、具有代表性的协议是TCP和UDP。

TCP

TCP是面向连接的、可靠的流协议。

TCP为提供可靠性传输，实行“顺序控制”或“重发控制”机制。此外还具备“流控制（流量控制）”、“拥塞控制”、提高网络利用率等众多功能。

TCP用于在传输层有必要实现可靠传输的情况。

UDP

UDP是User Datagram Protocol的缩写。

UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立即按照原样发送到网络上的一种机制。

即使是出现网络拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。此外，传输途中即使出现丢包，UDP也不负责重发。甚至当出现包的到达顺序乱掉时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么不得不交由采用UDP的应用程序去处理。

UDP是不具有可靠性的数据报协议。细微的处理它会交给上层的应用去完成。在UDP的情况下，虽然可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会到达。

UDP主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。此外，在多播与广播
通信中也使用UDP而不是TCP。RIP、DHCP等基于广播的协议也要依赖于UDP。

主要应用场景：
包总量较少的通信（DNS、SNMP等）
视频、音频等多媒体通信（即时通信）
限定于LAN等特定网络中的应用通信

1.4 套接字Socket

使用TCP或UDP通信时，会广泛使用到套接字（socket）的API。

应用程序利用套接字，可以设置对端的IP地址、端口号，并实现数据的发送与接收。

套接字

二、TCP

2.1 TCP的特点

为了通过IP数据报实现可靠性传输，需要考虑很多事情，例如数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。如不能解决这些问题，也就无从谈起可靠传输。

TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

2.1.1 TCP通过序列号和确认应答机制提高可靠性。

在TCP中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知。这个消息叫做确认应答（ACK（PositiveAcknowled-gement））。

序列号是按顺序给发送数据的每一个字节（8位字节）都标上号码的编号（序列号的初始值并非为0。而是在建立连接以后由随机数生成。而后面的计算则是对每一字节加一。） 。接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据的长度，将自己下一步应该接收的序号作为确认应答返送回去。

确认应答确保数据一定会发送，包括正常收到应答，未收到应答的重发。而确认应答会导致重复发送，接收端重复接收等情况，这些需要通过序列号去保证数据只被接收处理一次。

2.1.2 重发机制，如何确定超时时间？

重发超时是指在重发数据之前，等待确认应答到来的那个特定时间间隔。如果超过了这个时间仍未收到确认应答，发送端将进行数据重发。

在每次发包时都会计算往返时间（Round Trip Time也叫RTT。是指报文段的往返时间。） 及其偏差（RTT时间波动的值、方差。有时也叫抖动。） 。将这个往返时间和偏差相加重发超时的时间，就是比这个总和要稍大一点的值。

数据被重发之后若还是收不到确认应答，则进行再次发送。此时，等待确认应答的时间将会以2倍、4倍的指数函数延长。

此外，数据也不会被无限、反复地重发。达到一定重发次数之后，如果仍没有任何确认应答返回，就会判断为网络或对端主机发生了异常，强制关闭连接。并且通知应用通信异常强行终止。

2.1.3 连接管理

在数据通信之前，通过TCP首部发送一个SYN包作为建立连接的请求等待确认应答（TCP中发送第一个SYN包的一方叫做客户端，接收这个的一方叫做服务端。）。如果对端发来确认应答，则认为可以进行数据通信。如果对端的确认应答未能到达，就不会进行数据通信。此外，在通信结束时会进行断开连接的处理（FIN包）。

2.1.4 以段为单位发送数据

在建立TCP连接的同时，也可以确定发送数据包的单位，我们也可以称其为“最大消息长度”（MSS：Maximum Segment Size）。最理想的情况是，最大消息长度正好是IP中不会被分片处理的最大数据长度。

TCP在传送大量数据时，是以MSS的大小将数据进行分割发送。进行重发时也是以MSS为单位。

MSS是在三次握手的时候，在两端主机之间被计算得出。两端的主机在发出建立连接的请求时，会在TCP首部中写入MSS选项，告诉对方自己的接口能够适应的MSS的大小 。然后会在两者之间选择一个较小的值投入使用。

MSS确定

2.1.4 窗口控制提高传输速度

TCP以1个段为单位，每发一个段进行一次确认应答的处理。这样的传输方式有一个缺点。那就是，包的往返时间越长通信性能就越低。

窗口模式的引入就是为了解决这个问题，发送端主机，在发送了一个段以后不必要一直等待确认应答，而是继续发送。

2.1.5 TCP流控制

TCP提供一种机制可以让发送端根据接收端的实际接收能力控制发送的数据量。这就是所谓的流控制。接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小，于是发送端会发送不超过这个限度的数据。该大小限度就被称作窗口大小。

TCP首部中，专门有一个字段用来通知窗口大小。接收主机将自己可以接收的缓冲区大小放入这个字段中通知给发送端。这个字段的值越大，说明网络的吞吐量越高。

接收端的这个缓冲区一旦面临数据溢出时，窗口大小的值也会随之被设置为一个更小的值通知给发送端，从而控制数据发送量。也就是说，发送端主机会根据接收端主机的指示，对发送数据的量进行控制。这也就形成了一个完整的TCP流控制（流量控制）。