【计算机网络运输层详解】

一、前言

计算机网络运输层（Transport Layer）位于网络层之上、应用层之下，在整个网络协议栈中起着承上启下的作用。它为应用进程提供端到端的数据传输服务，并确保数据能够可靠或高效地传送到目标主机。

二、运输层的功能

1. 端到端通信

• 网络层负责主机之间的数据传输，但无法区分主机上的具体应用进程。
• 运输层通过端口号标识不同的进程，实现主机到主机之间的端到端通信。

2. 复用与分用

• 复用：多个应用程序可以同时使用运输层协议进行数据传输。
• 分用：接收方将运输层数据解析并分发到对应的应用程序。

3. 差错检测

• 运输层对数据进行校验，保证数据在传输过程中没有损坏。
• 校验和用于检测数据在传输过程中是否出错。

4. 流量控制

• 防止发送方发送过多的数据，超过接收方的处理能力。
• 避免数据溢出或丢失。

5. 拥塞控制

• 防止网络拥塞，确保网络资源被合理利用。
• 通过调整发送速率来适应当前网络状态。

三、运输层协议：TCP 和 UDP

运输层的两大核心协议分别是：

• TCP（Transmission Control Protocol）：传输控制协议
• UDP（User Datagram Protocol）：用户数据报协议

1. TCP：面向连接的可靠传输协议

TCP 提供可靠的数据传输服务，具有以下特性：

• 面向连接：在数据传输前需要先建立连接（3次握手），数据传输结束后释放连接（4次挥手）。
• 可靠传输：数据包按序到达、无差错、不丢失、不重复。
• 流量控制：通过滑动窗口机制控制发送方的数据发送速率。
• 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快重传等算法控制数据流量，防止网络拥塞。

✅ TCP 报文格式

  0          4          8         16         24         32
  --------------------------------------------------------
 | 源端口号    | 目的端口号      | 序号（32位）                 |
  --------------------------------------------------------
 | 确认号（32位）                      |
  --------------------------------------------------------
 | 数据偏移（4位） | 保留（6位） | 标志位（6位）  | 窗口大小      |
  --------------------------------------------------------
 | 校验和         | 紧急指针                      |
  --------------------------------------------------------
 | 可选字段（0-320位）                  |
  --------------------------------------------------------
 | 数据部分                              |
  --------------------------------------------------------

• 源端口号和目的端口号：标识通信双方进程。
• 序号和确认号：保证数据的可靠性和有序性。
• 标志位：
  • ACK：确认标志。
  • SYN：同步标志，用于建立连接。
  • FIN：终止标志，用于断开连接。
• 窗口大小：用于流量控制。
• 校验和：检测数据传输是否出错。

✅ TCP 连接过程

• 三次握手（建立连接）
  1. 客户端发送 SYN 报文。
  2. 服务端返回 SYN + ACK 报文。
  3. 客户端返回 ACK 报文，连接建立。
• 四次挥手（释放连接）
  1. 客户端发送 FIN 请求断开连接。
  2. 服务端返回 ACK 确认。
  3. 服务端发送 FIN 请求断开。
  4. 客户端返回 ACK，连接断开。

2. UDP：无连接的传输协议

UDP 提供无连接的数据传输服务，具有以下特性：

• 无连接：无需建立连接即可传输数据。
• 不可靠传输：不保证数据有序、不丢失。
• 速度快：开销小，适合对实时性要求高的应用（如视频会议、语音通话）。

✅ UDP 报文格式

  0          4          8         16         24         32
  --------------------------------------------------------
 | 源端口号    | 目的端口号      | 数据长度         | 校验和      |
  --------------------------------------------------------
 | 数据部分（可变长）                                  |
  --------------------------------------------------------

• 源端口号和目的端口号：标识通信进程。
• 数据长度：数据部分的长度。
• 校验和：检测数据是否损坏。
• 数据部分：实际传输的数据。

✅ UDP 应用场景

• 实时音视频：如 VoIP、视频通话。
• 在线游戏：数据传输需要速度，不需要可靠性。
• 广播和多播：如 DHCP 协议。

四、端口号与进程通信

1. 端口号分类

• 0~1023：系统端口（知名端口）
  • 80：HTTP
  • 443：HTTPS
  • 22：SSH
• 1024~49151：注册端口
  • 分配给用户程序或进程。
• 49152~65535：动态或私有端口
  • 临时端口号，供客户机程序使用。

2. 端口通信模型

• 服务器监听指定端口，等待客户端连接。
• 客户端通过指定端口向服务器发送数据。
• 服务器和客户端进行数据交互。

五、流量控制与拥塞控制

1. 流量控制

• 滑动窗口机制
  • 发送方和接收方维护窗口。
  • 窗口大小决定发送方可发送的数据量。
  • 通过调整窗口大小实现流量控制。

✅ 示例

• 发送方窗口大小为 4。
• 每次发送 4 个数据包。
• 接收方确认收到数据后，滑动窗口前移。

2. 拥塞控制

• 慢启动：初始发送速率较低，逐步增加。
• 拥塞避免：防止发送速率增长过快。
• 快重传：在接收方连续接收到 3 个重复的 ACK 时，立即重传数据。
• 快恢复：在拥塞时减少窗口大小，不重置。

六、总结

运输层在计算机网络中负责主机之间的数据传输。它通过 TCP 和 UDP 提供可靠或高速的传输服务，同时通过流量控制与拥塞控制保障网络稳定性。

✅ TCP 适合可靠性要求高的场景

• 如文件传输、邮件、Web 浏览。

✅ UDP 适合实时性要求高的场景

• 如视频会议、语音通话、在线游戏。