计算机网络--传输层（1）

第五章 传输层

一、传输层基本功能

1. 进程到进程的逻辑通信

   • 套接字（Socket）：IP地址:端口号
     • IP地址：标识主机（网络层功能）
     • 端口号：16位整数（0-65535），标识进程
       • 熟知端口（0-1023）：如 HTTP（80）、FTP（21）
       • 注册端口（1024-49151）：由 IANA 分配（如 MySQL 3306）
       • 动态端口（49152-65535）：临时分配

2. 数据单元

   • 传输层：报文段（TCP）/ 用户数据报（UDP）
   • 对比其他层：
     • 物理层：比特流
     • 链路层：帧
     • 网络层：IP 数据报

二、TCP与UDP协议对比

三、TCP协议深度解析

1. TCP报文段结构

   0                   1                   2                   3
   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             Data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   

   • 控制位详解：
     • URG：紧急指针有效（用于紧急数据）
     • ACK：确认号有效（仅当 ACK=1 时，确认号字段有效）
     • PSH：接收方应尽快将数据交付给应用层
     • RST：重置连接（用于异常终止）
     • SYN：同步序号（连接建立时使用）
     • FIN：结束传输（连接释放时使用）

2. 可靠性机制

   • 超时重传：若发送方未在超时时间内收到 ACK，重传数据
   • 流量控制：通过滑动窗口（Window 字段）告知对方接收能力
   • 拥塞控制：
     • 慢启动：初始窗口小，指数增长
     • 拥塞避免：窗口线性增长，避免网络拥塞
     • 快速重传：连续收到 3 个重复 ACK 时，立即重传

3. 三次握手

   客户端                 服务器
     |                   |
     | SYN (seq=x)       |
     |------------------>|
     |                   | SYN-ACK (seq=y, ack=x+1)
     |<------------------|
     | ACK (seq=x+1, ack=y+1) |
     |------------------>|
   

   • 状态转换：
     • 客户端：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
     • 服务器：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

4. 四次挥手

   客户端                 服务器
     |                   |
     | FIN (seq=u)       |
     |------------------>|
     |                   | ACK (ack=u+1)
     |<------------------|
     |                   | FIN (seq=v, ack=u+1)
     |<------------------|
     | ACK (ack=v+1)     |
     |------------------>|
   

   • 状态转换：
     • 客户端：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
     • 服务器：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED
   • TIME_WAIT 状态：等待 2MSL（最大段寿命），确保所有报文段消失

四、UDP协议深度解析

1. UDP报文结构

   0      7 8     15 16    23 24    31
   +--------+--------+--------+--------+
   | Source | Dest   | Length | Checksum |
   | Port   | Port   |        |          |
   +--------+--------+--------+--------+
   |                 data...
   

   • 校验和：可选字段，覆盖首部和伪首部（包含源/目的 IP 地址）

2. 校验和计算

   • 发送方：将数据补全为偶数个字节，计算二进制反码和，存入校验和字段
   • 接收方：重新计算校验和，若与字段值不同则丢弃

五、常见协议与端口号

六、重点题型解析

1. TCP与UDP对比题

   • 答案：均为传输层协议，提供进程间通信，但 TCP 可靠、面向连接，UDP 不可靠、无连接

2. 三次握手作用

   • 答案：同步双方初始序号（防止历史连接干扰），分配资源（缓存、变量）

3. TCP滑动窗口机制

   • 答案：发送方根据接收方窗口大小调整发送速率，避免接收方缓冲区溢出

4. UDP适用场景

   • 答案：视频通话（实时性优先）、DNS 查询（小数据量）、直播（允许丢包）

七、扩展知识

TCP状态转换图详解

TCP协议通过状态机管理连接的建立、维护和释放。状态转换图描述了TCP连接在不同阶段的状态变迁，涵盖了客户端和服务器端的主动/被动操作。以下是核心内容：

一、状态分类与含义

二、状态转换路径

1. 常规连接建立（三次握手）

• 客户端：
  CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
• 服务器端：
  CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

2. 常规连接关闭（四次挥手）

• 主动关闭方（如客户端）：
  ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
• 被动关闭方（如服务器端）：
  ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

3. 同时打开连接（双方主动发起）

• 客户端A：CLOSED → SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED
• 客户端B：CLOSED → SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED
• 触发条件：双方同时发送SYN，交换ACK后直接进入ESTABLISHED。

4. 同时关闭连接（双方主动关闭）

• 双方均发送FIN后进入CLOSING状态，最终通过交换ACK进入TIME_WAIT和CLOSED。

三、关键状态解析

1. TIME_WAIT（2MSL等待）

   • 作用：
     • 确保最后一个ACK被对端接收（若丢失，对端重传FIN，可再次发送ACK）。
     • 防止旧连接的延迟报文干扰新连接（通过2MSL超时清除残留报文）。
   • MSL值：通常为30秒（Linux）或2分钟（RFC建议），总等待时间为2×MSL。

2. CLOSE_WAIT（被动关闭等待）

   • 常见问题：若服务器端长期处于此状态，可能因未调用close()导致连接泄漏（需检查代码逻辑）。

3. SYN_RCVD（半连接状态）

   • 风险：服务器端收到SYN但未完成握手时，可能遭受SYN洪水攻击（需通过SYN Cookie等机制防御）。

四、状态转换触发条件

五、特殊场景与处理

1. FIN_WAIT_2持续

   • 原因：对端未发送FIN（如进程崩溃）。
   • 解决：系统超时机制强制关闭（默认超时时间可配置）。

2. TIME_WAIT过多

   • 影响：占用端口资源，导致新连接无法绑定相同端口。
   • 优化：
     • 调整内核参数（如net.ipv4.tcp_tw_reuse）。
     • 确保HTTP服务器主动关闭连接（将TIME_WAIT转移至客户端）。

3. RST报文触发

   • 场景：收到无效报文（如端口未监听）时，直接发送RST强制关闭连接。

六、状态转换图示例

客户端路径（主动关闭）：
CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

服务器路径（被动关闭）：
CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

七、调试与监控工具

1. netstat命令：

   netstat -ant | grep <端口号>  # 查看当前TCP连接状态
   

2. ss命令（替代netstat）：

   ss -tulnp  # 显示所有TCP/UDP监听端口及进程
   

3. Wireshark抓包：分析握手/挥手过程中的报文序列和状态变化。

总结：理解TCP状态转换图是排查网络问题（如连接泄漏、端口占用）的关键。需结合代码逻辑（如close()调用位置）和系统参数调优，确保连接高效释放。

• 关键状态：ESTABLISHED（连接成功）、CLOSE_WAIT（被动关闭等待）

MTU与MSS

• MTU（最大传输单元）：链路层允许的最大数据帧长度（通常 1500 字节）
• MSS（最大段长度）：TCP 报文段数据部分的最大长度（MTU - IP首部 - TCP首部）
  . TCP粘包问题
• 原因：TCP 将多个小报文合并发送，导致应用层无法区分边界
• 解决方案：添加消息长度字段、使用分隔符（如 HTTP 的 Content-Length）