【TCP/IP】8. 传输层协议

8. 传输层协议

概述

传输层的核心目的是弥补和加强通信子网的服务：

• 弥补：提供端到端的进程间通信（网络层仅提供点到点传输）；
• 加强：提升服务质量（QoS），尤其是可靠性（需权衡开销，故提供多种服务类型供选择）。

TCP/IP 传输层的三个核心协议：

• 传输控制协议（TCP）：面向连接、高可靠，适用于可靠性较差的广域网；
• 用户数据报协议（UDP）：无连接、高效率，适用于可靠性较高的局域网；
• 流控制传输协议（SCTP）：面向报文、可靠，适合流式通信（如多媒体、信令传输）。

8.1 进程间通信

传输层的核心是实现源进程到目的进程的端到端通信，关键是解决进程标识问题。

8.1.1 端口与端口号

• 端口：抽象的软件结构（含数据结构和 I/O 缓冲区），是进程访问传输服务的入口，也是通信进程的标识。
• 端口号：16 比特标识符（范围 0~65535），用于标识主机上的特定进程。

8.1.2 端口分配方式

分配方式	特点	适用场景
全局分配	由权威机构（如 ICANN）统一分配，端口号固定	常用服务（如 HTTP、FTP），方便寻址
本地分配	进程动态向操作系统申请，使用后释放	临时通信，灵活适应大量应用

8.1.3 端口号范围及分类

范围	类型	用途
0~1023	熟知端口（保留端口）	标准服务的服务器端（如 HTTP 用 80，FTP 控制用 21）
1024~49151	注册端口	企业应用软件的固定端口（需注册以避免冲突）
49152~65535	动态端口（临时端口）	客户端进程临时使用，用完释放

8.1.4 进程标识与关联

• 全局唯一进程标识：三元组（协议，主机地址，端口号）（协议区分 TCP/UDP/SCTP）。
• 进程关联：描述两个通信进程的关系，用五元组（协议，本地主机地址，本地端口号，远地主机地址，远地端口号）。

8.1.5 客户 / 服务器模型

• 交互流程：客户向服务器发送服务请求→服务器处理并响应。
• 地址特点：服务器使用熟知端口（固定且公开），客户使用临时端口（动态分配）。

8.2 TCP 段格式

TCP 将应用层数据分块封装为TCP 段（不定长），格式如下：

8.2.1 首部字段（20~60 字节）

字段	长度（比特）	含义
源端口	16	发送进程的端口号
目的端口	16	接收进程的端口号
序号	32	本段数据第一个字节在发送端数据流中的位置（用于按序重组）
确认号	32	期望接收的下一字节序号（表示该序号前的数据已正确接收，实现累计确认）
HLEN（首部长度）	4	以 32 位字为单位的首部长度（定长部分 20 字节，故最小值为 5；含选项时最大为 15，即 60 字节）
保留	4	留作将来使用（置 0）
控制位	8	含 8 个标志位，分别为： - CWR：拥塞窗口缩减标志（响应 ECN）； - ECE：ECN 响应标志（通知对方网络拥塞）； - URG：紧急位（紧急数据优先传输，配合紧急指针）； - ACK：确认位（确认号有效）； - PSH：推送位（立即发送 / 提交数据，不等待缓冲区满）； - RST：复位位（连接异常时释放连接）； - SYN：同步位（建立连接时请求同步序号）； - FIN：终止位（请求释放连接）
窗口大小	16	接收方当前可用接收缓冲区大小（字节），用于流量控制
校验和	16	校验范围包括段首部、数据及伪首部（确保数据完整性）
紧急指针	16	URG=1 时有效，指示本段中紧急数据的最后一个字节位置
选项（+ 填充）	0~40 字节	变长字段，常用选项： - 最大段大小（MSS）：协商最大数据段长度（默认 536 字节）； - 窗口规模因子：扩展窗口大小（新窗口=原窗口×2^因子）； - 选择确认（SACK）：报告失序 / 重复数据，优化重传； - 时间戳：计算往返时间（RTT），防止序号绕回

8.2.2 伪首部

• 作用：验证 TCP 段是否传送到正确信宿（补充端口号无法覆盖的主机和协议信息）。
• 内容：源 IP 地址、目的 IP 地址、保留（0）、协议（TCP=6）、TCP 段长度（字节）。

8.3 TCP 连接的建立和拆除

TCP 是面向连接的协议，连接管理通过 “握手” 实现。

8.3.1 连接建立（三次握手）

• 目的：同步双方序号，建立双向连接，防止重复连接。
• 过程：
  1. 第一次握手：客户→服务器，发送SYN=1，携带客户端初始序号（SEQ=x）；
  2. 第二次握手：服务器→客户，发送SYN=1，ACK=1，携带服务器初始序号（SEQ=y）和确认号（ACK=x+1）；
  3. 第三次握手：客户→服务器，发送ACK=1，携带确认号（ACK=y+1）。
• 特点：前两次握手消耗序号（SYN=1 时序号 + 1），第三次握手不消耗序号。

8.3.2 连接拆除（四次握手）

• 目的：确保双方数据均已传输完毕，有序释放双向连接。

• 过程

  （假设 A 主动关闭）：

  1. A→B：发送FIN=1，请求关闭 A→B 方向连接（SEQ=a）；
  2. B→A：发送ACK=1，确认关闭（ACK=a+1），此时 A→B 方向关闭（半关闭）；
  3. B→A：发送FIN=1，请求关闭 B→A 方向连接（SEQ=b）；
  4. A→B：发送ACK=1，确认关闭（ACK=b+1），此时 B→A 方向关闭，连接完全释放。

8.4 TCP 流量控制

• 目的：协调发送方与接收方的速率，避免接收方因缓冲区溢出丢失数据。
• 机制：滑动窗口协议，通过发送窗口和接收窗口的动态调整实现。

8.4.1 滑动窗口原理

• 接收窗口：接收方通过 TCP 段的 “窗口大小” 字段通告当前可用缓冲区大小（接收窗口=缓存总大小-未提交数据量）。
• 发送窗口：发送方窗口大小≤接收方窗口大小，限制连续发送的数据量（无需等待每个段的确认）。
• 窗口滑动：当接收方确认部分数据后，发送窗口向右滑动，释放已确认数据的缓冲区，纳入新数据。

8.4.2 特例：停等协议

当发送窗口大小 = 1 时，每发送一个字节需等待确认，效率极低，仅用于简单场景。

8.5 TCP 拥塞控制

• 拥塞：网络中路由器超载导致的延迟 / 丢包，可能引发 “丢包→重传→更拥塞” 的恶性循环。
• 机制：通过控制发送方的拥塞窗口调节注入网络的数据流速度。

8.5.1 发送窗口的决定因素

发送窗口大小 = min(接收方通告窗口大小，拥塞窗口大小)

• 接收方通告窗口：反映接收方处理能力；
• 拥塞窗口：反映网络处理能力（动态调整）。

8.5.2 拥塞控制策略

1. 慢启动：
   • 连接建立时，拥塞窗口初始化为 1 个最大段大小（MSS）；
   • 每收到一个确认，拥塞窗口翻倍（指数增长），直到达到门限值（初始为 65535 字节）。
2. 拥塞避免：
   • 当拥塞窗口≥门限值时，每经过一个往返时间（RTT），拥塞窗口增加 1 个 MSS（线性增长），减缓增长速度。
3. 拥塞解决：
   • 若发生超时重传（检测到拥塞），将门限值设为当前拥塞窗口的一半，拥塞窗口重置为 1 个 MSS，重新进入慢启动。

8.6 TCP 差错控制

• 目的：处理数据传输中的错误（破坏、重复、失序、丢失），保证数据可靠交付。

8.6.1 错误类型及处理

错误类型	检测方式	处理方法
数据破坏	校验和	接收方丢弃，发送方超时重传
重复数据	序号	接收方丢弃重复段，仍发送确认
数据失序	序号	接收方暂存失序数据，等待前面数据到达后一并确认
数据丢失	超时重传机制	发送方超时后重传未确认数据

8.6.2 超时重传定时

• 核心：动态调整重传定时器的超时时间（Timeout），适应往返时间（RTT）的变化。
• 算法：
  1. 估算平滑 RTT（RTTS）：RTTS(n) = (1-α)×RTTS(n-1) + α×RTTM(n)（α=1/8，RTTM 为实测 RTT）；
  2. 估算 RTT 偏差（RTTD）：RTTD(n) = (1-β)×RTTD(n-1) + β×|RTTS(n)-RTTM(n)|（β=1/4）；
  3. 计算超时时间：Timeout = RTTS + 4×RTTD。

8.7 TCP 状态转换图

TCP 通过有限状态机描述连接生命周期，关键状态及转换如下：

状态	含义	典型转换事件
CLOSED	无连接状态	服务器 “被动打开”→LISTEN；客户端 “主动打开”→SYN-SENT
LISTEN	监听状态	收到 SYN→SYN-RCVD
SYN-SENT	已发送 SYN	收到 SYN+ACK→ESTABLISHED
SYN-RCVD	已收到 SYN	发送 ACK→ESTABLISHED
ESTABLISHED	连接已建立	发送 FIN→FIN-WAIT-1；收到 FIN→CLOSE-WAIT
FIN-WAIT-1	已发送 FIN（等待 ACK）	收到 ACK→FIN-WAIT-2；收到 FIN→CLOSING
FIN-WAIT-2	半关闭（等待对方 FIN）	收到 FIN→发送 ACK→TIME-WAIT
CLOSE-WAIT	收到 FIN（等待应用关闭）	应用关闭→发送 FIN→LAST-ACK
LAST-ACK	已发送 FIN（等待 ACK）	收到 ACK→CLOSED
CLOSING	双方同时发送 FIN	收到 ACK→TIME-WAIT
TIME-WAIT	等待超时（确保对方收到 ACK）	超时（通常 30 秒）→CLOSED

8.8 用户数据报协议（UDP）

UDP 是无连接的传输层协议，在 IP 基础上增加进程通信能力，牺牲可靠性换取高效率。

8.8.1 UDP 数据报格式

• 首部

  （定长 8 字节）：

  • 源端口（16 比特）：发送进程端口（可置 0）；
  • 目的端口（16 比特）：接收进程端口；
  • 总长度（16 比特）：UDP 数据报总字节数（首部 + 数据，最大 65535）；
  • 校验和（16 比特，可选）：校验范围包括首部、数据及伪首部（验证信宿正确性）。

8.8.2 UDP 特点

• 无连接：发送前无需建立连接，开销低；
• 不可靠：不提供流量控制、拥塞控制和确认机制，数据可能丢失、失序；
• 高效率：适用于交易型应用（如 DNS 查询）、实时通信（如视频会议）。

8.8.3 TCP 与 UDP 对比

特性	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	高（确认、重传、排序）	低（仅校验和）
开销	大（握手、窗口管理等）	小（仅 8 字节首部）
适用场景	大数据传输（如文件下载）	小数据交互（如 DNS）、实时通信

8.9 流控制传输协议（SCTP）

SCTP 是为流式通信设计的可靠传输协议，结合 TCP 的可靠性和 UDP 的高效性，适用于多媒体、信令传输（如 IP 电话）。

8.9.1 核心概念

• 传送地址：IP地址+SCTP端口号，标识端点的通信地址；
• 端点：逻辑实体，可关联多个传送地址（多归属）；
• 偶联：两个端点间的关联（含协议状态信息），类似 TCP 连接；
• 流：偶联中的单向逻辑通道，流内数据按序提交，流间独立；
• 传输序号（TSN）：标识数据块，用于确认和重传；
• 流序号（SSN）：标识流内数据块的顺序。

8.9.2 关键功能

• 偶联建立：四次握手（避免 SYN 泛洪攻击）；
• 流内顺序提交：流内数据按序交付，流间不影响；
• 分组验证：通过校验和确保数据完整性；
• 通路管理：支持多通路（多归属），故障时切换通路；
• 拥塞控制：类似 TCP（慢启动、拥塞避免）。

8.9.3 偶联建立与关闭

• 建立：四次握手（交换 INIT、INIT ACK、COOKIE ECHO、COOKIE ACK）；
• 关闭：三次握手（发送 SHUTDOWN、SHUTDOWN ACK、SHUTDOWN COMPLETE），不支持半关闭。

本章要点

• 传输层通过端口标识进程，用三元组（协议，主机地址，端口号）全局唯一标识进程。
• TCP 是面向连接的可靠协议，通过三次握手建立连接、四次握手拆除连接，利用滑动窗口实现流量控制，通过拥塞窗口实现拥塞控制，通过超时重传处理差错。
• UDP 是无连接的高效协议，适用于实时通信，仅提供简单校验和。
• SCTP 是面向报文的可靠协议，支持多流、多通路，适用于流式通信。
• 端口号分熟知端口（0~1023）、注册端口（1024~49151）、动态端口（49152~65535）。