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

特性TCPUDP
连接管理三次握手、四次挥手无连接
可靠性保证交付（ACK确认、重传机制）不保证交付
有序性按序交付（序列号、确认号）可能乱序
流量控制滑动窗口机制无流量控制
拥塞控制慢启动、拥塞避免等算法无拥塞控制
首部长度20字节（最小）+ 选项8字节
传输效率较低（首部开销大，确认机制）较高（首部开销小，无确认）

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
协议端口号说明
HTTP80超文本传输协议（明文）
HTTPS443安全 HTTP（TLS/SSL 加密）
FTP21（控制）文件传输协议（数据端口 20）
SSH22安全外壳协议（加密远程登录）
DNS53域名解析服务
DHCP67/68动态主机配置协议（服务器/客户端）
SMTP25简单邮件传输协议（发送邮件）
POP3110邮局协议版本 3（接收邮件）

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
状态描述
CLOSED初始状态，表示连接未建立或已完全关闭。
LISTEN服务器端监听端口，等待客户端连接请求（仅服务器端可见）。
SYN_SENT客户端发送SYN后等待确认（主动打开连接）。
SYN_RCVD服务器端收到SYN后发送SYN+ACK，等待客户端ACK（被动打开连接）。
ESTABLISHED连接已建立，数据可双向传输。
FIN_WAIT_1主动关闭方发送FIN后等待ACK（首次关闭请求）。
FIN_WAIT_2收到对端ACK后，等待对端FIN（仅主动关闭方可见）。
TIME_WAIT主动关闭方发送最终ACK后等待2MSL（防止旧报文干扰新连接）。
CLOSE_WAIT被动关闭方收到FIN后发送ACK，等待本地应用关闭连接。
LAST_ACK被动关闭方发送FIN后等待ACK（最终关闭请求）。
CLOSING双方同时发送FIN（罕见状态，需额外处理）。
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
操作/事件状态变化
客户端调用connect()CLOSED → SYN_SENT
服务器调用listen()CLOSED → LISTEN
收到SYN并回复SYN+ACKLISTEN → SYN_RCVD（服务器端）
收到ACK完成三次握手SYN_RCVD → ESTABLISHED（服务器端）
主动调用close()ESTABLISHED → FIN_WAIT_1（主动关闭方）
收到FIN并回复ACKESTABLISHED → CLOSE_WAIT（被动关闭方）
被动方调用close()CLOSE_WAIT → LAST_ACK
收到最终ACKLAST_ACK → CLOSED（被动关闭方）
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）

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