计算机网络学习笔记（五）：运输层（待更新）

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计算机网络学习笔记（五）：运输层（待更新）

5.1 概述

5.1.1 TCP协议的应用场景

        TCP为应用层协议提供可靠传输，发送端按顺序发送，接收端按顺序接收，其间发送丢包、乱序，TCP负责重传和排序。下面是TCP的应用场景。

• 多次交互：客户端程序和服务端程序需要多次交互才能实现应用程序的功能
  • 接收电子邮件的POP3
  • 发送电子邮件的SMTP
  • 传输文件的FTP
• 数据需要分段传输：应用程序传输的文件需要分段传输
  • 浏览器访问网页：网页中图片和HTML文件需要分段后发送给浏览器
  • QQ传文件

5.1.2 UDP协议的应用场景

• 数据无需分段传输：客户端程序和服务端程序通信，应用程序发送的数据包不需要分段。
  • DNS域名解析：客户端向DNS服务器发送一个报文解析某个网站的域名，DNS服务器将解析的结果使用一个报文返回给客户端。
• 实时通信：发送端和接收端需要实时交互，不允许较长延迟（通信时无需建立连接）
  • 语音/视频聊天：即便有几句话因为网络堵塞没听清，也不允许使用TCP等待丢失的报文，等待的时间太长了，就不能愉快的聊天了。
• 多播或广播通信：
  • 学校多媒体机房：老师的电脑屏幕需要教室的学生电脑接收屏幕，在老师的电脑安装多媒体教室服务端软件，在学生的电脑安装多媒体教室客户端软件。老师电脑使用多播地址或广播地址发送报文，学生电脑都能收到。
• 注：同一个应用程序，可能会使用不同的协议。
  • QQ文字聊天、语音聊天、视频聊天：UDP协议
  • QQ传文件：TCP协议

5.2 三大关系

5.2.1 传输层协议和应用层协议之间的关系

        通常，传输层协议加一个端口号来标识一个应用层协议。

• 常见的应用层协议和传输层协议
  • HTTP默认使用TCP的80端口
  • HTTPS默认使用TCP的443端口（访问安全网站）
  • FTP默认使用TCP的21端口
  • SMTP默认使用TCP的25端口
  • POP3默认使用TCP的110端口
  • Telnet使用TCP的23端口
  • RDP默认使用TCP的3389端口（远程桌面协议）
  • Windows访问共享资源使用TCP的445端口
  • 微软SQL数据库默认使用TCP的1433端口
  • MySQL数据库默认使用TCP的3306端口
  • DNS使用UDP or TCP 的53端口

端口

• 取值范围：端口用一个16位端口号进行标志，允许有65536个不同的端口号。
• 分类：2大类、3小类
  • 服务器端使用的端口号：
    • 熟知端口号：0 ~ 1023
    • 登记端口号：1024 ~ 49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在IANA登记，以防止重复。
  • 客户端使用的端口号：
    • 短暂端口号：49152 ~ 65535，留给客户进程选择暂时使用。
    • 当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。
• 作用：端口号只具有本地意义，只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在互联网中，不同计算机的相同端口号是没有联系的；同一计算机的不同进程使用不同的端口号（唯一）。
  • 服务器上端口的作用：定位服务器上的服务
    • 服务器给网络中的计算机提供服务，服务器一旦运行某个服务，该服务就会使用TCP/UDP协议的相应端口来侦听客户端的请求、等待客户端的访问，每个服务使用的端口必须唯一。
    • 当不同客户端访问同一服务器上的不同应用时，数据报最终都会到达同一服务器。此时，需要使用服务器上的端口号来定位服务，以便将不同的请求转到相应的服务进行处理。
  • 客户端上端口的作用：确定数据包返回后给哪个客户端实例

• 注（重要！！！）：同一台计算机既可以作为服务端，也可以作为客户端（即服务端和客户端是相对的）。

• 小结：两个计算机中的进程要互相通信，不仅必须知道对方的端口号（为了找到对方计算机中的应用进程） ，而且还要知道对方的 IP 地址（为了找到对方的计算机）。

5.3 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)

5.3.1 UDP的特点

        UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能：

• 功能1（复用和分用）：使用端口标识不同的应用层协议
  • 注：如果不是为了复用和分用，应用程序完全可以将需要传输的报文交给网络层，而不需要经过传输层UDP。
• 功能2（差错检测）

• 面向无连接：发送数据之前不需要建立连接
  • 减少了开销：主机不需要维持复杂的连接状态表（含有许多参数）
    • TCP：主机需要记录所有的TCP连接，可使用命令“netstat”查看（当大量用户同时访问web服务器时，web服务器需要记录所有的会话状态，消耗服务器的资源）
    • UDP：
  • 减少了时延

• 面向报文：对于应用层交下来的报文，UDP既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP一次交付一个完整的报文。

• 尽最大努力交付/不提供可靠交付：
  • 注：UDP本身是不保证可靠的，当发送的数据出现差错时，由发送端重新发送。
• 不局限于一对一：UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信（即支持多播、广播）
• 无拥塞控制：网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低（减少了时延）
  • 实时应用：要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据，但却不允许数据有太大的时延。
  • 多媒体通信
• 首部开销小：
  • UDP：8个字节
  • TCP ：20个字节

5.3.2 UDP的首部 

• 源端口(选用)：根据是否需要对方回信来确定是否使用
  • 需要对方回信：填入源端口号（系统随机产生）
  • 不需要对方回信：全0
• 目的端口(必用)：在终点交付报文时，必须使用（用于确定将该报文交付给上层的哪个具体应用程序）
• 长度：UDP用户数据报的长度（首部+数据部分）
  • 最小值：8（仅有首部）
• 检验和：检测UDP用户数据报在传输中是否有错（有错就丢弃）
  • 注：为了计算校验和，此处引入“伪首部”共同参与计算