网络编程（2.0）传输层概述

网络编程 – 传输层概述

引言

在计算机网络的分层模型中，传输层是连接网络层和应用层的关键桥梁，属于面向通信部分的最高层。它的主要职责是在不可靠的网络层之上，为应用层提供可靠的端到端数据传输服务，是实现各种网络应用的基础。

为什么说网络层不可靠？

网络层提供的数据报服务在设计上主动放弃了对数据传输的可靠性保证，具体体现在以下几个方面：
1、无确认反馈机制：发送方的网络层（如路由器）将数据包发出后，不会等待接收方的 “确认收到” 信号，无法判断数据包是否真的到达目标。
2、数据包可能丢失：当路由器遇到拥塞（如端口带宽不足）、链路故障（如网线断开）时，会直接丢弃部分数据包，网络层不会主动重传这些丢失的包。
3、不保证顺序与可能重复：数据包可能通过不同路径转发，不同路径的传输速度不同，会导致后发送的包先到达（乱序）；部分场景下的重传操作还可能导致数据包重复，网络层不处理这些问题。
4、不校验数据内容完整性：网络层仅对 “IP 头部”（如目标地址）做简单校验，确保头部信息无误，而不对数据包携带的 “应用数据”（如文件内容、聊天消息）做校验，数据内容损坏也无法察觉。

网络层 “不可靠” 的必要性：

这种 “不可靠” 并非设计缺陷，而是分层模型的 “职责划分”：
网络层专注于 “跨网络转发”，需要在全球海量设备间快速路由数据包，过多的可靠性机制（如确认、重传）会大幅降低转发效率，增加路由器负担。
传输层（如 TCP 协议）则专门负责 “弥补网络层的不可靠”，通过确认机制、重传机制、排序机制、数据校验等，为应用层提供可靠的端到端服务，实现 “分层各司其职”。

无论是Web浏览、文件传输、实时通讯还是在线游戏，所有网络应用最终都依赖传输层提供的服务来实现跨网络的进程间通信。理解传输层的工作原理对于掌握网络编程至关重要，它是构建可靠网络应用的基础。

传输层的基本概念

传输层位于网络层之上、应用层之下，是TCP/IP协议栈的核心组成部分。其核心任务是实现进程到进程的通信服务，通过16位端口号标识同一主机上的不同应用程序，实现多应用共享同一网络连接的功能。

传输层是连接底层网络和上层应用的关键纽带，其设计直接影响网络应用的性能和可靠性。所有网络应用都依赖于传输层提供的可靠或高效的数据传输服务。

传输层协议简介

传输层主要包含两种核心协议：TCP和UDP，它们各有特点，适用于不同的应用场景：

1. TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它的核心特点包括：

• 面向连接：通信前需要建立连接，通信后需要关闭连接
• 可靠传输：通过确认机制、重传机制、顺序编号等确保数据可靠交付
• 字节流传输：将应用数据视为无结构的字节流，没有明确的消息边界
• 全双工通信：支持同时发送和接收数据
• 滑动窗口机制：实现高效的流量控制和可靠传输
• 自适应拥塞控制：根据网络状况动态调整发送速率

TCP协议适合对可靠性要求高的应用，如Web浏览、文件传输、电子邮件等。

2. UDP协议

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接、不可靠的传输层通信协议。它的核心特点包括：

• 无连接：通信前无需建立连接，通信后无需关闭连接
• 不可靠传输：采用"尽最大努力交付"策略，不保证可靠交付
• 数据报传输：每个数据报都是独立的，包含完整的源地址和目的地址
• 高效传输：头部开销极小（仅8字节），传输效率高
• 支持广播和多播：可以向多个目标发送数据

UDP协议适合对实时性要求高的应用，如实时音视频通信、在线游戏、DNS查询等。

TCP与UDP协议对比

有一个很好的例子展示二者的区别，TCP就像用普通的水瓶喝水，而UDP就像你打开消防水栓来喝水。用水瓶喝水一次只能一个人喝，而且只要你不手抖，手是都能进你嘴里的。但是打开消防水栓来喝的话，怕是路过的狗都得分到点。体现了TCP 面向连接、可靠有序、单播传输 与 UDP 无连接、不可靠、支持广播 / 多播、高吞吐量 的特性（而且这个例子还能体现UDP的“快速传输”的特性，因为消防栓的水确实挺快的哈）

通过对比可以看出，TCP和UDP在设计理念和功能特性上存在明显差异，但它们都服务于传输层的核心目标：实现进程到进程的通信。接下来将详细介绍传输层的核心功能。

传输层的核心功能

传输层的核心功能因协议不同而有所差异，但也存在共同之处。下面我们将分别介绍传输层的共通功能、TCP协议独有功能和UDP协议独有功能：

1. 传输层共通功能

1.1 端到端通信

端到端通信是传输层最基本的功能，它确保数据从源主机的特定进程准确传输到目标主机的特定进程，实现跨网络的进程间通信。与网络层只负责将数据从一台主机传递到另一台主机不同，传输层进一步细化到进程级别，通过端口号为应用程序提供直接的通信能力，是应用层与网络层之间的桥梁。

1.2 端口寻址

传输层通过16位端口号（范围0-65535）来区分同一主机上的不同应用程序，实现进程间的精准通信。端口号分为三类，服务器使用的熟知端口和注册端口，以及客户端使用的动态端口：

• 熟知端口（0-1023）：由IANA（互联网号码分配局）统一分配，用于常见服务（如HTTP的80端口、HTTPS的443端口）
• 注册端口（1024-49151）：可向IANA注册，用于特定应用服务（如MySQL的3306端口、Tomcat的8080端口）
• 动态端口（49152-65535）：由客户端进程（如浏览器、微信）临时使用，每次发起连接时随机分配，通信结束后释放，避免端口占用冲突，确保客户端通信的唯一性

1.3 复用与分用

• 复用：（发生在发送端主机）允许同一主机上的多个应用程序共享同一传输层连接，提高连接利用率，减少系统资源消耗
• 分用：（发生在接收端主机）将接收到的数据根据端口号准确交付给相应的应用程序，实现数据的精准分发

2. TCP协议独有功能

2.1 可靠传输

TCP协议通过多层次的可靠性机制，确保数据无差错、不丢失、不重复且按序到达：

• 确认机制：接收方收到数据后发送确认（ACK）报文，明确告知发送方已成功接收的数据范围
• 重传机制：发送方若超时未收到确认则自动重传，结合快重传机制可快速恢复丢包
• 校验和：对TCP首部和数据部分进行16位反码和校验，检测数据传输过程中的损坏
• 顺序编号：为每个字节分配唯一序号，确保数据按序到达，同时检测重复数据

这些机制共同为对可靠性要求高的应用（如文件传输、网页浏览）提供坚实保障。

2.2 流量控制

流量控制机制防止发送方发送速率超过接收方处理能力，避免接收缓冲区溢出导致的数据丢失。TCP协议通过滑动窗口机制实现精确的流量控制：接收方根据自身处理能力动态调整窗口大小，并通过ACK报文告知发送方当前可接收的数据量，发送方据此调整发送速率。

2.3 拥塞控制

拥塞控制机制避免网络拥塞，确保网络稳定性。TCP协议通过慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复等算法动态调整发送速率，适应网络拥塞情况。拥塞控制是互联网稳定性的重要保障，它确保了网络资源的公平共享，防止个别应用过度占用网络资源导致整体性能下降。

3. UDP协议独有功能

3.1 高效传输

UDP协议提供高效的不可靠数据传输服务，省略了复杂的可靠性机制（如确认、重传、流量控制、拥塞控制），专注于低延迟和高吞吐量。这种设计使其特别适合对实时性要求高的场景（如音视频通信、在线游戏），在允许少量数据丢失的情况下获得更好的性能。

3.2 支持广播和多播

UDP协议天然支持广播和多播通信，可以向同一网段内的所有主机（广播）或特定组内的主机（多播）发送数据，这是TCP协议不具备的功能。这种特性使其适合需要一对多通信的场景，如网络发现、实时流媒体分发等。

的性能。

3.2 支持广播和多播

UDP协议天然支持广播和多播通信，可以向同一网段内的所有主机（广播）或特定组内的主机（多播）发送数据，这是TCP协议不具备的功能。这种特性使其适合需要一对多通信的场景，如网络发现、实时流媒体分发等。