传输层 TCP+UDP

传输层概述

实现 “端到端” 的通信。端口（port）为逻辑端口，端口号范围是 0 - 65535 。其中 0 - 1023 端口是知名端口，为提前保留出来的端口。

常见协议端口分配

TCP 协议：
- 22 - SSH：用于安全远程登录，保障远程管理服务器等设备时数据传输的安全性。
- 23 - telnet：早期用于远程终端连接，但由于安全性较差，逐渐被 SSH 替代。
- 80 - http：超文本传输协议，用于网页浏览时客户端与服务器之间的通信，传输网页数据。
- 443 - https：基于 SSL/TLS 加密的 HTTP 协议，在传输敏感信息（如用户登录密码、银行卡信息等）时保证数据安全。
UDP 协议：
- 53 - DNS：域名系统，将人类可读的域名（如baidu.com）解析为对应的 IP 地址，实现网络设备间基于 IP 的通信。
- 67/68 - DHCP：动态主机配置协议，67 号端口用于服务器端，68 号端口用于客户端，自动为网络中的设备分配 IP 地址及相关网络参数。

TCP 协议

传输控制协议，是面向连接的协议。

全双工特性：同一时刻，既可以接收数据，也可以发送数据。例如在文件传输过程中，客户端向服务器上传文件的同时，也能接收服务器反馈的传输进度等信息。
通信模式限制：只能适用于单播通信。这意味着数据从一个发送端准确地发送到一个接收端，确保数据传输的可靠性和准确性。
数据控制灵活性：可以基于已经建立好的连接，灵活地对接下来的数据进行控制。比如在数据传输过程中，根据网络拥塞情况调整发送速率，保证数据稳定传输。
应用场景：无法很好地满足即时性的需求，适用于传递一些大文件或对稳定性要求较高的场景。像软件更新包、数据库备份文件等大文件传输，以及金融交易系统中的数据交互，要求数据准确无误，TCP 协议能够保证数据完整性。
三次握手建立连接：客户端发送 SYN 包（同步序列编号）到服务器，进入 SYN_SENT 状态；服务器收到 SYN 包，回应一个 SYN + ACK 包，进入 SYN_RECV 状态；客户端收到服务器的 SYN + ACK 包后，再发送一个 ACK 包，双方进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功。
四次挥手断开连接：客户端发送 FIN 包（结束标志），进入 FIN_WAIT_1 状态；服务器收到 FIN 包后，发送 ACK 包确认，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态；服务器处理完剩余数据后，发送 FIN 包给客户端，进入 LAST_ACK 状态；客户端收到服务器的 FIN 包后，发送 ACK 包确认，服务器进入 CLOSED 状态，客户端等待一段时间后也进入 CLOSED 状态，连接断开。
TCP 报文头部结构
- 源端口（Source Port）：16 位，标识发送数据的应用程序所使用的端口，用于接收方正确将回复数据返回给对应的发送应用。
- 目的端口（Destination Port）：16 位，标识接收数据的应用程序端口，帮助数据准确投递到目标应用。
- 序号（Sequence Number）：32 位，用于标识 TCP 发送端向接收端发送的字节流编号，在建立连接时由双方协商确定初始值，可确保数据按序传输，在数据重传、乱序处理等方面起关键作用。
- 确认号（Acknowledge Number）：32 位，接收方使用它告知发送方下一个期望接收的字节序号，即已成功接收数据的最后一个字节序号加 1 ，发送方根据确认号判断数据是否被正确接收。
- 头部长度（Header length）：4 位，以 4 字节为单位表示 TCP 头部的长度，由于 TCP 头部可能包含选项字段，长度不固定，该字段用于确定头部结束位置和数据开始位置。
- 保留位（Resv.）：6 位，保留供未来使用，目前应全部置 0 。
- 标志位（Flags）：6 位，包括多个重要标志：
  - URG（Urgent）：紧急指针标志，置 1 时表示紧急指针字段有效，用于指示有紧急数据需要优先处理。
  - ACK（Acknowledge）：确认标志，置 1 时表示确认号字段有效，用于确认已接收数据，只有 ACK = 1 时，ack 才有意义。
  - PSH（Push）：推送标志，置 1 时提示接收方应尽快将数据交付给应用层，而不是缓存起来。
  - RST（Reset）：重置标志，置 1 时用于复位连接，如遇到异常情况终止连接等。
  - SYN（Synchronize）：同步标志，用于建立连接时同步序号，在三次握手中起关键作用。
  - FIN（Finish）：结束标志，置 1 时表示发送方已完成数据发送，请求断开连接，在四次挥手中使用。
- 窗口（Window）：16 位，用于流量控制，接收方通过此字段告知发送方自己当前接收缓存的空闲空间大小（以字节为单位），发送方据此调整发送速率。
- 校验和（Checksum）：16 位，对 TCP 头部和数据部分进行校验，用于检测数据在传输过程中是否发生错误，保证数据的完整性。
- 紧急指针（Urgent Pointer）：16 位，当 URG 标志位为 1 时有效，它指向紧急数据的末尾，用于指示发送方的紧急数据位置，使接收方优先处理紧急数据。
- 选项（Options）：长度可变，用于实现一些可选功能，如最大报文段长度（MSS）协商、窗口扩大因子设置、时间戳选项等，可根据具体通信需求添加。
- 填充（Padding）：用于保证 TCP 头部长度为 32 位的整数倍，通过添加若干个 0 字节实现。

UDP 协议

用户数据包协议，是面向无连接的协议。

可以很好地满足即时性流量，适用于对时间要求较高的流量场景。如实时视频会议、在线游戏等场景，少量数据包丢失或乱序对整体体验影响较小，但对数据传输的实时性要求极高，UDP 协议能快速传输数据，保证画面和操作的流畅性。
头部结构简单：UDP 数据包头部仅包含源端口、目的端口、长度、校验和等字段，相比 TCP 协议头部，开销小，数据传输效率高。这使得 UDP 在一些对数据完整性要求不高但追求速度的场景中具有优势。
支持多播和广播：不同于 TCP 仅支持单播，UDP 能够将数据同时发送到多个目标地址（多播）或网络中的所有设备（广播）。在一些需要向大量设备发送相同数据的场景，如网络电视直播、大规模软件更新通知等，UDP 的多播和广播特性可以提高传输效率。

连接概念

正式发送数据之前，提前建立好一种虚拟的 “点到点” 式的连接，即单播的模式。这种连接通过一系列握手过程（如 TCP 的三次握手）来确保双方设备准备好进行数据传输，在连接建立期间，双方协商传输参数，如最大报文段长度（MSS）等，为后续可靠数据传输奠定基础。