计算机网络（5）传输层

计算机网络（1）概述 计算机网络（2）物理层 计算机网络（3）数据链路层 计算机网络（4）网络层

传输层向它上面的应用层提供通信服务 ，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有主机的协议栈才有传输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。 从IP层来说，通信的两端是两个主机。IP数据报的首部明确地标志了这两个主机的IP地址。但“两个主机之间的通信”这种说法还不够清楚。这是因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是这个主机中的一个进程和另一个主机中的一个进程在交换数据（即通信）。因此严格地讲，两个主机进行通信就是两个主机中的 应用进程互相通信 。IP协议虽然能把分组送到目的主机，但是这个分组还停留在主机的网络层而没有交付主机中的应用进程。从传输层的角度看，通信的真正端点并不是主机而是主机中的进程 。也就是说，端到端的通信 是应用进程之间的通信。 传输层有一个很重要的功能—— 复用 (multiplexing)和 分用 (demultiplexing)。这里的“复用”是指在发送方不同的应用进程都可以使用同一个传输层协议传送数据（当然需要加上适当的首部），而“分用”是指接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付目的应用进程。 “ 传输层提供应用进程间的逻辑通信 ”。“逻辑通信”的意思是：从应用层来看，只要把应用层报文交给下面的运输层，运输层就可以把这报文传送到对方的运输层（那怕双方相距很远，例如几千公里），好像这种通信就是沿水平方向直接传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。数据的传送是沿着图中的虚线方向（经过多个层次）传送的 。“逻辑通信”的意思是“好像是这样通信，但事实上并非真的这样通信”。 网络层是为主机之间提供逻辑通信，而传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。 传输层还要对收到的报文进行 差错检测 。

传输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的就是好像在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道 ，但这条逻辑通信信道对上层的表现却因传输层使用的不同协议而有很大的差别。当传输层 采用面向连接的TCP协议时，尽管下面的网络是不可靠的（只提供尽最大努力服务），但这种逻辑通信信道就相当于 一条全双工的可靠信道 。但当传输层采用 无连接的UDP协议 时，这种逻辑通信信道仍然是一条 不可靠信道 。 传输层的端口 应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传送到IP层（网络层），这就是 复用 。传输层从IP层收到数据后必须交付指明的应用进程。这就是 分用 。给应用层的每个应用进程赋予一个非常明确的标志是至关重要的。 在传输层使用 协议端口号 (protocol port number)，或通常简称为 端口 (port)。这就是说，虽然通信的终点是应用进程，但我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的进程）就由TCP来完成。 这种 在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口 ，和路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念。硬件端口是 不同硬件设备 进行交互的接口，而 软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址 。不同的系统具体实现端口的方法可以是不同的（取决于系统使用的操作系统）

传输层的端口号共分为下面的两大类。 (1) 服务器端使用的端口号 这里又分为两类，最重要的一类叫做 熟知端口号 (well-known port number)或 系统端口号 ，数值为0～1023。这些数值可在网址www.iana.org查到。IANA把这些端口号指派给了TCP/IP最重要的一些应用程序，让所有的用户都知道。当一种新的应用程序出现后，IANA必须为它指派一个熟知端口，否则因特网上的其他应用进程就无法和它进行通信。下表给出一些常用的熟知端口号： 另一类叫做 登记端口号 ，数值为1024～49151。这类端口号是为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这类端口号必须在IANA按照规定的手续登记，以防止重复。 (2) 客户端使用的端口号 数值为49152～65535。由于这类端口号仅在客户进程运行时才动态选择，因此又叫做 短暂端口号 。这类端口号是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端口号，因而可以把数据发送给客户进程。通信结束后，刚才已使用过的客户端口号就不复存在，这个端口号就可以供其他客户进程使用。

UDP概述 用户数据报协议UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。 (1) UDP是 无连接 的，即发送数据之前不需要建立连接（当然，发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。 (2) UDP使用 尽最大努力交付 ，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表（这里面有许多参数）。 (3) UDP是 面向报文 的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是 保留这些报文的边界 。这就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文，如图所示。在接收方的UDP，对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程。也就是说，UDP一次交付一个完整的报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，UDP把它交给IP层后，IP层在传送时可能要进行分片，这会降低IP层的效率。反之，若报文太短，UDP把它交给IP层后，会使IP数据报的首部的相对长度太大，这也降低了IP层的效率。 (4) UDP 没有拥塞控制 ，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。 (5) UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信 。 (6) UDP的 首部开销小 ，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

UDP的首部格式 用户数据报UDP有两个字段：数据字段 和 首部字段 。首部字段很简单，只有8个字节，由四个字段组成，每个字段的长度都是两个字节。 (1) 源端口 源端口号。在需要对方回信时选用。不需要时可用全0。 (2) 目的端口 目的端口号。这在终点交付报文时必须要使用到。 (3) 长度 UDP用户数据报的长度，其最小值是8（仅有首部）。 (4) 检验和 检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。

当运输层从IP层收到UDP数据报时，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交最后的终点——应用进程。 如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确（即不存在对应于该端口号的应用进程），就丢弃该报文，并由网际控制报文协议ICMP发送“端口不可达”差错报文给发送方。 UDP用户数据报首部中检验和的计算方法有些特殊。在计算检验和时，要在UDP用户数据报之前增加12个字节的 伪首部 。所谓“伪首部”是因为这种伪首部并不是UDP用户数据报真正的首部。只是在计算检验和时，临时添加在UDP用户数据报前面，得到一个临时的UDP用户数据报。检验和就是按照这个临时的UDP用户数据报来计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算检验和。 UDP计算检验和的方法和计算IP数据报首部检验和的方法相似。但不同的是：IP数据报的检验和只检验IP数据报的首部，但UDP的检验和是 把首部和数据部分一起都检验 。在发送方，首先是先把全零放入检验和字段。再把伪首部以及UDP用户数据报看成是由许多16位的字串接起来。若UDP用户