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编程问答

【计算机网络】传输层 : 总结 ( TCP / UDP 协议 | 寻址与端口 | UDP 协议 | TCP 协议特点 | TCP 连接释放 | TCP 流量控制 | TCP 拥塞控制 ) ★★★

發布時間：2025/6/17 编程问答 30 豆豆

文章目錄

一、傳輸層 TCP / UDP 協議 ★
二、尋址端口號 ★
三、UDP 協議特點
四、UDP 協議首部格式
五、UDP 校驗
六、TCP 協議特點 ★
七、TCP 報文段首部格式
八、TCP 報文段首部 $6$ 控制位
九、TCP 連接建立 ★★
十、TCP 連接建立相關報文段字段
十一、TCP 連接釋放 ★★
十二、TCP 可靠傳輸機制 ★★
十三、TCP 快速重傳機制
十四、TCP 流量控制 ★★
十五、TCP 擁塞控制
十六、TCP 擁塞控制算法 ★★
十七、慢開始和擁塞避免算法 ★
十八、快重傳和快回復算法★

一、傳輸層 TCP / UDP 協議 ★

傳輸層協議 :

① UDP 協議 : 無連接用戶數據報協議 ;

無連接無確認 : 數據傳輸前 , 不建立連接 , 接收端收到 UDP 報文后 , 不需要給出確認 ;
特點 : 不可靠 , 無連接 , 延遲小 , 適用于少量數據傳輸 ;

② TCP 協議 : 面向連接傳輸控制協議 ;

面向連接 : 傳輸數據前 , 建立連接 , 數據傳輸后 , 釋放連接 ;
無多播 : 不提供廣播多播服務 ;
額外開銷 : TCP 提供可靠的 , 面向連接的傳輸服務 , 需要額外開銷 , 如 : 收據接收確認 , 流量控制 , 計時器 , 連接管理 ;
協議特點 : 可靠 , 面向連接 , 時延大 , 適用于大數據量傳輸 ;

復用與分用 :

① 復用 : 應用層多個應用進程通過傳輸層傳輸到網絡層中 ;

② 分用 : 傳輸層從網絡層接收數據 , 分發給不同的應用進程 ;

二、尋址端口號 ★

端口號 : 軟件端口 , 邏輯端口 , 用于標識主機中的應用程序 ;

① 端口號只在主機本地有實際意義 ;

② 取值范圍 : 端口號長度 $16$ 位 , 取值范圍 $0$ ~ $65535$ ;

端口號分類 :

① 服務端使用的端口號 :

熟知端口號 : $0$ ~ $1023$ , 給 TCP/IP 的重要程序使用 ;
登記端口號 : $1024$ ~ $49151$ , 給普通應用程序使用 ;

② 客戶端使用的端口號 : $49152$ ~ $65535$ , 客戶端程序動態分配 ;

應用程序的熟知端口號對應 :

FTP : $21$
TELNET : $23$
SMTP : $25$
DNS : $53$
TFTP : $69$
HTTP : $80$
SNMP : $161$

三、UDP 協議特點

四、UDP 協議首部格式

五、UDP 校驗

六、TCP 協議特點 ★

TCP 協議特點 :

① 面向連接 : TCP 協議的連接是 “虛連接” ;

② 點對點 : TCP 協議是點對點的 , 是兩個端點之間的連接 ;

③ 可靠傳輸 : TCP 協議提供可靠服務 , 按序到達 , 沒有丟失 , 沒有重復 ;

④ 全雙工 : TCP 協議通信是全雙工通信 ;

發送緩存 : 存儲準備發送的數據 , 已經發送尚未確認送達的數據 ;
接收緩存 : 存儲按序到達尚未被讀取的數據 , 不按序到達的數據 ;

⑤ 面向字節流 : TCP 協議將數據看做無結構的字節流 ;

七、TCP 報文段首部格式

TCP 報文段首部格式 :

① TCP 報文段組成 : 由 TCP 首部和 TCP 數據部分組成 ;

② TCP 首部格式 : 由 $20$ 字節固定首部 + 可變的選項 + 填充部分組成 ; 其中可變選項 + 填充部分是 $4$ 字節整數倍 , 填充部分的意義就是為了讓整個 TCP 首部大小是 $4$ 字節整數倍 ;

③ 源端口 / 目的端口 : 進程端口號 , 每個 $2$ 字節 , 取值范圍 $0$ ~ $65535$ ;

④ 序號 : TCP 連接中 , 字節流中的字節按照順序編號 , 每個字節都有一個序號 , 本首部中的序號是本 TCP 報文數據部分第一個字節的序號 ;

⑤ 確認號 : 期望收到對方下一個報文段第一個數據字節的序號 ; 序號為 $100$ , 說明 $99$ 及之前的數據都已經收到 ;

⑥ 數據偏移 : TCP 報文段數據部分起始位置 , 距離 TCP 報文段的起始位置 , 有多遠 , 單位 $4$ 字節 ; 即整個 TCP 報文段中 TCP 首部的長度 ;

⑦ 窗口 : 發送本報文段一方的接收窗口 ( 發送方 ) , 即允許對方發送的數據量 ( 接收方 ) ;

⑧ 檢驗和 : 檢驗首部 + 數據 ; 檢驗時加上 $12$ 字節偽首部 , 第 $4$ 字段都是 $6$ ;

⑨ 緊急指針 : 當 URG 緊急標志位為 $1$ 時有效 , 表明本報文段的緊急數據字節數 ; 如 : 緊急指針值為 $88$ , 說明報文段的數據部分前 88 字節時緊急數據 ;

⑩ 選項 : 最大報文段長度 MSS , 窗口擴大字段 , 時間戳 , 選擇確認信息等 ; 如果選項不足 $4$ 字節整數倍 , 使用填充 $0$ 使 TCP 首部是 $4$ 字節整數倍 ;

八、TCP 報文段首部 $6$ 控制位

TCP 報文段首部 $6$ 控制位 :

① URG ( 緊急位 ) : URG $= 1$ 時 , 表明該報文段中有緊急數據 , 優先級很高 , 盡快傳送 , 不在緩存中排隊 , 結合緊急指針字段使用 ;

② ACK ( 確認位 ) : ACK $= 1$ 時 , 確認號有效 , 連接建立后 , 所有的報文段的 ACK 都必須設置為 $1$ ;

③ PSH ( 推送位 ) : PSH $= 1$ 時 , 接收方要盡快交付接收應用進程 , 不用等到接收緩存滿后再交付 ;

④ RST ( 復位 ) : RST $= 1$ 時 , TCP 連接中出現錯誤 , 必須釋放當前連接 , 重新建立連接 ;

⑤ SYN ( 同步位 ) : SYN $= 1$ 時 , 表明該報文是一個連接請求 / 連接接收報文 ;

⑥ FIN ( 終止位 ) : FIN $= 1$ 時 , 表明該報文發送完畢 , 釋放連接 ;

九、TCP 連接建立 ★★

TCP 連接建立過程 : 客戶端與服務器的 TCP 連接建立過程 ;

① 客戶端 發送連接請求報文段 , 該報文段沒有應用層數據 ;

SYN = 1 , 同步位 , 如果為 $1$ , 說明該位是連接請求 / 連接接收報文 ; 本次的情況是連接請求 ;
seq = x ( 隨機 ) , 序號位 , 隨機產生一個字節 , 確認號此時是無效的 , 客戶端沒有收到服務器發送的報文段 , 不知道期待獲取什么序號的數據 ;
ACK = 0 , 確認位 , 連接還沒有建立成功 , 此時是 $0$ , 之后連接建立成功后置位 $1$ ;

② 服務器端 收到連接請求報文段 , 為 TCP 連接分配緩存和變量 , 向客戶端返回確認報文段 , 允許客戶端連接 , 此時該報文段也沒有應用層數據 ;

SYN = 1 , 同步位 , 如果為 $1$ , 說明該位是連接請求 / 連接接收報文 ; 本次的情況是連接接收 ;
seq = y ( 隨機 ) , 序號位 , 隨機產生一個字節 , 確認號此時是無效的 , 客戶端沒有收到服務器發送的報文段 , 不知道期待獲取什么序號的數據 ;
ACK = 1 , 確認位 , 連接建立成功后置位 $1$ ;
ack = x + 1 , 確認號 , 該 ack 與上面的 ACK 是配套使用的 ; 只有 ACK = 1 確認位為 1 時 , 確認號 ack 才生效 ;

③ 客戶端 收到服務器端返回的確認報文段 , 客戶端為 TCP 連接分配緩存和變量 , 同時向服務器端返回確認報文段的確認 , 并可以攜帶實際傳輸的數據 ;

SYN = 0 , 同步位 , 說明該位不是連接請求 / 連接接收報文 ;
seq =x+1 , 序號位 , 表明本次發送的數據的第一個字節的序號 ;
ACK = 1 , 確認位 , 連接建立成功后置位 $1$ ;
ack = y + 1 , 確認號 , 期望收到服務器端下一次發送的序號 ; 該 ack 與上面的 ACK 是配套使用的 ; 只有 ACK = 1 確認位為 1 時 , 確認號 ack 才生效 ;

總結 :

SYN : 在開始的兩個報文段為 $1$ , 這是建立連接的前兩次握手 ; 等到真實傳輸數據時 , 該位為 $0$ ;
ACK : 只在第一次握手時為 $0$ , 此時還沒有建立連接 , 之后服務器端接收后 , 知道連接建立成功了 , ACK 設置為 $1$ ;
序號位 : 隨機值 , 客戶端生成發送的隨機序號位 x , 服務器端生成發送的隨機序號位 y ;
確認號 : 對應上述序號位的是確認號 , 客戶端生成的隨機序號 x 是服務器端期待的接收的序號確認號 , 服務器端生成的隨機序號 y 是客戶端期待接收的序號確認號 ;

十、TCP 連接建立相關報文段字段

上述涉及到的 TCP 報文的四個字段 :

序號 seq : TCP 連接中 , 字節流中的字節按照順序編號 , 每個字節都有一個序號 , 本首部中的序號是本 TCP 報文數據部分第一個字節的序號 ;
確認號 ack : 期望收到對方下一個報文段第一個數據字節的序號 ; 序號為 $100$ , 說明 $99$ 及之前的數據都已經收到 ;
同步位 SYN : SYN $= 1$ 時 , 表明該報文是一個連接請求 / 連接接收報文 ;
確認位 ACK : ACK $= 1$ 時 , 確認號有效 , 連接建立后 , 所有的報文段的 ACK 都必須設置為 $1$ ;

上述涉及到 TCP 報文內容 , 參考博客【計算機網絡】傳輸層 : TCP 協議 ( TCP 協議特點 | TCP 報文段首部格式 | TCP 報文段控制位 )

十一、TCP 連接釋放 ★★

TCP 連接釋放 : 四次揮手 ;

① 客戶端 : 客戶端發送連接釋放報文段 , 停止發送數據 , 發起 TCP 連接關閉流程 ; 連接釋放報文段關鍵字段如下 :

FIN = 1 : 表明該報文發送完畢 , 釋放連接 ;
seq = u : 序號位設置成 u

② 服務器端 : 返回確認報文段 , 客戶端收到該報文段后 ; 確認報文段關鍵字段如下 :

ACK = 1
seq = v : 服務器端生成的發送序號 ;
ack = u + 1 : 期待收到客戶端發送的 u 之后的報文段 u + 1 ;

③ 服務器端 : 發送完畢上面的確認報文段后 , 發送連接釋放報文段 , 關閉 TCP 連接 ( 該鏈接時客戶端 -> 服務器端方向的連接 ) ; 連接釋放報文段關鍵字段如下 :

FIN = 1
ACK = 1
seq = w : 服務器端生成的序號 ;
ack = u + 1 : 該步驟與步驟 ② 中 , 沒有收到客戶端的報文 , 因此 ack 仍然保持 u + 1 不變 ;

④ 客戶端 : 收到服務器端連接釋放報文段 , 回復確認報文段 , 等待 2MSL ( 最長報文壽命 ) 后 , 關閉 TCP 連接 ( 服務器 -> 客戶端方向連接 ) ; 確認報文段格式 :

ACK = 1
seq = u + 1 : 第一次回收時是 u , 第四次揮手時 , 是 u + 1 ;
ack = w + 1 : 服務器端發送的數據序號是 w , 本次期待收到下一次 w + 1

十二、TCP 可靠傳輸機制 ★★

TCP 實現可靠傳輸機制 :

① 校驗 : 使用偽首部進行校驗 ;

② 序號 : 每個字節編一個序號 ; 序號字段的值是報文段第一個字節的序號 ;

③ 確認 : 累計確認 ;

④ 重傳 : 重傳與確認機制結合使用 , 發送方如果在規定時間內 , 沒有收到接收端的確認 , 就要重發報文段 ;

重傳時間 : TCP 使用自適應算法 , 動態改變重傳時間 RTTs , 該時間成為加權平均往返時間 ;

十三、TCP 快速重傳機制

TCP 快速重傳機制 : 使用冗余確認機制 , 實現快速重傳 ;

① 冗余 ACK 確認信息 : 接收方接收到接收到比期望序號大的失序報文段 , 就向發送方發送冗余 ACK , 表明下一個期待的序號 ;

② 快速重傳示例 :

發送方發送 1 , 2 , 3 , 4 , 5 報文段 ;
接收方收到 1 號報文 , 向發送方返回 1 號確認 ACK ;
2 號報文丟失 ;
接收方收到 3 號報文 , 向發送方返回 1 號確認 ACK ;
接收方收到 4 號報文 , 向發送方返回 1 號確認 ACK ;
接收方收到 5 號報文 , 向發送方返回 1 號確認 ACK ;
如果發送方連續收到 3 個相同確認號的冗余 ACK , 此時認為該確認號報文丟失 , 重傳該報文<> ; 如本次的 $2$ 號報文丟失 , 一直發 1 號確認信息 ;

十四、TCP 流量控制 ★★

參考 : 【計算機網絡】傳輸層 : TCP 流量控制 ( 流量控制過程 | 持續計時器機制 )

TCP 流量控制 :

① 流量控制 : 控制發送方降低發送速率 , 避免接收方來不及接收 , 丟棄數據 , 導致重傳 ;

② 滑動窗口機制 : TCP 通過該滑動窗口機制實現流量控制 ;

③ 滑動窗口調整 : 接收方根據接收緩存大小 , 動態調整發送方發送窗口大小 ;

④ 接收方窗口 rwnd : 接收方設置確認報文段中含有窗口字段 , 將 rwnd 通知給發送方 ;

⑤ 發送窗口 : 發送方發送窗口取接收窗口 rwnd , 與擁塞窗口 cwnd , 中較小的值 ;

TCP 流量控制過程 : 發送端向接收端發送數據 ;

① 連接建立 : 接收端向發送端發送接收窗口 rwnd = 400 ;

② 發送端發送數據 :

發送 1 ~ 100 字節 , 此時還能再發送 300 字節 ; ( seq = 1 )
發送 101 ~ 200 字節 , 此時還能再發送 200 字節 ; ( seq = 101 )
發送 201 ~ 300 字節 , 該報文段丟失 ; ( seq = 201 )

③ 接收端返回數據 : 返回 ACK = 1 , ack = 201 , rwnd = 300 ;

表示接收端接收到了 201 之前的數據 , 期待發送 201 數據 , 接收窗口 rwnd 大小為 300 字節 ;
發送方此時只能發從 201 開始的 300 字節滑動窗口大小的數據 , 即發送 201 ~ 500 之間的數據 , 共 300 字節 ;

④ 發送方發送數據 :

發送 301 ~ 400 字節 , 此時還能再發送 100 字節數據 ;
發送 401 ~ 500 字節 , 此時滑動窗口的數據都發送完畢 , 不能再發送了 ;
發送方的超時重傳計時器 , 時間到期 , 重傳 201 ~ 300 字節數據 , 此時不能發送新數據 ;

⑤ 接收方接收數據 : 接收方接收到了上述所有發送的數據 , 返回 ACK = 1 , ack = 501 , rwnd = 100 ; 表示期待發送方發送 501 之后的數據 , 接收窗口 rwnd 設置為 100 字節 ;

⑥ 發送方發送數據 : 發送方發送 501 ~ 600 字節數據 , 此時滑動窗口占滿 , 不能繼續發送數據 ;

⑦ 接收方接收數據 : 接收方接收到了 501 ~ 600 字節數據 , 此時回送 ACK = 1 , ack = 601 , rwnd = 0 ; 設置期望發送 601 之后的數據 , 接收窗口設置為 0 ; 此時不允許發送方再發送了 ;

十五、TCP 擁塞控制

TCP 擁塞控制 :

① 擁塞出現表現 : 資源需求總和大于可用資源 ;

② 擁塞問題發展 : 網絡中資源供應不足 -> 網絡性能降低 -> 網絡吞吐量隨著負荷增加而降低

③ 擁塞控制 : 防止數據大量注入到網絡中 , 降低整體網絡中主機的發送速率 , 流量控制是降低一臺主機的發送速率 ;

④ 流量控制與擁塞控制 : 流量控制是點到點的問題 , 擁塞控制是全局性問題 ;

十六、TCP 擁塞控制算法 ★★

TCP 擁塞控制算法 :

慢開始
擁塞避免
快重傳
快恢復

TCP 擁塞控制相關術語 :

① 單向傳輸 : 擁塞控制假定單向傳輸數據 , 發送方向接收方發送數據 , 接收方向發送方回送確認信息 ;

② 發送窗口 : 接收方緩存空間足夠大 , 發送窗口大小取決于網絡擁塞程度 ; 發送窗口大小是接收窗口 rwnd 和擁塞窗口 cwnd 中的較小的值 ;

③ 接收窗口 : 接收方根據接收緩存設置接收窗口大小值 , 同時將該大小告知發送方 , 可以反映接收方容量 ;

④ 擁塞窗口 : 發送方估算網絡擁塞程度 , 設置合適的擁塞窗口值 , 反映當前網絡容量 ;

( 知道每個算法的原理 , 細節僅做了解 )

十七、慢開始和擁塞避免算法 ★

坐標系說明 :

① 縱坐標 : 縱坐標是擁塞窗口 cnwd 大小 , 單位是一個報文段 , 長度是一個最大報文段長度 MSS ;

如 : 縱坐標的 4 指的是 4 個 MSS , 8 指的是 8 個 MSS ;

② 橫坐標 : 橫坐標是傳輸輪次 ;

往返時延 : 一個傳輸輪次是發送一批報文段 , 并接收到它們的確認信息所花費的時間 ; 即 RTT ;
如 : 發送方向接收方發送 N 個報文段 , 發送方發送完畢后 , 接收到所有 N 個報文段的確認信息 , 所花費的時間 , 就是一個傳輸輪次 ;
報文段發送間隔 : 也可以理解成發送方開發發送一批擁塞窗口中的報文段 , 到開始發送下一批擁塞窗口報文段的時間 ;

慢開始和擁塞避免算法 :

① 慢開始 : 擁塞窗口開始設置成 1 , 每隔一個傳輸輪次 , 收到上一個報文段的確認報文后 , 擁塞窗口翻倍 , 即變為之前的兩倍 ;

② 慢開始門限值 ( ssthresh ) : 當擁塞窗口到達慢開始門限值 ( ssthresh ) 初始值時 , 停止指數級增長 , 開始線性增長 ;

③ 擁塞避免 : 進入到慢開始門限值后 , 開始進行擁塞避免算法 , 每個傳輸輪次 , 擁塞窗口增加 1 ;

④ 網絡擁塞 : 當擁塞窗口增加到一定值 , 檢測到了網絡擁塞 , 此時瞬間將擁塞窗口降為 1 ; 繼續執行慢開始算法 , 新的慢開始門限值變為網絡擁塞時的擁塞窗口的 1/2 大小 ;

擁塞窗口改變時機 :

收到上一個報文段的確認報文后 , 擁塞窗口翻倍 ;
收到上一個報文段的擁塞信息后 , 擁塞窗口變為 1 ;

十八、快重傳和快回復算法★

快重傳算法 : 收到 3 個冗余的確認后 , 執行快重傳算法 ;

示例 : 發送方給接收方發送 1 2 3 4 5 , 五個報文 , 2 號報文丟失 , 如果收到 3 4 5 號報文 , 其中會攜帶期待發送方發送 2 號報文 , 此時觸發快重傳算法機制 , 在超時計時器到時之前 , 快速發送丟失的 2 號報文 ;

快回復算法 : 與上面的擁塞避免算法的區別是 , 出現網絡擁塞之后 , 擁塞窗口不降為 1 , 而是降低到慢開始門限值 , 即當前的擁塞窗口大小的 1/2 , 然后線性增加擁塞窗口 ;

總結

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