传输层

说明

  1. 如果只想关注计算机网络的应用：
    • 熟悉：应用场景，端口号
    • 了解：传输层功能，特性。
  2. 如果想深入学习计算机网络：
    • 熟悉：传输层功能，特性。
    • 熟悉：端口号

传输层功能

  • 实现端到端的通信
  • 复用分用：
    • 复用（从上到下）：在发送数据的时候，多个进程可以使用同一个传输层协议
    • 分用（从下到上）：在接收数据的时候，传输层可以把数据正确的交给应用层目的进程。
  • 差错检测：
    • TCP检测出差错后立即丢弃数据。
    • UDP检测出错误后直接丢弃数据，且不通知发送方。
  • 想传输层提供两种服务：
    • 面向连接的、可靠的端到端传输服务（TCP）：确保数据无差错，不丢失。开销大，实时性差。
    • 无连接的，不可靠的端到端传输服务（UDP）：数据可能出错、丢失，但是速度快，开销小。

端口号

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作用：通过端口号标识一个特定进程：

  • 注意：每台主机的端口号是相互独立的。
  • 注意：TCP、UDP两种协议的端口号是独立的。

通过TCP/UDP协议，通过Socket套接字 = { IP地址 : 端口号 }，唯一的标识网络一台主机上的应用进程。

端口号分类：

  • 服务器使用的端口号：
    • 熟知端口号0~1023：通常只能用于被熟知的重要应用程序。
    • 登记端口号：1024~49151
  • 客户端使用的端口号
    • 短暂端口号：49152~65535

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==端口号分类只是一个建议标准，不是一定要遵守的规范。==

进程、端口号、传输层协议之间的关系

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  • 同一个端口可以建立多个TCP连接，但是每一对TCP连接都仅支持一对一通信。

有连接传输和无连接传输

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有连接传输和无连接传输

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应用场景

TCP应用场景

  1. 可靠性要求高的数据传输
    • 网页浏览（HTTP/HTTPS）：TCP的可靠传输机制（如数据重传、序列号确认）确保网页内容完整加载，避免数据丢失或错乱。
    • 文件传输（FTP）：大文件传输需要保证数据完整性和顺序性，TCP的流量控制和拥塞控制机制可避免传输中断或数据损坏。
    • 电子邮件（SMTP/POP3）：邮件内容不可丢失或乱序，TCP的可靠性和有序性满足这一需求。
    • 远程登录（SSH/Telnet）：命令执行需保证逐条响应，TCP的按序交付和重传机制确保操作的准确性。

  2. 需要复杂交互的场景
    • 数据库访问（如MySQL）：事务性操作需严格保证数据一致性，TCP的可靠传输和流控制机制可避免数据冲突或丢失。
    • 金融交易系统：交易数据的原子性和完整性依赖TCP的确认机制，确保每笔操作准确无误。

  3. 特殊场景
    • 网络监控（SNMP）：虽然SNMP默认使用UDP，但部分需要高可靠性的监控数据（如配置更新）会切换至TCP。
    • 分布式计算：如云计算任务调度，TCP确保计算节点间的数据同步和任务执行的可靠性。

UDP应用场景

  1. 实时性优先的应用

    • 实时音视频通信（Zoom、VoIP）：UDP的低延迟特性（无需握手和确认）更适合语音和视频流传输，用户对偶发丢包的容忍度高于延迟。例如，VoIP允许丢包率1%-2%，但延迟需控制在150毫秒内。
    • 在线游戏（《王者荣耀》）：玩家操作需毫秒级响应，UDP避免了TCP的重传和拥塞控制延迟，即使偶现丢包也不显著影响体验。

  2. 简单请求-响应模型

    • DNS查询：DNS请求通常短小且需快速响应，UDP的轻量级头部（仅8字节）和无需连接的特性使其效率远超TCP。
    • DHCP/NTP：动态IP分配和时间同步协议依赖UDP的快速广播/单播能力，无需复杂握手流程。

  3. 广播与多播场景

    • 流媒体直播（IPTV）：UDP支持一对多传输，适合大规模直播场景，如体育赛事或音乐会实时转播。
    • 物联网设备群控：UDP可同时向多个设备发送指令（如智能家居控制），避免TCP单播连接的开销。

  4. 自定义可靠性协议

    • QUIC协议（HTTP/3）：基于UDP实现快速连接建立，同时加入应用层重传和拥塞控制机制，兼顾速度与可靠性。
    • 自定义传输逻辑：开发者可在应用层实现轻量级校验或重传机制（如游戏状态同步），灵活适应特定需求。

选择依据与对比总结

特性 TCP适用场景 UDP适用场景
可靠性 必须保证数据完整（文件、邮件） 允许偶发丢包（视频、游戏）
延迟敏感性 容忍较高延迟（秒级） 要求极低延迟（毫秒级）
连接方式 一对一稳定连接 支持广播/多播、无连接
协议开销 头部较大（20-60字节） 头部极小（8字节）
典型协议/应用 HTTP、SSH、FTP DNS、QUIC、RTP、在线游戏

补充说明：

  • 混合使用场景：部分应用同时依赖TCP和UDP。例如：
    • DNS：常规查询用UDP，区域传输（Zone Transfer）用TCP保证大数据量传输的可靠性。
    • 视频会议：控制信令（如连接建立）用TCP，音视频流用UDP。
  • 新兴技术趋势：基于UDP的改进协议（如QUIC）正在融合TCP的可靠性优势，未来可能在更多场景替代传统TCP。