计算机网络体系结构之运输层概述

本文转载自查看原文 2021-11-04 15:17 109 计算机网络

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5.1 运输层概述

为什么需要运输层

之前介绍的计算机网络体系结构中的物理层、数据链路层以及网络层它们共同解决了将主机通过异构网络互联起来所面临的问题，实现了主机到主机的通信。
但实际上在计算机网络中进行通信的真正实体是位于通信两端主机中的进程。
如何为运行在不同主机上的应用进程提供直接的通信服务是运输层的任务，运输层协议又称为端到端协议。

运输层直接为应用进程间的逻辑通信提供服务

运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好像是在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。
根据应用需求的不同，因特网的运输层为应用层提供了两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。

5.2 端口号、复用、分用的概念

5.2.1 端口号

为什么需要端口号？

运行在计算机上的进程使用进程标识符PID来标志。
因特网上的计算机并不是使用统一的操作系统，不同的操作系统(windows，Linux，Mac os)又使用不同格式的进程标识符。
为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程之间能够进行网络通信，就必须使用统一的方法对TCP/IP体系的应用进程进行标识。
TCP/IP体系的运输层使用端口号来区分应用层的不同应用进程。

端口号分类

端口号使用16比特表示，取值范围0~65535;

熟知端口号:0~1023，这些端口号指派给了TCP/IP体系中最重要的一些应用协议，例如:FTP使用21/20，HTTP使用80，DNS使用53。
登记端口号:1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用。使用这类端口号必须登记，以防止重复。例如: MySql使用的端口号3306。
短暂端口号:49152~65535，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动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。

端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标识本计算机应用层中的各进程，在因特网中不同计算机中的相同端口号是没有联系的。

5.2.2 发送方的复用和接收方的分用

发送方

发送方的某些应用进程所发送的不同应用报文，在运输层使用UDP协议进行封装，称为UDP复用。使用TCP协议进行封装，称为TCP复用。运输层使用端口号来区分不同的应用进程。
不管是使用运输层的UDP协议封装成的UDP数据报，还是TCP数据报，在网络层都需要使用IP协议封装成IP数据报，称为IP复用。
IP数据报首部中协议字段的值，用来表示IP数据报的数据载荷部分封装的是何种协议数据单元。
协议字段为6，表示封装的是TCP报文段。协议字段为17，表示封装的是UDP报文段。

接收方

接收方的网络层收到IP数据报后进行IP分用。
根据IP数据报中协议字段的值是6还是17分别交付给运输层的UDP或者TCP。
运输层根据协议不同分别进行UDP分用和TCP分用。也就是根据端口号将其上交给上层的应用进程。

TCP/IP体系的应用层常用协议所使用的运输层熟知端口号
在这里插入图片描述

【举例】运输层端口号的作用

如图所示：

用户PC通过交换机和DNS服务器以及Web服务器互联，他们处在同一个以太网中。
DNS服务器中记录有Web服务器域名所对应的IP地址

用户PC发送DNS查询请求报文

用户在浏览器中输入URL来访问Web服务器的内容，在浏览器输入Web服务器的域名。
用户PC中的DNS客户端进程会发送一个DNS查询请求报文（查询域名对应的IP地址）
DNS查询请求报文需要使用UDP协议封装成UDP数据报。
UDP数据报首部的源端口从短暂端口号:49152~65535中挑选一个未占用的，用来表示DNS客户端进程如：49152。目的端口为53。这是DNS服务器端进程使用的端口号。
将UDP数据报封装到IP数据报中，通过以太网发送到DNS服务器。

DNS服务器收到用户PC发送的IP数据报

收到IP数据报，解封出UDP数据报。UDP首部的目的端口是53，表示应该将UDP数据报的数据载荷部分（DNS查询请求报文）交给本服务器的DNS服务器端进程处理。
DNS服务器端解析DNS查询请求报文内容，然后按其要求查询对应域名的IP地址。
查到后，会给用户PC发送DNS响应报文（内容为域名对应的IP地址）。
DNS响应报文使用UDP协议封装为UDP数据报，源端口为53，目的端口为49152。
将UDP数据报封装为IP数据报，通过以太网发送到用户PC。

用户PC收到DNS服务器响应报文

解析出UDP数据报，目的端口是49152，需要将响应报文交给DNS客户端进程处理。
DNS客户端进程解响应报文，得到域名对应的IP地址。
有了IP地址，用户PC端的HTTP客户端进程，就可以向Web服务器发送HTTP请求报文了（首页内容是什么）
HTTP请求报文使用TCP协议封装成TCP报文段。
TCP数据报首部的源端口从短暂端口号:49152~65535中挑选一个未占用的，用来表示HTTP客户端进程如：49152。目的端口为80。这是HTTP服务器端进程使用的端口号。
将TCP报文段封装在IP数据报中，通过以太网发送到Web服务器。

Web服务器收到用户PC发送的IP数据报

收到IP数据报，解封出TCP报文段。TCP首部的目的端口是80，表示应该将TCP报文段的数据载荷部分（HTTP请求报文）交给本服务器的HTTP服务器端进程处理。
HTTP服务器端解析HTTP请求报文内容，然后按其要求查询首页内容。
查到后，会给用户PC发送HTTP响应报文（HTTP客户端请求的首页内容）。
HTTP响应报文使用TCP协议封装为TCP报文段，源端口为80，目的端口为49152。
将TCP报文段封装为IP数据报，通过以太网发送到用户PC。

用户PC收到Web服务器响应报文

收到IP数据报后，解析出TCP报文段，TCP首部的目的端口是49152，表示应该将TCP报文段的数据载荷部分（HTTP响应报文）交给用户PC端的HTTP客户端进程处理。
HTTP客户端解析HTTP响应报文内容，并在网页浏览器上显示。
这样就可以在浏览器上看到Web服务器提供的首页内容了。

5.3 UDP和TCP的对比

UDP什么时候都可以进行数据传输，TCP必须建立连接才能传输数据。

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TCP和UDP广播数据通信

UDP支持单播，多播以及广播（一对一，一对多，一对全的通信），TCP只支持单播（一对一）。

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TCP和UDP对应用报文的处理

UDP对发送方应用进程的报文既不合并也不拆分，直接将其交互给接收方应用进程。（面向应用报文）

发送方的TCP协议把应用进程的报文，看做一连串的为无结构的字节流。TCP将其编号存储在自己的发送缓冲中。
TCP根据发送策略，从发送缓存中提取一定数量的字节，构建TCP报文段并发送。
接收方的TCP协议，一方面从所接收到的TCP报文段中取出数据载荷并存储在接收缓存中，一方面将缓存中的一些字节交给应用进程。
TCP不保证接收方应用进程所收到的数据块与发送方应用进程所发送的数据块具有对应大小关系。例如：发送方应用进程交给发送方的TCP共10个数据块。但接收方的TCP可能只用了4个数据块就把收到的字节流交付给了上层的应用进程。
接收方应用进程收到的字节流必须和发送方应用进程发出的字节流完全一样。
接极方的应用进程必须有能力识别收到的字节流，把它还原成有意义的应用层数据。（面向字节流）

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