計算機網絡--傳輸層（1）

第五章 傳輸層

一、傳輸層基本功能

  1. 進程到進程的邏輯通信

    • 套接字（Socket）：IP地址:端口號
      • IP地址：標識主機（網絡層功能）
      • 端口號：16位整數（0-65535），標識進程
        • 熟知端口（0-1023）：如 HTTP（80）、FTP（21）
        • 注冊端口（1024-49151）：由 IANA 分配（如 MySQL 3306）
        • 動態端口（49152-65535）：臨時分配

  2. 數據單元

    • 傳輸層：報文段（TCP）/ 用戶數據報（UDP）
    • 對比其他層：
      • 物理層：比特流
      • 鏈路層：幀
      • 網絡層：IP 數據報

二、TCP與UDP協議對比

特性TCPUDP
連接管理三次握手、四次揮手無連接
可靠性保證交付（ACK確認、重傳機制）不保證交付
有序性按序交付（序列號、確認號）可能亂序
流量控制滑動窗口機制無流量控制
擁塞控制慢啟動、擁塞避免等算法無擁塞控制
首部長度20字節（最小）+ 選項8字節
傳輸效率較低（首部開銷大，確認機制）較高（首部開銷小，無確認）

三、TCP協議深度解析

  1. TCP報文段結構

    0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             Data                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    • 控制位詳解：
      • URG：緊急指針有效（用于緊急數據）
      • ACK：確認號有效（僅當 ACK=1 時，確認號字段有效）
      • PSH：接收方應盡快將數據交付給應用層
      • RST：重置連接（用于異常終止）
      • SYN：同步序號（連接建立時使用）
      • FIN：結束傳輸（連接釋放時使用）

  2. 可靠性機制

    • 超時重傳：若發送方未在超時時間內收到 ACK，重傳數據
    • 流量控制：通過滑動窗口（Window 字段）告知對方接收能力
    • 擁塞控制：
      • 慢啟動：初始窗口小，指數增長
      • 擁塞避免：窗口線性增長，避免網絡擁塞
      • 快速重傳：連續收到 3 個重復 ACK 時，立即重傳

  3. 三次握手

    客戶端                 服務器|                   || SYN (seq=x)       ||------------------>||                   | SYN-ACK (seq=y, ack=x+1)|<------------------|| ACK (seq=x+1, ack=y+1) ||------------------>|
    • 狀態轉換：
      • 客戶端：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
      • 服務器：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

  4. 四次揮手

    客戶端                 服務器|                   || FIN (seq=u)       ||------------------>||                   | ACK (ack=u+1)|<------------------||                   | FIN (seq=v, ack=u+1)|<------------------|| ACK (ack=v+1)     ||------------------>|
    • 狀態轉換：
      • 客戶端：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
      • 服務器：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED
    • TIME_WAIT 狀態：等待 2MSL（最大段壽命），確保所有報文段消失

四、UDP協議深度解析

  1. UDP報文結構

    0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
| Source | Dest   | Length | Checksum |
| Port   | Port   |        |          |
+--------+--------+--------+--------+
|                 data...
    • 校驗和：可選字段，覆蓋首部和偽首部（包含源/目的 IP 地址）

  2. 校驗和計算

    • 發送方：將數據補全為偶數個字節，計算二進制反碼和，存入校驗和字段
    • 接收方：重新計算校驗和，若與字段值不同則丟棄
五、常見協議與端口號
協議端口號說明
HTTP80超文本傳輸協議（明文）
HTTPS443安全 HTTP（TLS/SSL 加密）
FTP21（控制）文件傳輸協議（數據端口 20）
SSH22安全外殼協議（加密遠程登錄）
DNS53域名解析服務
DHCP67/68動態主機配置協議（服務器/客戶端）
SMTP25簡單郵件傳輸協議（發送郵件）
POP3110郵局協議版本 3（接收郵件）

六、重點題型解析

  1. TCP與UDP對比題

    • 答案：均為傳輸層協議，提供進程間通信，但 TCP 可靠、面向連接，UDP 不可靠、無連接

  2. 三次握手作用

    • 答案：同步雙方初始序號（防止歷史連接干擾），分配資源（緩存、變量）

  3. TCP滑動窗口機制

    • 答案：發送方根據接收方窗口大小調整發送速率，避免接收方緩沖區溢出

  4. UDP適用場景

    • 答案：視頻通話（實時性優先）、DNS 查詢（小數據量）、直播（允許丟包）

七、擴展知識

TCP狀態轉換圖詳解

TCP協議通過狀態機管理連接的建立、維護和釋放。狀態轉換圖描述了TCP連接在不同階段的狀態變遷，涵蓋了客戶端和服務器端的主動/被動操作。以下是核心內容：

一、狀態分類與含義
狀態描述
CLOSED初始狀態，表示連接未建立或已完全關閉。
LISTEN服務器端監聽端口，等待客戶端連接請求（僅服務器端可見）。
SYN_SENT客戶端發送SYN后等待確認（主動打開連接）。
SYN_RCVD服務器端收到SYN后發送SYN+ACK，等待客戶端ACK（被動打開連接）。
ESTABLISHED連接已建立，數據可雙向傳輸。
FIN_WAIT_1主動關閉方發送FIN后等待ACK（首次關閉請求）。
FIN_WAIT_2收到對端ACK后，等待對端FIN（僅主動關閉方可見）。
TIME_WAIT主動關閉方發送最終ACK后等待2MSL（防止舊報文干擾新連接）。
CLOSE_WAIT被動關閉方收到FIN后發送ACK，等待本地應用關閉連接。
LAST_ACK被動關閉方發送FIN后等待ACK（最終關閉請求）。
CLOSING雙方同時發送FIN（罕見狀態，需額外處理）。
二、狀態轉換路徑

1. 常規連接建立（三次握手）

  • 客戶端：
    CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
  • 服務器端：
    CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

2. 常規連接關閉（四次揮手）

  • 主動關閉方（如客戶端）：
    ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
  • 被動關閉方（如服務器端）：
    ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

3. 同時打開連接（雙方主動發起）

  • 客戶端A：CLOSED → SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED
  • 客戶端B：CLOSED → SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED
  • 觸發條件：雙方同時發送SYN，交換ACK后直接進入ESTABLISHED。

4. 同時關閉連接（雙方主動關閉）

  • 雙方均發送FIN后進入CLOSING狀態，最終通過交換ACK進入TIME_WAIT和CLOSED。
三、關鍵狀態解析

  1. TIME_WAIT（2MSL等待）

    • 作用：
      • 確保最后一個ACK被對端接收（若丟失，對端重傳FIN，可再次發送ACK）。
      • 防止舊連接的延遲報文干擾新連接（通過2MSL超時清除殘留報文）。
    • MSL值：通常為30秒（Linux）或2分鐘（RFC建議），總等待時間為2×MSL。

  2. CLOSE_WAIT（被動關閉等待）

    • 常見問題：若服務器端長期處于此狀態，可能因未調用close()導致連接泄漏（需檢查代碼邏輯）。

  3. SYN_RCVD（半連接狀態）

    • 風險：服務器端收到SYN但未完成握手時，可能遭受SYN洪水攻擊（需通過SYN Cookie等機制防御）。
四、狀態轉換觸發條件
操作/事件狀態變化
客戶端調用connect()CLOSED → SYN_SENT
服務器調用listen()CLOSED → LISTEN
收到SYN并回復SYN+ACKLISTEN → SYN_RCVD（服務器端）
收到ACK完成三次握手SYN_RCVD → ESTABLISHED（服務器端）
主動調用close()ESTABLISHED → FIN_WAIT_1（主動關閉方）
收到FIN并回復ACKESTABLISHED → CLOSE_WAIT（被動關閉方）
被動方調用close()CLOSE_WAIT → LAST_ACK
收到最終ACKLAST_ACK → CLOSED（被動關閉方）
五、特殊場景與處理

  1. FIN_WAIT_2持續

    • 原因：對端未發送FIN（如進程崩潰）。
    • 解決：系統超時機制強制關閉（默認超時時間可配置）。

  2. TIME_WAIT過多

    • 影響：占用端口資源，導致新連接無法綁定相同端口。
    • 優化：
      • 調整內核參數（如net.ipv4.tcp_tw_reuse）。
      • 確保HTTP服務器主動關閉連接（將TIME_WAIT轉移至客戶端）。

  3. RST報文觸發

    • 場景：收到無效報文（如端口未監聽）時，直接發送RST強制關閉連接。
六、狀態轉換圖示例
客戶端路徑（主動關閉）：
CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED服務器路徑（被動關閉）：
CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED
七、調試與監控工具
  1. netstat命令：
    netstat -ant | grep <端口號>  # 查看當前TCP連接狀態
  2. ss命令（替代netstat）：
    ss -tulnp  # 顯示所有TCP/UDP監聽端口及進程
  3. Wireshark抓包：分析握手/揮手過程中的報文序列和狀態變化。

總結：理解TCP狀態轉換圖是排查網絡問題（如連接泄漏、端口占用）的關鍵。需結合代碼邏輯（如close()調用位置）和系統參數調優，確保連接高效釋放。

  • 關鍵狀態：ESTABLISHED（連接成功）、CLOSE_WAIT（被動關閉等待）

MTU與MSS

  • MTU（最大傳輸單元）：鏈路層允許的最大數據幀長度（通常 1500 字節）
  • MSS（最大段長度）：TCP 報文段數據部分的最大長度（MTU - IP首部 - TCP首部）
    . TCP粘包問題
  • 原因：TCP 將多個小報文合并發送，導致應用層無法區分邊界
  • 解決方案：添加消息長度字段、使用分隔符（如 HTTP 的 Content-Length）

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