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一、前言

計算機網絡運輸層（Transport Layer）位于網絡層之上、應用層之下，在整個網絡協議棧中起著承上啟下的作用。它為應用進程提供端到端的數據傳輸服務，并確保數據能夠可靠或高效地傳送到目標主機。

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二、運輸層的功能

1. 端到端通信

• 網絡層負責主機之間的數據傳輸，但無法區分主機上的具體應用進程。
• 運輸層通過端口號標識不同的進程，實現主機到主機之間的端到端通信。

2. 復用與分用

• 復用：多個應用程序可以同時使用運輸層協議進行數據傳輸。
• 分用：接收方將運輸層數據解析并分發到對應的應用程序。

3. 差錯檢測

• 運輸層對數據進行校驗，保證數據在傳輸過程中沒有損壞。
• 校驗和用于檢測數據在傳輸過程中是否出錯。

4. 流量控制

• 防止發送方發送過多的數據，超過接收方的處理能力。
• 避免數據溢出或丟失。

5. 擁塞控制

• 防止網絡擁塞，確保網絡資源被合理利用。
• 通過調整發送速率來適應當前網絡狀態。

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三、運輸層協議：TCP 和 UDP

運輸層的兩大核心協議分別是：

• TCP（Transmission Control Protocol）：傳輸控制協議
• UDP（User Datagram Protocol）：用戶數據報協議

1. TCP：面向連接的可靠傳輸協議

TCP 提供可靠的數據傳輸服務，具有以下特性：

• 面向連接：在數據傳輸前需要先建立連接（3次握手），數據傳輸結束后釋放連接（4次揮手）。
• 可靠傳輸：數據包按序到達、無差錯、不丟失、不重復。
• 流量控制：通過滑動窗口機制控制發送方的數據發送速率。
• 擁塞控制：通過慢啟動、擁塞避免、快重傳等算法控制數據流量，防止網絡擁塞。

? TCP 報文格式

  0          4          8         16         24         32--------------------------------------------------------| 源端口號    | 目的端口號      | 序號（32位）                 |--------------------------------------------------------| 確認號（32位）                      |--------------------------------------------------------| 數據偏移（4位） | 保留（6位） | 標志位（6位）  | 窗口大小      |--------------------------------------------------------| 校驗和         | 緊急指針                      |--------------------------------------------------------| 可選字段（0-320位）                  |--------------------------------------------------------| 數據部分                              |--------------------------------------------------------

• 源端口號和目的端口號：標識通信雙方進程。
• 序號和確認號：保證數據的可靠性和有序性。
• 標志位：
  • ACK：確認標志。
  • SYN：同步標志，用于建立連接。
  • FIN：終止標志，用于斷開連接。
• 窗口大小：用于流量控制。
• 校驗和：檢測數據傳輸是否出錯。

? TCP 連接過程

• 三次握手（建立連接）
  1. 客戶端發送 SYN 報文。
  2. 服務端返回 SYN + ACK 報文。
  3. 客戶端返回 ACK 報文，連接建立。
• 四次揮手（釋放連接）
  1. 客戶端發送 FIN 請求斷開連接。
  2. 服務端返回 ACK 確認。
  3. 服務端發送 FIN 請求斷開。
  4. 客戶端返回 ACK，連接斷開。

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2. UDP：無連接的傳輸協議

UDP 提供無連接的數據傳輸服務，具有以下特性：

• 無連接：無需建立連接即可傳輸數據。
• 不可靠傳輸：不保證數據有序、不丟失。
• 速度快：開銷小，適合對實時性要求高的應用（如視頻會議、語音通話）。

? UDP 報文格式

  0          4          8         16         24         32--------------------------------------------------------| 源端口號    | 目的端口號      | 數據長度         | 校驗和      |--------------------------------------------------------| 數據部分（可變長）                                  |--------------------------------------------------------

• 源端口號和目的端口號：標識通信進程。
• 數據長度：數據部分的長度。
• 校驗和：檢測數據是否損壞。
• 數據部分：實際傳輸的數據。

? UDP 應用場景

• 實時音視頻：如 VoIP、視頻通話。
• 在線游戲：數據傳輸需要速度，不需要可靠性。
• 廣播和多播：如 DHCP 協議。

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四、端口號與進程通信

1. 端口號分類

• 0~1023：系統端口（知名端口）
  • 80：HTTP
  • 443：HTTPS
  • 22：SSH
• 1024~49151：注冊端口
  • 分配給用戶程序或進程。
• 49152~65535：動態或私有端口
  • 臨時端口號，供客戶機程序使用。

2. 端口通信模型

• 服務器監聽指定端口，等待客戶端連接。
• 客戶端通過指定端口向服務器發送數據。
• 服務器和客戶端進行數據交互。

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五、流量控制與擁塞控制

1. 流量控制

• 滑動窗口機制
  • 發送方和接收方維護窗口。
  • 窗口大小決定發送方可發送的數據量。
  • 通過調整窗口大小實現流量控制。

? 示例

• 發送方窗口大小為 4。
• 每次發送 4 個數據包。
• 接收方確認收到數據后，滑動窗口前移。

2. 擁塞控制

• 慢啟動：初始發送速率較低，逐步增加。
• 擁塞避免：防止發送速率增長過快。
• 快重傳：在接收方連續接收到 3 個重復的 ACK 時，立即重傳數據。
• 快恢復：在擁塞時減少窗口大小，不重置。

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六、總結

運輸層在計算機網絡中負責主機之間的數據傳輸。它通過 TCP 和 UDP 提供可靠或高速的傳輸服務，同時通過流量控制與擁塞控制保障網絡穩定性。

? TCP 適合可靠性要求高的場景

• 如文件傳輸、郵件、Web 瀏覽。

? UDP 適合實時性要求高的場景

• 如視頻會議、語音通話、在線游戲。