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【计算机网络】Layer4-Transport layer

news 来源：原创 2025/6/21 21:50:57

目录

  • 传输层协议
    • How demultiplexing works in transport layer（传输层如何进行分用）
      • 分用（Demultiplexing）的定义：
      • TCP/UDP段格式：
  • UDP
    • UDP的特点：
    • UDP Format
    • 端口号
    • Trivial File Transfer Protocol (TFTP)
    • File Transfer Protocol (FTP)
      • FTP Replies
  • TCP
    • TCP简介：
    • TCP的特性：
    • 端口号的作用：
    • TCP Header Fields（TCP头部字段）
    • Connection-Oriented Demultiplexing
      • TCP套接字通过**四元组（4-tuple）**唯一标识：
    • TCP Connection Establishment & Termination TCP连接的建立与终止
      • 连接建立
      • 连接终止：
    • TCP状态图
      • 客户端
      • 服务器端
    • TCP Timers（TCP定时器）
      • TCP定时器的作用：
    • Selective Acknowledgement（选择性确认）
      • SACK（选择性确认）的用途：
      • 实现方式：
    • TCP Congestion Control Parameters（TCP拥塞控制参数）
      • 主要参数：
  • Streaming Multimedia: UDP or TCP?
    • UDP 特性：
    • TCP 特性：
  • HTTP Adaptive Streaming (HAS)
    • HAS 的特点：
    • 常见变体：
    • HAS 的分段传输机制：

传输层协议

传输层协议是端到端的协议。仅在主机上实现。
两种常见的传输层协议：

  • UDP

    • 面向数据报（Datagram oriented）：基于数据报的传输方式，不建立连接。
    • 不可靠，无连接（Unreliable, connectionless）：不保证数据的可靠性，也没有连接建立过程。
    • 简单（Simple）：协议设计较为轻量化，开销小。
    • 支持单播和多播（Unicast and multicast）：适合多种网络通信场景。
    • 常用于网络控制信令服务：
      • 如网络管理（SNMP）、路由（RIP）、域名解析（DNS）等。
    • 适用于交互式多媒体应用：
      • 如视频流、音频流等需要快速传输的场景。

  • TCP

    • 面向流（Stream oriented）：数据以字节流的形式传输。
    • 可靠，面向连接（Reliable, connection-oriented）：通过握手机制建立连接，确保数据可靠传输。
    • 复杂（Complex）：实现了流量控制、拥塞控制等功能。
    • 仅支持单播（Unicast only）：只支持点对点通信。
    • 广泛用于大多数互联网应用：
      • 如网页（HTTP）、邮件（SMTP）、文件传输（FTP）、终端（Telnet）等。
    • 许多基于HTTP/TCP的应用程序依赖它。

How demultiplexing works in transport layer（传输层如何进行分用）

分用（Demultiplexing）的定义：

分用是传输层的重要功能，用于将接收到的IP数据报分发到正确的应用程序（或套接字）。
具体分用过程：

主机接收到IP数据报，其中包含：

  • 源IP地址和目标IP地址（来自网络层）。
  • 源端口号和目标端口号（来自传输层）。

每个数据报包含一个传输层段（TCP或UDP段）。
传输层通过IP地址和端口号将数据分配到正确的套接字（socket）。

TCP/UDP段格式：

在这里插入图片描述

UDP

UDP的特点：

  • 不可靠传输：UDP不会确认数据是否正确到达。
  • 功能简单：
    • 基本功能是将IP数据报的主机到主机传递扩展为应用程序到应用程序的传递。
  • UDP的主要附加功能是多路复用（multiplexing）和分用（demultiplexing）。
  • UDP的传输过程：
    • 应用程序通过UDP协议向目标发送数据报。
    • IP层负责数据报的路由和传递。
    • 接收主机的UDP层根据端口号将数据分发到目标应用程序。

UDP Format

在这里插入图片描述

端口号

  • 动态/私有端口（Dynamic/private ports）：
    • 范围：49152-65535。
    • 供客户端随机选择使用。
  • 注册端口（Registered ports）：
    • 范围：1024-49151。
    • 普通用户进程使用。
  • 知名端口（Well-known ports）：
    • 范围：0-1023。
    • 保留给系统或服务器使用，例如HTTP（80端口）和DNS（53端口）。

Trivial File Transfer Protocol (TFTP)

  • TFTP会话过程：

    • 客户端通过UDP端口69向服务器发送读/写请求（RRQ/WRQ）。
    • 如果是读请求，服务器返回一个长度为512字节的数据包，编号为1。
    • 客户端发送ACK，确认收到数据块1。
    • 服务器发送下一个数据块2。
    • 重复以上步骤，直到最后一个数据块的长度小于512字节，传输结束。

  • TFTP数据包结构：

    • opcode：操作码（读、写、数据、ACK等）。
    • block number：数据块编号。
    • data：数据字段，最大长度512字节。

File Transfer Protocol (FTP)

  • 连接类型：
    • 控制连接：
      • 服务器的控制端口为21。
      • 用于发送命令和响应。
    • 数据连接：
      • 服务器的数据端口为20。
      • 用于传输文件数据。

在这里插入图片描述

FTP Replies

Typical FTP replies
● 125 Data connection already open; transfer starting
● 200 Command OK
● 331 Username OK, password required
● 425 Can’t open data connection
● 452 Error writing file
● 500 Syntax error (unrecognized command)
● 501 Syntax error (invalid arguments

TCP

TCP简介：

  • TCP是传输层的另一个主要协议，与UDP相比，TCP提供可靠的、面向连接的服务。
    常用于需要高可靠性的应用，例如HTTP、FTP、Telnet等。

TCP的特性：

  • 可靠性：
    提供错误控制、确认机制和数据重传功能。
  • 流量控制：
    基于接收方缓冲区的反馈，动态调整发送速度。
  • 拥塞控制：
    根据网络的拥塞状态调整数据传输速率。

端口号的作用：

源端口号和目标端口号用于唯一标识发送方和接收方的套接字。

TCP Header Fields（TCP头部字段）

  • 源端口号（Source Port Number）：
    标识发送方应用程序。
  • 目标端口号（Destination Port Number）：
    标识接收方应用程序。
  • 序列号（Sequence Number）：
    标识数据段在整个传输流中的位置，用于数据重组。
  • 确认号（Acknowledgment Number）：
    用于确认接收到的数据段。
  • 窗口大小（Window Size）：
    表示接收方允许的最大数据量，用于流量控制。
  • 校验和（Checksum）：
    用于检测TCP头部和数据是否有错误。

Connection-Oriented Demultiplexing

TCP套接字通过**四元组（4-tuple）**唯一标识：

  • 源IP地址。
  • 源端口号。
  • 目标IP地址。
  • 目标端口号。

TCP Connection Establishment & Termination TCP连接的建立与终止

连接建立

使用三次握手（Three-Way Handshake）：

  1. 客户端发送SYN。
  2. 服务器返回SYN-ACK。
  3. 客户端发送ACK，连接建立成功

连接终止：

使用四次挥手（Four-Way Handshake）：

  1. 一方发送FIN，表示完成数据发送。
  2. 另一方发送ACK确认。
  3. 第二方发送FIN。
  4. 第一方发送ACK，连接终止。

TCP状态图

客户端

  1. CLOSED：初始状态，客户端准备建立连接。
  2. SYN_SENT：客户端发送SYN，等待服务器响应。
  3. ESTABLISHED：三次握手完成，连接建立。
  4. FIN_WAIT_1：客户端发送FIN，启动关闭过程。
  5. FIN_WAIT_2：客户端等待对方发送FIN。
  6. TIME_WAIT：客户端发送ACK后进入等待状态，确保数据可靠传输。

在这里插入图片描述

服务器端

  1. CLOSED：服务器未开启。
  2. LISTEN：服务器等待客户端连接。
  3. SYN_RCVD：收到客户端SYN，发送SYN-ACK。
  4. ESTABLISHED：三次握手完成，进入数据传输状态。
  5. CLOSE_WAIT：收到客户端的FIN，等待应用程序关闭。
  6. LAST_ACK：发送FIN并等待客户端的ACK。
    CLOSED：连接完全关闭。

在这里插入图片描述

TCP Timers（TCP定时器）

TCP定时器的作用：

  • 连接建立定时器（Connection Establishment Timer）：
    控制建立连接的最大时间。
  • 重传定时器（Retransmission Timer）：
    如果数据段未被确认，则重传。
  • 延迟ACK定时器（Delayed ACK Timer）：
    在交互式数据流中延迟ACK以提高效率。
  • 保持活动定时器（Keepalive Timer）：
    检查连接是否仍然存活。
  • 坚持定时器（Persist Timer）：
    在接收窗口为零时避免死锁，周期性地探测窗口大小。
    使用指数回退算法（Exponential Backoff）。
  • TIME_WAIT定时器：
    在连接关闭后保持一段时间，防止旧的延迟数据段被误解为新连接的一部分

Selective Acknowledgement（选择性确认）

SACK（选择性确认）的用途：

在TCP中，如果接收方发现多个数据段丢失，可以使用SACK选项通知发送方哪些数据段已成功接收。
SACK允许发送方仅重传丢失的数据段，而不是重传整个窗口的数据，从而提高效率。

实现方式：

TCP的SACK功能通过两个选项实现：

  • SACK-Permitted：连接建立时协商是否允许使用SACK。
  • SACK Option：在数据传输中实际使用，提供丢失和接收数据段的信息。

TCP Congestion Control Parameters（TCP拥塞控制参数）

主要参数：

  • 广告窗口大小（rwnd）：
    接收方通知发送方的缓冲区可用空间。
  • 最大分段大小（MSS）：
    每个TCP数据段的最大字节数。
  • 拥塞窗口（cwnd）：
    发送方根据网络状况调整的窗口大小。
  • 慢启动阈值（ssthresh）：
    用于分界慢启动和拥塞避免的阈值。

Streaming Multimedia: UDP or TCP?

UDP 特性：

  • 发送速率固定，忽略网络拥塞。
  • 播放延迟短（2-5秒），以补偿网络延迟抖动。
  • 错误恢复能力弱：丢包可能导致数据损失。
  • 典型应用：多媒体服务（如交互式应用）。

TCP 特性：

  • 不适用于多播，但适用于单播。
  • 通过拥塞控制调节速率，但可能导致波动。
  • 播放延迟较大，但能提高可靠性。
  • 支持穿越防火墙。
  • 典型应用：与 HTTP 结合的流媒体服务。

HTTP Adaptive Streaming (HAS)

HAS 的特点：

  • 基于 TCP 实现，具备高可靠性。
  • 与现有 Web 技术集成：能利用 HTTP，适配现有网络基础设施。
  • 自动适应可用带宽。
  • 标准化支持（如 MPEG-DASH）。

常见变体：

  • Microsoft Silverlight
  • Apple HLS
    选择比特率：根据当前和先前下载速率动态调整每段视频的比特率。

HAS 的分段传输机制：

  • 视频分片：视频文件被划分为2-10秒的视频片段。
  • 多码率编码：每个片段被编码为多个可选比特率。
  • Manifest 文件：
    • 提供可供客户端选择的比特率列表。
  • 客户端算法：
    • 起始选择较低的比特率。
    • 根据传输时间动态调整比特率。
    • 尝试维持播放缓冲区的正常水位。

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编程日记 2025/6/20 5:30:28

CTF-WEB: php-Session 文件利用 [第一届国城杯 n0ob_un4er 赛后学习笔记]

step 1 搭建容器 教程 A5rZ 题目 github.com Dockerfile 有点问题,手动修复一下 FROM php:7.2-apacheCOPY ./flag /root COPY ./readflag / COPY ./html/ /var/www/html/ COPY ./php.ini /usr/local/etc/php/php.ini COPY ./readflag /readsecretRUN chmod 755 /var/www…...

编程日记 2025/6/3 3:39:54

《计算机视觉：瓶颈之辩与未来之路》

一、计算机视觉的崛起 计算机视觉是使用计算机模仿人类视觉系统的科学&#xff0c;让计算机拥有类似人类提取、处理、理解和分析图像以及图像序列的能力。它是一个多学科交叉的领域&#xff0c;与机器视觉、图像处理、人工智能、机器学习等领域密切相关。 计算机视觉行业可分为…...

编程日记 2025/6/20 16:47:09

黑皮书-计算机科学导论02

目录 第二部分&#xff1a;计算机硬件 第5章计算机组成 5.1中央处理单元 Ⅰ.算数逻辑单元 Ⅱ.控制单元 Ⅲ.寄存器 5.2主存储器 Ⅰ.随机存取存储器(RAM) Ⅱ.只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器(Cache) 5.3输入/输出子系统 Ⅰ.非存储设备 Ⅱ.存储设备&#xff08;辅助存…...

编程日记 2025/6/1 8:12:44

React--》如何高效管理前端环境变量：开发与生产环境配置详解

在前端开发中&#xff0c;如何让项目在不同环境下表现得更为灵活与高效&#xff0c;是每个开发者必须面对的挑战&#xff0c;从开发阶段的调试到生产环境的优化&#xff0c;环境变量配置无疑是其中的关键。 env配置文件&#xff1a;通常用于管理项目的环境变量&#xff0c;环境…...

编程日记 2025/6/1 16:56:26

初始Python篇（6）—— 字符串

找往期文章包括但不限于本期文章中不懂的知识点&#xff1a; 个人主页&#xff1a;我要学编程(ಥ_ಥ)-CSDN博客 所属专栏&#xff1a; Python 目录 字符串的常见操作 格式化字符串 占位符 f-string 字符串的 format 方法 字符串的编码与解码 与数据验证相关的方法 …...

编程日记 2025/6/1 11:31:09

【数字花园】个人知识库网站搭建：⑤本地构建+云服务器部署数字花园plus

目录 写在前面&#xff1a;数字花园的定义[[数字花园]]网站的构建原理包括三个步骤&#xff1a;[[我的数字花园搭建笔记]] 现在的部署流程一、本地操作详细教程-2.前置步骤&#xff08;前面的文章都提过&#xff09;-1.创建github中转库0. 本地环境配置基础环境&#xff1a;git…...

编程日记 2025/5/29 7:53:27

力扣题目 - 3264.K 次乘运算后的最终数组I

题目 还需要你前往力扣官网查看详细的题目要求 地址 1.给你一个整数数组 nums &#xff0c;一个整数 k 和一个整数 multiplier 。2.你需要对 nums 执行 k 次操作&#xff0c;每次操作中&#xff1a;找到 nums 中的 最小 值 x &#xff0c;如果存在多个最小值&#xff0c;选择最…...

编程日记 2025/6/2 6:38:37

Java常用 Date 时间格式化、Calender日历、正则表达式的用法

目录 1. SimpleDateFormat 日期格式化类 1.1 Date 类型转 String 1.2 String 类型转 Date 2. Calendar 日历类 3. 正则表达式 3.1 正则表达式的组成部分 3.2 手机号正则表达式 3.3 常用密码校验正则表达式 1. SimpleDateFormat 日期格式化类 SimpleDateFormat 是Java中…...

编程日记 2025/6/3 7:51:22

网页爬虫技术全解析：从基础到实战

引言 在当今信息爆炸的时代&#xff0c;互联网上的数据量每天都在以惊人的速度增长。网页爬虫&#xff08;Web Scraping&#xff09;&#xff0c;作为数据采集的重要手段之一&#xff0c;已经成为数据科学家、研究人员和开发者不可或缺的工具。本文将全面解析网页爬虫技术&…...

编程日记 2025/6/20 8:05:05

细说STM32F407单片机SPI基础知识

目录 一、 SPI接口和通信协议 1、 SPI硬件接口 &#xff08;1&#xff09;MOSI(Master Output Slave Input) &#xff08;2&#xff09;MISO(Master Input Slave Output) &#xff08;3&#xff09;SCK 2、SPI传输协议 &#xff08;1&#xff09;CPHA0时的数据传输时序 …...

编程日记 2025/6/2 23:43:36

【OJ题解】面试题三步问题

个人主页: 起名字真南的CSDN博客 个人专栏: 【数据结构初阶】 &#x1f4d8; 基础数据结构【C语言】 &#x1f4bb; C语言编程技巧【C】 &#x1f680; 进阶C【OJ题解】 &#x1f4dd; 题解精讲 目录 **题目链接****解题思路****1. 问题分析****2. 递归思路****3. 优化方案&a…...

编程日记 2025/5/31 10:54:06