五、傳輸層

第一個(gè)端到端，即主機(jī)到主機(jī)的層次。傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯(cuò)控制和流量控制問題。

傳輸層的任務(wù)是根據(jù)通信子網(wǎng)的特性，最佳的利用網(wǎng)絡(luò)資源，為兩個(gè)端系統(tǒng)的會(huì)話層之間，提供建立、維護(hù)和取消傳輸連接的功能，負(fù)責(zé)端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸。在這一層，信息傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段或報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)層只是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將源結(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包傳送到目的結(jié)點(diǎn)，而傳輸層則負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)可靠地傳送到相應(yīng)的端口。

有關(guān)網(wǎng)絡(luò)層的重點(diǎn)：

1. 傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸以及端到端的差錯(cuò)控制和流量控制問題；
2. 包含的主要協(xié)議：TCP協(xié)議（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）、UDP協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）；
3. 重要設(shè)備：網(wǎng)關(guān)。

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5.1 UDP協(xié)議詳解

UDP(User Datagram Protocol: 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的協(xié)議，

UDP協(xié)議的特點(diǎn)：

• UDP是無(wú)連接協(xié)議；
• UDP不能保證可靠的交付數(shù)據(jù)；
• UDP是面向報(bào)文傳輸?shù)模?/li>
• UDP沒有擁塞控制；
• UDP首部開銷很小。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)：

首部:8B，四字段/2B【源端口 | 目的端口 | UDP長(zhǎng)度 | 校驗(yàn)和】數(shù)據(jù)字段：應(yīng)用數(shù)據(jù)

5.2 TCP協(xié)議詳解

TCP(Transmission Control Protocol: 傳輸控制協(xié)議)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中非常復(fù)雜的一個(gè)協(xié)議。

TCP協(xié)議的功能：

1. 對(duì)應(yīng)用層報(bào)文進(jìn)行分段和重組；
2. 面向應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)復(fù)用與分解；
3. 實(shí)現(xiàn)端到端的流量控制；
4. 擁塞控制；
5. 傳輸層尋址；
6. 對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)（首部和數(shù)據(jù)部分都檢錯(cuò)）；
7. 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸控制。

TCP協(xié)議的特點(diǎn)：

• TCP是面向連接的協(xié)議；
• TCP是面向字節(jié)流的協(xié)議；
• TCP的一個(gè)連接有兩端，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；
• TCP提供可靠的傳輸服務(wù)；
• TCP協(xié)議提供全雙工通信（每條TCP連接只能一對(duì)一）；

5.2.1 TCP報(bào)文段結(jié)構(gòu)：

最大報(bào)文段長(zhǎng)度：報(bào)文段中封裝的應(yīng)用層數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度。

TCP首部：

• 序號(hào)字段：TCP的序號(hào)是對(duì)每個(gè)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行編號(hào)
• 確認(rèn)序號(hào)字段：期望從對(duì)方接收數(shù)據(jù)的字節(jié)序號(hào)，即該序號(hào)對(duì)應(yīng)的字節(jié)尚未收到。用ack_seq標(biāo)識(shí)；
• TCP段的首部長(zhǎng)度最短是20B ，最長(zhǎng)為60字節(jié)。但是長(zhǎng)度必須為4B的整數(shù)倍

TCP標(biāo)記的作用：

5.3 可靠傳輸?shù)幕驹?/h3>

基本原理：

• 不可靠傳輸信道在數(shù)據(jù)傳輸中可能發(fā)生的情況：比特差錯(cuò)、亂序、重傳、丟失
• 基于不可靠信道實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸采取的措施：

差錯(cuò)檢測(cè)：利用編碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸過程中的比特差錯(cuò)檢測(cè)確認(rèn)：接收方向發(fā)送方反饋接收狀態(tài)重傳：發(fā)送方重新發(fā)送接收方?jīng)]有正確接收的數(shù)據(jù)序號(hào)：確保數(shù)據(jù)按序提交計(jì)時(shí)器：解決數(shù)據(jù)丟失問題；

停止等待協(xié)議：是最簡(jiǎn)單的可靠傳輸協(xié)議，但是該協(xié)議對(duì)信道的利用率不高。

連續(xù)ARQ(Automatic Repeat reQuest：自動(dòng)重傳請(qǐng)求)協(xié)議：滑動(dòng)窗口+累計(jì)確認(rèn)，大幅提高了信道的利用率。

5.3.1TCP協(xié)議的可靠傳輸

基于連續(xù)ARQ協(xié)議，在某些情況下，重傳的效率并不高，會(huì)重復(fù)傳輸部分已經(jīng)成功接收的字節(jié)。

5.3.2 TCP協(xié)議的流量控制

流量控制：讓發(fā)送方發(fā)送速率不要太快，TCP協(xié)議使用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制。

5.4 TCP協(xié)議的擁塞控制

擁塞控制與流量控制的區(qū)別：流量控制考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信量的控制，而擁塞控制考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是全局性的考慮。擁塞控制的方法：慢啟動(dòng)算法+擁塞避免算法。

慢開始和擁塞避免：

1. 【慢開始】擁塞窗口從1指數(shù)增長(zhǎng)；
2. 到達(dá)閾值時(shí)進(jìn)入【擁塞避免】，變成+1增長(zhǎng)；
3. 【超時(shí)】，閾值變?yōu)楫?dāng)前cwnd的一半（不能<2）；
4. 再?gòu)摹韭_始】，擁塞窗口從1指數(shù)增長(zhǎng)。

快重傳和快恢復(fù)：

1. 發(fā)送方連續(xù)收到3個(gè)冗余ACK，執(zhí)行【快重傳】，不必等計(jì)時(shí)器超時(shí)；
2. 執(zhí)行【快恢復(fù)】，閾值變?yōu)楫?dāng)前cwnd的一半（不能<2），并從此新的ssthresh點(diǎn)進(jìn)入【擁塞避免】。

5.5 TCP連接的三次握手（重要）

TCP三次握手使用指令：

面試常客：為什么需要三次握手？

1. 第一次握手：客戶發(fā)送請(qǐng)求，此時(shí)服務(wù)器知道客戶能發(fā)；
2. 第二次握手：服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)，此時(shí)客戶知道服務(wù)器能發(fā)能收；
3. 第三次握手：客戶發(fā)送確認(rèn)，此時(shí)服務(wù)器知道客戶能收。

建立連接（三次握手）：

第一次：客戶向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求段，建立連接請(qǐng)求控制段（SYN=1），表示傳輸?shù)膱?bào)文段的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序列號(hào)是x，此序列號(hào)代表整個(gè)報(bào)文段的序號(hào)（seq=x）；客戶端進(jìn)入 SYN_SEND （同步發(fā)送狀態(tài)）；

第二次：服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)報(bào)文段，同意建立新連接的確認(rèn)段（SYN=1），確認(rèn)序號(hào)字段有效（ACK=1），服務(wù)器告訴客戶端報(bào)文段序號(hào)是y（seq=y），表示服務(wù)器已經(jīng)收到客戶端序號(hào)為x的報(bào)文段，準(zhǔn)備接受客戶端序列號(hào)為x+1的報(bào)文段（ack_seq=x+1）；服務(wù)器由LISTEN進(jìn)入SYN_RCVD （同步收到狀態(tài)）;

第三次:客戶對(duì)服務(wù)器的同一連接進(jìn)行確認(rèn).確認(rèn)序號(hào)字段有效(ACK=1),客戶此次的報(bào)文段的序列號(hào)是x+1(seq=x+1),客戶期望接受服務(wù)器序列號(hào)為y+1的報(bào)文段(ack_seq=y+1);當(dāng)客戶發(fā)送ack時(shí)，客戶端進(jìn)入ESTABLISHED 狀態(tài);當(dāng)服務(wù)收到客戶發(fā)送的ack后，也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài);第三次握手可攜帶數(shù)據(jù);

5.6 TCP連接的四次揮手（重要）

釋放連接（四次揮手）

第一次：客戶向服務(wù)器發(fā)送釋放連接報(bào)文段，發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，請(qǐng)求釋放連接（FIN=1），傳輸?shù)牡谝粋€(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)是x（seq=x）；客戶端狀態(tài)由ESTABLISHED進(jìn)入FIN_WAIT_1（終止等待1狀態(tài)）；

第二次：服務(wù)器向客戶發(fā)送確認(rèn)段，確認(rèn)字號(hào)段有效（ACK=1），服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序號(hào)是y（seq=y），服務(wù)器期望接收客戶數(shù)據(jù)序號(hào)為x+1（ack_seq=x+1）;服務(wù)器狀態(tài)由ESTABLISHED進(jìn)入CLOSE_WAIT（關(guān)閉等待）；客戶端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1進(jìn)入FIN_WAIT_2；

第三次:服務(wù)器向客戶發(fā)送釋放連接報(bào)文段，請(qǐng)求釋放連接（FIN=1），確認(rèn)字號(hào)段有效（ACK=1），表示服務(wù)器期望接收客戶數(shù)據(jù)序號(hào)為x+1（ack_seq=x+1）;表示自己傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)序號(hào)是y+1（seq=y+1）；服務(wù)器狀態(tài)由CLOSE_WAIT 進(jìn)入 LAST_ACK （最后確認(rèn)狀態(tài)）；

第四次：客戶向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)段，確認(rèn)字號(hào)段有效（ACK=1），表示客戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序號(hào)是x+1（seq=x+1），表示客戶期望接收服務(wù)器數(shù)據(jù)序號(hào)為y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客戶端狀態(tài)由FIN_WAIT_2進(jìn)入TIME_WAIT，等待2MSL時(shí)間，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)；服務(wù)器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK進(jìn)入CLOSED；

為什么需要等待2MSL?

1. 最后一個(gè)報(bào)文沒有確認(rèn)；
2. 確保發(fā)送方的ACK可以到達(dá)接收方；
3. 2MSL時(shí)間內(nèi)沒有收到，則接收方會(huì)重發(fā)；
4. 確保當(dāng)前連接的所有報(bào)文都已經(jīng)過期。

六、應(yīng)用層

為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。應(yīng)用層重點(diǎn)：

1. 數(shù)據(jù)傳輸基本單位為報(bào)文；
2. 包含的主要協(xié)議：FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、DNS（域名解析協(xié)議）、SMTP（郵件傳送協(xié)議），POP3協(xié)議（郵局協(xié)議），HTTP協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol）。

6.1 DNS詳解

DNS（Domain Name System:域名系統(tǒng)）【C/S，UDP，端口53】：解決IP地址復(fù)雜難以記憶的問題,存儲(chǔ)并完成自己所管轄范圍內(nèi)主機(jī)的 域名 到 IP 地址的映射。

域名解析的順序：

• 【1】瀏覽器緩存，
• 【2】找本機(jī)的hosts文件，
• 【3】路由緩存，
• 【4】找DNS服務(wù)器（本地域名、頂級(jí)域名、根域名）->迭代解析、遞歸查詢。

1. IP—>DNS服務(wù)—>便于記憶的域名
2. 域名由點(diǎn)、字母和數(shù)字組成，分為頂級(jí)域（com，cn，net，gov，org）、二級(jí)域（baidu,taobao,qq,alibaba）、三級(jí)域（www）(12-2-0852)

6.2 DHCP協(xié)議詳解

DHCP（Dynamic Configuration Protocol:動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議）：是一個(gè)局域網(wǎng)協(xié)議，是應(yīng)用UDP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議。作用：為臨時(shí)接入局域網(wǎng)的用戶自動(dòng)分配IP地址。

6.3 HTTP協(xié)議詳解

文件傳輸協(xié)議（FTP）：控制連接（端口21）：傳輸控制信息（連接、傳輸請(qǐng)求），以7位ASCII碼的格式。整個(gè)會(huì)話期間一直打開。

HTTP（HyperText Transfer Protocol:超文本傳輸協(xié)議）【TCP，端口80】：是可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，瀏覽器向服務(wù)器發(fā)收?qǐng)?bào)文前，先建立TCP連接，HTTP使用TCP連接方式（HTTP自身無(wú)連接）。

HTTP請(qǐng)求報(bào)文方式：

1. GET：請(qǐng)求指定的頁(yè)面信息，并返回實(shí)體主體；
2. POST：向指定資源提交數(shù)據(jù)進(jìn)行處理請(qǐng)求；
3. DELETE：請(qǐng)求服務(wù)器刪除指定的頁(yè)面；
4. HEAD：請(qǐng)求讀取URL標(biāo)識(shí)的信息的首部，只返回報(bào)文頭；
5. OPETION：請(qǐng)求一些選項(xiàng)的信息；
6. PUT：在指明的URL下存儲(chǔ)一個(gè)文檔。

6.3.1 HTTP工作的結(jié)構(gòu)

6.3.2 HTTPS協(xié)議詳解

HTTPS(Secure)是安全的HTTP協(xié)議，端口號(hào)443。基于HTTP協(xié)議，通過SSL或TLS提供加密處理數(shù)據(jù)、驗(yàn)證對(duì)方身份以及數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。

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