传输层 TCP UPD 应用场景

TCP解决了任意长度消息的可靠传输，所以很多应用层协议比如http ftp等协议都是基于tcp实现的，在多数场景下能够满足应用层的需要，所以我们通常感知不到tcp协议。

计算机网络体系结构

可以看到应用层和传输层是面向用户的，实现用户功能的，同时传输层也是面向通信功能的，可见这一层是承上启下的一层。

其实网络当中的流量，绝大多是应用程序之间的通信产生的。比如访问网站的流量，看电影的流量等等。程序在电脑上面的表现为进程，其实访问网络上面的服务就是进程和进程的通信。

进程之间的通信就要使用各种各样的协议。应用层协议有时候要求网络是可靠的，客户端发送的请求必须得收到，网络其实是不可靠的，比如图片的发送被分为一个一个的数据包来传，如果链路上面传的数据包多，路由器处理不了，这个路由器就将这个数据包直接丢弃，那么接收端接收到的图片就是不完整的，这是不允许的。

这就得有一种机制来实现可靠传输，我们就可以在通信的两个计算机之间分别设置传输层协议，TCP协议就是专门为上面的应用程序通信提供可靠传输的。

网站要将网页传输给浏览器，将网页放到传输层，在传输层分段进行编号，分段之后给每个段添加IP地址，源地址目标地址，这就形成了数据包。接收端收到之后放到缓存里面，然后按照顺序读取，如果丢包了，那么接收端就得等着，发送端就得重新发送丢了的数据包。最后丢失的数据包到了才能读取连续收到的包。

数据包可能是不是同时到达的，也就是没有按照顺序到达，因为每个数据包都是独立选择路径的，接收端会等着这个迟到的数据包，等到这些迟到的数据包再开始都连续的数据包。

上面就是传输层为我们应用层提供可靠传输，这个协议就是TCP协议。

TCP 的作用

tcp之上是应用层协议，tcp之下是网络层ip协议，下面来了解tcp解决了什么问题。

在这幅图中有三个网络，一个用户客户端所在的网络，中间是广域网，第三个是企业idc内部的网络，客户端电脑上发起了一个get请求，tcp将不定长度的http请求切分为tcp认为合适的段，发送到目的的server上，在中间的任意一个节点报文都有可能被丢弃掉，而且路径也可能发生变换，tcp必须保证每个段都可以到达server，server接收到段之后，通常tcp层都是由操作系统的内核实现的，操作系统内核按照相同的顺序丢给了上面的tomcat，处理完之后生产了web页面，通过相同的路径返回给客户端。

在整个过程中，如何选择跨越不同的网络是由ip层解决的，如何构造一条消息和响应是由应用层决定的，但是消息如何可靠的发送，如何保证顺序都是tcp层决定的。

TCP协议的分层

TCP：面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
IP：根据IP地址穿越网络传送数据

面向连接是1对1才能连接，tcp协议不能像udp协议那样，一个主机像多个主机发送同一条消息，一对多是无法做到的

层层嵌套的“信封”：报文头部

在应用层构造好http get请求，在传输层，在Linux内核当中会将相应的消息拆分为许多tcp segment，segement大小由mms来定义的，网络层添加20个字节的ip头部，最后到数据链路层加上相应的头部，到了物理层，经过路由器，路由器会将数据链层和ip层头部剥离。

TCP 协议特点

• 在 IP 协议之上，解决网络通讯可依赖问题

• 点对点（不能广播、多播），面向连接，只有连接存在的情况下才能够传递数据

• 双向传递（全双工，两端可以任意的发送消息）

• 字节流：打包成报文段、保证有序接收、重复报文自动丢弃

• 缺点：不维护应用报文的边界（对比 HTTP、GRPC）

• 优点：不强制要求应用必须离散的创建数据块，不限制数据块大小

• 流量缓冲：解决速度不匹配问题（客户端和服务器，这两端的速度是完全不一致的，机器性能不一致，这个时候处理的速度是不配的）

• 可靠的传输服务（保证可达，丢包时通过重发进而增加时延实现可靠性）

• 拥塞控制

TCP场景（需要多次交互，传输的数据比较大，分段传输）

TCP为应用层协议提供可靠传输，发送端按顺序发送，接收端按顺序接收，其间发送丢包、乱序，TCP负责重传和排序。下面是TCP的应用场景。

（1）客户端程序和服务端程序需要多次交互才能实现应用程序的功能。比如接收电子邮件使用的POP3和发送电子邮件的SMTP，传输文件的FTP，在传输层使用的是TCP。（客户端和服务端需要多次交互的通信）

（2）应用程序传输的文件需要分段传输，比如浏览器访问网页，网页中图片和HTML文件需要分段后发送给浏览器，或QQ传文件，在传输层也是选用TCP。（在传输的时候可能需要一段时间，要将文件分为很多段去传，因为文件大，在传输的时候可能丢包，没有按照顺序到达，都需要实现可靠传输）

TCP协议示意图

TCP协议实现的功能

浏览器在请求网页的时候往TCP的缓存里面放入字节，一个一个字节往里面放，然后在里面分段，一部分字节分成一段，这些段都编号，加上这个首部来传，传输过程当中连续到的字节就可以从缓冲区里面来接受，对于发送端来说将网页以字节流的方式源源不断的往里面放，这边浏览器从缓存里面读取这些字节，在传输过程当中，这些乱序，丢包，这两端的应用程序是不知道的。

TCP协议在通信之前需要建立连接，客户端向服务端发送请求建立连接，服务端收到之后回一个建立TCP的响应，在建立连接的时候协商参数，比如缓存有多大。建立连接需要三个数据包，需要三次握手。
建立连接三次握手再去协商参数，然后再去可靠传输。可靠传输：数据包丢了，或者没有按照顺序到达。
在可靠传输的时候还有流量控制的功能，比如接收方的缓存满了，那么接收方发送一个数据包告诉它慢点发，我这里处理不过来了。流量控制就是接收端告诉服务端发慢点，甚至停止发送。（就像一大堆快递在你家门口，你还没有来得及往屋里搬，这个时候就要告诉发货的发慢点，处理不过来）
拥塞避免就是可以感知网络的丢包情况，网络丢包严重的时候经常需要重传，一个一个发，发完了给一个确认，而不是一下子发10个然后各一个确认。如果发10个丢5个，还得重发5个，那还不如发慢点，发少量的包然后确认一次。可以看出TCP可以感知网络状态，避免网络拥塞。

传输完之后还需要释放连接，确保最后发送的数据包对方也收到了。

UDP 用户报文协议

在传输层还有一个协议是UDP协议，用户报文协议，和TCP相比其不提供可靠传输。不可靠有不可靠的好处，比较精简，快速，不需要建立连接，不需要释放连接。

（1）客户端程序和服务端程序通信，应用程序发送的数据包不需要分段。比如域名解析，DNS协议就是用传输层的UDP，客户端向DNS服务器发送一个报文解析某个网站的域名，DNS服务器将解析的结果使用一个报文返回给客户端。

（2）实时通信（延时尽量低），比如QQ或微信语音聊天，或视频聊天。这类应用，发送端和接收端需要实时交互，也就是不允许较长延迟，即便有几句话因为网络堵塞没听清，也不允许使用TCP等待丢失的报文，等待的时间太长了，就不能愉快的聊天了。（丢包了，网速不好，那么就重新说一遍，如果向TCP一样提供可靠传输，丢包了，说了一句话，丢包了重传，没有按照顺序到等一会，这样得过一段时间才能收到对方说的话，这就不是实时通信了）

（3）多播或广播通信（一对多通信。比如组播）。比如学校多媒体机房，老师的电脑屏幕需要教室的学生电脑接收屏幕，在老师的电脑安装多媒体教室服务端软件，学生电脑安装多媒体教室客户端软件，老师电脑使用多播地址或广播地址发送报文，学生电脑都能收到。这类应用在传输层使用UDP。

UDP协议有点像广播电台，发出的信号不需要下面的人给出确认，往外发就行了，丢包了也不管。