传输层基本概念&UDP

传输层基本概念#

定位与功能#

• 位置：传输层位于应用层和网络层之间
• 核心功能：
  • 向下：利用网络层提供的服务，为不同主机上的应用程序提供通信服务
  • 向上：屏蔽底层网络的复杂性（如多跳路由、网络拓扑），让应用程序感觉像是在两个终端进程之间直接建立了一条“虚拟管道”
• 通信抽象：
  • 网络层提供的是主机到主机 (Host-to-Host)的通信
  • 传输层提供的是进程到进程 (Process-to-Process)的通信（逻辑上的端到端通信）
• 套接字 (Socket)：应用层和传输层的接口，也是应用程序和网络之间的 API

传输层的服务限制#

• 网络层现实：Internet 的网络层提供的是“尽力而为 (Best-effort)”的服务
  • 不保证：交付成功、按序交付、数据完整性、延迟和带宽
• 传输层能做的：通过差错恢复、重排序等手段提供可靠、按序的交付（如 TCP）
• 传输层做不到的：无法提供的延迟保证和带宽保证

复用与分用#

这是传输层实现“进程到进程”交付的核心机制。

基本定义#

• 复用 (Multiplexing) [发送端]：传输层从多个套接字收集数据，封装头部信息（如端口号），交给网络层发送
• 分用 (Demultiplexing) [接收端]：传输层从网络层收到数据后，根据报文段头部的信息，将数据交付给正确的套接字

标识机制：端口号 (Port)#

• 作用：用于标识主机上的不同进程（套接字）
• 长度：16比特（取值范围 $0$ ~ $65535$）
• 分类：
  • 熟知端口 (0~1023)：公共协议使用（如 HTTP 80, FTP 21）。
  • 注册端口 (1024~49151)：需注册使用。
  • 动态/私有端口 (49152~65535)：客户端通常使用系统自动分配的这类端口。

UDP 与 TCP 分用的区别#

UDP#

UDP 是一种“躺平”的协议，提供最低限度的传输服务

UDP 特点#

1. 无连接：发送数据前不需要建立连接，没有握手延迟
2. 尽力而为：不保证可靠性（丢包不重传）、不保证顺序
3. 面向报文：
   • 保留应用层报文的边界。
   • 应用给多少，UDP 发多少；接收方每次 recv 一个完整的报文
   • 对比 TCP：TCP 是字节流，应用层感知不到报文边界
4. 无速率控制：不进行拥塞控制和流量控制，应用层可以让 UDP 尽可能快地发送

UDP 报文结构#

UDP 头部非常简单，只有 8 字节。

• 源端口号 (Source Port)：16 bits，可选，用于回信
• 目的端口号 (Destination Port)：16 bits，用于分用
• 长度 (Length)：16 bits，UDP 头部 + 数据的总字节数
• 校验和 (Checksum)：16 bits，用于检测报文在传输中是否出错（可选）

Checksum 计算与原理#

• 计算范围：伪头部 (Pseudo-header) + UDP 头部 + 数据
  • 伪头部：取自 IP 头部（源IP、目的IP、协议号、UDP长度），目的是防止 IP 地址错误导致的误投递

• 计算算法
  1. 将内容划分为一系列 16-bit 的整数。
  2. 将所有整数相加。
  3. 回卷：如果相加结果溢出（最高位有进位），将进位加到最低位。
  4. 最后结果取反，填入 Checksum 字段。
• 接收方验证：
  • 对收到的报文段（包含 Checksum）进行相同的求和计算。
  • 如果结果为 全 1 (0xFFFF)，则认为无错；否则丢弃
• 局限性：无法检测出所有错误（如两个 16 位整数同一位置同时翻转）
• 为什么还需要 Checksum？
  • 虽然链路层有检错，但在路由器内存或主机内部传输时仍可能出错，checksum 足以应付这些小概率事件
  • 计算开销小
  • 更高级的差错检验可以由应用层实现

UDP 的实现细节#

• 缓冲区：
  • 发送方：通常无缓冲区。数据组装好头部后直接交给网络层
  • 接收方：有缓冲区。每个 Socket 一个缓冲区，存储来自不同发送方的报文

为什么/何时使用 UDP？#

• 适用场景
  • 流媒体：对延迟敏感，容忍少量丢包（TCP 的重传会导致延迟）。
  • DNS/SNMP：单次请求/响应模式，建立连接的开销占比太大。
  • 广播/多播：TCP 只能点对点。
• 如果在 UDP 上需要可靠性：必须由应用层自己实现（如验证、重传）

总结与对比#