计算机网络二 ---- 应用层

1. 运输层通信

我们知道，网络层的通信虽然通过IP协议能把分组送到目的主机，但这个分组还停留在主机的网络层而没有交付主机中的应用进程。而我们平时上网真正需要通信的是应用进程相互通信，而从运输层的角度看也是如此，端对端的通信是主机中进程之间的通信。

简而言之，网络层为主机之间提供逻辑通信，而运输层为应用进程之间提供端对端的逻辑通信。

而主机中会有很多个应用进程，怎么才能区分每个应用进程？这就需要在运输层使用协议端口号，通常简称为端口。

TCP/IP 的运输层用一个 16 位端口号来标志一个端口（端口号只具有本地意义，而且很多情况个自行修改）。16 位的端口号可允许有 65535 个不同的端口号，这个数目对于一台计算机来说是足够用的。

由此可见，两个计算机中的进程要互相通信，不仅需要知道对方的 IP 地址，还要知道对方端口号（为了找到指定计算机中的指定进程）。

运输层要完成通信还需要依靠协议， TCP/IP 运输层的两个主要协议都是互联网的正式标准即：

（1）用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)

（2）传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)

2. 用户数据报协议 UDP

2.1 UDP 概述

用户数据报协议 UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。

UDP 的主要特点是：

1. UDP 是无连接的。即发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
2. UDP 使用尽最大努力交付。即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。（但也不保证数据的完整性，可能导致数据丢失。）
3. UDP 是面向报文的。即对应用层交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。对应用层交下来的报文既不合并也不拆分，而是保留这些报文的边界。接收时也只是取出首部后就向上交付，也就是说 UDP 一次交付一个完整的报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。否则太大或太小，都会降低 IP 层的效率。
4. UDP 没有拥塞控制。因此网络出现的拥塞不会影响源主机的发送速率。
5. UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
6. UDP 的首部开销小。只有 8 个字节，比 TCP 的 20 个字节的首部要短。

2.2 UDP 的首部格式

用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段很简单，只有 8 个字节，由四个字段组成，每个字段长度都是 2 个字节。各字段意义如下：

1. 源端口：源端口号。在需要对方回信时选用。不需要时可用全0。
2. 目的端口：目的端口号。这在终点交付报文时必须要使用到。
3. 长度： UDP用户数据报的长度，其最小值是8（仅有首部）。
4. 校验和：检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。

当运输层从 IP 层收到 UDP 数据报时，就根据首部中的目的端口，把 UDP 数据报通过相应端口上交应用进程。

如果接收方 UDP 发现收到的报文中的目的端口号不正确，就丢弃该报文，并由网际控制报文协议 ICMP 发送 “端口不可达” 差错报文给发送方。

【伪首部】

UDP 的数据报格式中，在数据报首部前面增加源 IP 地址、目的 IP 地址、IP 分组的协议字段、TCP 或 UDP 数据报的总长度等共12字节，所构成的扩展首部结构。此伪首部是一个临时的结构，它既不向上也不向下传递，仅仅只是为了保证可以校验套接字的正确性。

3. 传输控制协议 TCP

TCP 协议比较复杂，重点包括可靠传输、流量控制和拥塞控制等。

TCP 的主要特点是：

1. TCP 是面向连接的运输层协议。就是说，应用程序在使用 TCP 协议之前，必须先建立TCP 连接。传输完毕后，必须释放 TCP连接。
2. 每一条 TCP 连接只能有两个端点，每一条 TCP 连接只能是点对点的(也就是一对一)。
3. TCP 提供可靠交付的服务。无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。
4. TCP 提供全双工通信。TCP 允许通信双方的应用在任何时候都能发送数据。
5. 面向字节流。