最近看《计算机网络：自顶向下方法》这本书有点入迷了，所以一时起意就想写点东西😋
为了避免一个文章过于冗长，这个博客我分为（上）和（下）两篇来写了
- 上篇 主要讲前置知识和UDP的工作原理
- 下篇 主要讲TCP的工作原理
前言
应用层的进程想要通信，但应用进程本身不关心「字节是怎么从这台机器爬到那台机器」的。 它只想要一个东西：一条从我的进程到对方进程的、看起来可靠的管道
这就是运输层干的活
相关词条
- 网络层
- IP：Internet Protocol，网际协议
它既是一种传输协议，也是定位协议
- IP：Internet Protocol，网际协议
- 传输层
- TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议
- UDP：User Datagram Protocol，用户数据报协议
- MSS：Maximum Segment Size，最大报文段长度
- MTU：Maximum Transmission Unit，最大传输单元
一、运输层干活位置
如下表格所示
| 网络层（IP协议） | 运输层（TCP/UDP协议） | |
|---|---|---|
| 通信对象 | 主机 ↔ 主机 | 进程 ↔ 进程 |
| 通信实现 | 路由器 + 端系统 | 只在端系统 |
| 地址 | IP 地址 | IP 地址 + 端口号 |
| 服务 | 尽最大努力交付 | 可以可靠，也可以不可靠 |
在数据传输过程中，是存在以下事实的：
路由器只处理到网络层为止
运输层的全部逻辑，都跑在端系统的操作系统内核里网络层的服务是不可靠的
IP协议不保证交付、不保证顺序、 不保证不重复，只保证把数据尽最大努力发送到接收方
所以，运输层就是要在一个不可靠的基础（IP协议）之上，建立一个足够可靠的数据传输方式，保证数据的准确地 收 和 发
这里打一个比方就可以知道它们身份：
- 网络层像邮政系统，负责把信件从一栋楼送到另一栋楼（一个IP到另一个IP）；
- 运输层像楼里的收发室，负责把信件交给指定楼号（端口）的那个人（进程）
所以，即使数据在网络中的传输并不可靠，但是通过运输层协议，我们仍然可以做到收到正确的消息（比如TCP协议，就相当于收到信件的时候就检查信件内容）
二、前置知识：端口与多路分解、多路复用
2.1 端口号
先来知道一个重要的概念：端口号
IP协议确定了一个主机在互联网的位置（即所谓的IP地址），但是，一个主机上面（比如你现在的电脑）跑着许多程序（这就是所谓的进程），如何区分这些进程就是一个问题——端口号就是解决这个问题的
可以这样理解：IP地址相当于一个大楼，端口号就是不同房间，房间里面跑着不同进程
下面是计算机里面端口的类别：
| 范围 | 名称 | 用途 |
|---|---|---|
| 0 ~ 1023 | 周知端口 | 分配给标准服务的，比如 HTTP 80、HTTPS 443 |
| 1024 ~ 49151 | 注册端口 | 给普通应用程序注册使用，比如r.Run(:8081)注册8081端口 |
| 49152 ~ 65535 | 动态/私有端口 | 客户端临时分配，由操作系统分配 |
2.2 多路复用与多路分解
多路复用和多路分解就是以下意思：
在一次单向传输过程中
- 多路复用：发送方主机上多个进程的数据，从各自的套接字收集起来 → 加上运输层首部（含端口号）→ 交给网络层发出去
- 多路分解：接收方的网络层收上来一个数据报 → 运输层看首部里的信息 → 交给正确的套接字
说白了就是：
发送方 把主机的多个进程的数据 多路复用 成一条流
接收方 把这条流 多路分解 到主机的多个进程
而 TCP 和 UDP 的区别，就体现在多路分解
2.3 TCP 和 UDP 本质的差别：多路分解
UDP 是无连接分解：只看目的 IP + 目的端口号这两个字段
意思是：只要两个 UDP 数据报的目的 IP 和目的端口相同，它们就是同一个连接，交给同一个套接字，哪怕来源完全不同
TCP 是面向连接分解，TCP决定于四元组：
源 IP, 源端口号, 目的 IP, 目的端口号
四元组中但凡一个不同，就是不同的连接、不同的套接字 —— 这也是为什么，一个服务器（比如就一个80端口）可以同时和许多客户建立连接的原因
三、UDP：扔就对了
3.1 报文段结构
我们先来看看 UDP 的报文结构
UDP 的首部只有 8 字节，是运输层里最简单的东西：
各字段的含义：
- 源端口号：需要对方回信时用（不需要回信时可以填 0）；
- 目的端口号：多路分解要用到的；
- 长度：首部 + 数据的总字节数，不包括伪首部，最小为 8（这种情况就是只有首部，没有数据）；
- 校验和：用于差错检测（这个地方很神奇）
3.2 校验和
校验和是UDP里面一个很重要的检测错误机制（TCP 的校验和核心计算算法与此完全一致，但在细节上有差异），它的计算方法挺有趣的
3.2.1 计算步骤
先要知道，UDP报文在实际传输上就是一串长长的二进制数据，在计算的时候，会把这些二进制按照 16位/个 切割成一个个数字段用来计算校验和
具体过程如下：
将UDP整个报文（包括数据部） 和 IP伪首部 结合
IP 伪首部（pseudo-header） 总长：12 字节
字段名称 长度 说明 / 取值 源 IP 4B 发送方的 IP 地址 目的 IP 4B 接收方的 IP 地址 保留字段 1B 全部填入 0协议号 1B UDP 为 17，TCP 为6UDP 长度 2B UDP 报文的总长度（首部 + 数据） 总计 12B 目的：让 UDP 能顺带检查「数据是不是被送到了错误的 IP 地址」。
将整个结合体按照 16位/个 切割成一个个数字段
这里注意一下：如果最后一段不足16位，那么就会在后面全部临时填入0以凑成16位的数字段（不会随报文发出去的，这个只是用来凑数的）
对全部数字段进行 回卷求和 后，再 反码运算 得到校验和
3.2.2 计算示例
举个例子。假设有一个UDP报文切割后，有三个 16 位字：
0110 0110 0110 0110
0101 0101 0101 0101
1000 1111 0000 1100
前两个相加：
0110 0110 0110 0110
+ 0101 0101 0101 0101
--------------------------
= 1011 1011 1011 1011
再加第三个：
1011 1011 1011 1011
+ 1000 1111 0000 1100
--------------------------
= 1 0100 1010 1100 0111
这里可以看到，最高位溢出了一个 1，把它回卷到最低位（就是把这个 1加到最低位） —— 这就是 回卷求和
0100 1010 1100 0111
+ 1
--------------------------
= 0100 1010 1100 1000
最后取反码，得到校验和 —— 反码运算
0100 1010 1100 1000 ← 和
1011 0101 0011 0111 ← 这就是我们要的校验和（逐位取反）
然后，发送方就可以把这个校验和填入UDP报文的校验和首部里面
而对于接收方，把收到的所有16位字段（包括校验和本身）一起加起来，就可以验证数据有没有出现差错：
如果结果每一位都是 1，就说明没出差错
当然这里也有一个特殊情况：
如果算出来的校验和正好是
0000 0000，就要发送1111 1111。因为全 0 在 UDP 里 表示「发送方没有计算校验和」，不能拿来当校验和用
3.3 UDP的错误处理
虽然说UDP有一个校验和，可以进行错误检测，但是UDP 的校验和是「尽力而为」的：
由于反码求和的进位特性，可能出现错误被掩盖的情况（比如两个 16 位字各自有一位翻转，和可能不变），也不做任何纠正
当发现数据出错的时候，UDP 的处理方式通常是 直接把报文段丢掉，不重传、不通知 —— 这也是为什么说，UDP传输并不可靠
3.4 UDP的优点
UDP当然也有自己的优点（虽然说它扔给网络一个消息就不管了）
- 不需要建立连接：不用像 TCP 三次握手，避免了 RTT 的损耗
- 没有连接状态：一个支持 TCP 的服务器需要维护连接状态，上限受限于内核状态表；而 UDP 服务器没有连接状态，能扛的客户端数量高得多
- 首部开销小：UDP 的首部仅 8 字节，而 TCP 的首部至少 20 字节（最大 60 字节）
- 应用层控制精细：UDP 发出去就是一个报文段，什么时候发、发多大，完全由应用本身决定（而 TCP 拥有拥塞控制和流量控制机制）
- 支持多播和广播：TCP 只能一对一通信，而 UDP 天然支持一对多（多播）和一对所有（广播），这在局域网服务发现、IPTV、在线直播中非常关键
这在实际上有着许多具体应用：如视频通话、联机游戏、DNS（域名系统）、QUIC（快速UDP网络连接）等
宁可容忍小差错，也绝不接受高延迟
注意：说「UDP 不可靠」指的是运输层不替你做可靠性保证，不等于应用层不能自己做。QUIC 就是在 UDP 之上自己实现了可靠传输 + 拥塞控制
四、UDP的传输过程
现在我们来看一下UDP的传输过程
一次传输可以拆成两半：发送方一路向下封装，接收方一路向上拆封
发送方：向下封装
- 应用层 准备好数据（比如一个 HTTP 请求报文），调用套接字接口交给传输层
如果这台主机上还有别的进程也要发数据，它们的数据会在这里汇到一起——这就是 多路复用 - 传输层 的 UDP 协议给这段数据套上 8 字节首部，填好 源端口号 和 目的端口号，它就成了一个 UDP 报文段
- 计算 校验和：把 IP 伪首部 + 整个 UDP 报文 按 16 位切段、回卷求和、结果取反，把结果填进校验和字段
- 传输层把 UDP 报文段向下交给 网络层，IP 协议加上 IP 首部（包含 源 IP、目的 IP），变成 IP 数据报 发出去
接收方：向上拆封
- 网络层 收到 IP 数据报，剥掉 IP 首部，把里面的 UDP 报文段交给 传输层
- 传输层 先验校验和：把 IP 伪首部 + 整个 UDP 报文（含校验和字段本身）按同样方式再加一遍，结果每一位都是 1 就说明没出错
- 出错：直接丢弃，不重传、不通知
- 没错：继续往上走
- 读 目的端口号，把数据交给对应的套接字——这就是 2.2 说的 多路分解
- 应用层 的进程从套接字里读出数据，一次单向传输到此结束
整条链路里，没有任何一个环节会回头看：没有握手、没有确认、没有超时重传 —— 所谓"扔就对了"
而相比于 UDP，TCP的可靠传输机制将复杂得多，这就留给下篇来讲了😋😋
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