计算机网络原理
第三章 第1节-第2节
第三章：传输层
第一节和第二节：引入TCP和UDP协议
网络层:在主机之间提供逻辑的通信 ，传输层：在进程之间提供逻辑的通信依赖于网络层提供的服务，加强了网络层提供的服务
传输层协议在端系统中运行 ，发送端：将应用层报文分割成报文段，交给网络层 ，接收端：重组这些报文段形成报文，交给应用层互联网应用可用的2个传输层协议 TCP，UDP
接下来介绍具体的协议：传输底层的数据结构我觉得不需要学习了，底层实现过于繁琐，我们又不是1900年的原始人，直接看传输对应的协议流程就好：我们分别来看TCP和UDP封装解封装和复用解复用过程
先看TCP：
这是初始状态
看一下最后状态，中间流程就我来讲解吧。图片描述太复杂了
ad：server address，服务器地址 大概是： IP = 1.1.1.1 Port = 80
cad：client address，客户端地址 大概是： IP = 2.2.2.2 Port = 20
welcomeSocket：服务器的监听 socket，只负责等别人来连。connectionSocket：服务器 accept 之后产生新socket专门负责和这个客户端通信。clientSocket：客户端自己的 socket。
首先是准备阶段：
1. 服务器先准备好，服务器执行：
welcomeSocket = socket(...) bind(welcomeSocket, &sad, ...) listen(...)
意思是：服务器创建一个 socket，并绑定到本机地址：
1.1.1.1:80 也就是说，服务器告诉操作系统：
以后凡是发给 1.1.1.1:80 的 TCP 连接请求，都交给我这个 welcomeSocket。
这时候服务器的 socket 表里大概有一项：
socket IP port IP' port'
1111 1.1.1.1 80 空 空
这里的 1111 可以理解成 welcomeSocket 的内部编号。
2. 客户端创建 socket 并连接服务器
客户端执行：
clientSocket = socket(...) connect(clientSocket, &sad, ...)
客户端想连接的是服务器地址：1.1.1.1:80
客户端自己的地址是： 2.2.2.2:20
于是客户端 socket 表里会有一项：
socket IP port IP' port'
2222 2.2.2.2 20 1.1.1.1 80
意思是：
这个 clientSocket 表示从 2.2.2.2:20 到 1.1.1.1:80 的 TCP 连接。
准备阶段完成之后就是下面这个阶段：
之后看之后的流程：客户端应用层调用：
send(clientSocket, data, ...) 应用层只关心“我要发 data”。但是 TCP/IP 协议栈会一层层加头部。
封装过程大概是：应用层数据--TCP 加 TCP 首部--IP 加 IP 首部--链路层加帧首部/尾部--发送到网络
TCP 首部里最重要的是：
源端口 = 20 目的端口 = 80
IP 首部里最重要的是：
源 IP = 2.2.2.2 目的 IP = 1.1.1.1
所以发出去的报文逻辑上像这样：
IP头部： 源IP = 2.2.2.2 目的IP = 1.1.1.1
TCP头部： 源端口 = 20 目的端口 = 80
数据： request
这就是 TCP 封装：TCP 把应用层数据包起来，加上 TCP 首部，说明“从哪个端口来，要到哪个端口去”。
3 服务器收到后：IP 解封装 + TCP 解复用
服务器收到网络包后，先经过 IP 层。
IP 层看：目的 IP = 1.1.1.1
发现这是发给本机的，于是去掉 IP 头部，把里面的 TCP 段交给 TCP 层。
这一步叫 IP 解封装。
然后 TCP 层看 TCP 头部：
源端口 = 20 目的端口 = 80 同时结合 IP 信息：
源 IP = 2.2.2.2 目的 IP = 1.1.1.1
TCP 会用这四个值来判断应该交给哪个 socket：
源 IP 源端口 目的 IP 目的端口
也就是四元组：
2.2.2.2:20 -> 1.1.1.1:80
这就是 TCP 解复用：同一台机器上可能有很多 TCP socket，TCP 要根据报文头部，把数据交给正确的 socket。
4. accept 产生 connectionSocket（TCP独有建立连接）
一开始服务器只有：welcomeSocket = 1.1.1.1:80
它负责监听。当客户端连接过来后，服务器执行：
connectionSocket = accept(welcomeSocket, &cad, ...)
这时操作系统新建一个 socket，专门服务这个客户端：
connectionSocket:本地地址 = 1.1.1.1:80
对方地址 = 2.2.2.2:20
服务器 socket 表变成类似：
socket IP port IP' port'
1111 1.1.1.1 80 空 空
3333 1.1.1.1 80 2.2.2.2 20
1111 是 welcomeSocket，继续监听新的连接。3333 是 connectionSocket，负责和当前客户端通信。
这个设计很重要：一个服务器端口 80 可以同时服务很多客户端。
比如：
1.1.1.1:80 <-> 2.2.2.2:20
1.1.1.1:80 <-> 3.3.3.3:30
虽然服务器端口都是 80，但对方 IP/端口不同，所以 TCP 能区分。
这样就算建立了连接，服务端已经有一个表对应存放源IP和源端口以及目的IP和端口的映射
5. 服务器读请求：TCP 解封装
服务器应用程序调用：read(connectionSocket, buffer, ...)
这里读到的不是 IP 头部，也不是 TCP 头部，而是纯应用层数据。
也就是说，收到报文后：
链路层去掉帧头/帧尾--IP 层去掉 IP 头--TCP 层去掉 TCP 头--把应用数据交给 connectionSocket这叫 解封装。
应用程序最终只看到：request不会看到：
源 IP 目的 IP 源端口 目的端口
序号 确认号 校验和
这些都由操作系统的 TCP/IP 协议栈处理。
6. 服务器回复客户端：再次封装
服务器执行：write(connectionSocket, reply, ...)
TCP 根据 connectionSocket 里面保存的连接信息知道：
本地 = 1.1.1.1:80
对方 = 2.2.2.2:20
所以服务器发回去的报文是：
IP头部： 源IP = 1.1.1.1 目的IP = 2.2.2.2
TCP头部： 源端口 = 80 目的端口 = 20
数据： reply
到客户端后，客户端 TCP 层根据四元组找到 clientSocket，把TCP报文头这些逐步拆掉，最后再把数据交给应用层：read(clientSocket, ...) 完成一次传递。
所以我们看到复用和解复用，解释一下区别
TCP 复用：发送端多个 socket 的数据共用 TCP/IP 协议栈发出去。TCP 解复用：接收端根据四元组，把数据交给正确的 socket。
然后看一下UDP的区别，其中大部分流程差不多，但是主要还是UDP不会有建立连接的过程，也就是说客户端只知道发给谁，服务端只知道有人发给他，不会有TCP的那个表，但是在具体的UDP报文中有源端口，目的端口，网络层有源IP和目的IP
UDP 封装：应用层数据--UDP 加 UDP 首部：源端口、目的端口、长度、校验和
--IP 加 IP 首部：源 IP、目的 IP--发送到网络
UDP 解封装：收到网络包--IP 去掉 IP 首部--UDP 去掉 UDP 首部--把纯应用数据交给 socket
tCP：面向连接，有 welcomeSocket、connectionSocket、accept()
UDP：无连接，通常只有 serverSocket，没有 listen() 和 accept()
解复用区别：TCP：根据四元组解复用 源 IP + 源端口 + 目的 IP + 目的端口
UDP：主要根据目的 IP + 目的端口解复用 通常重点看目的端口
TCP 是面向连接的。连接建立后，操作系统里会维护一个连接状态，核心就是这组信息：
本地 IP 本地端口 对方 IP 对方端口 TCP 状态 序号/确认号等
例如：本地：1.1.1.1:80对方：2.2.2.2:20
所以 TCP 的 connectionSocket 不是简单地“绑定客户端 IP”，而是表示一条完整连接：
1.1.1.1:80 <-> 2.2.2.2:20
也就是双方都确定了。
UDP 服务器通常只有：
serverSocket = socket(...)
bind(serverSocket, &sad, ...)
绑定的是服务器自己的地址：
1.1.1.1:80 UDP 不会提前知道“我要和哪个客户端通信”。它只是说：
只要有人发 UDP 报文到 1.1.1.1:80，我就接收。
UDP socket 固定知道自己的 IP 和端口；
每收到一个报文时，才能从这个报文里知道对方 IP 和对方端口。
UDP 首部里有：源端口 目的端口
IP 首部里有：源 IP 目的 IP
所以完整的 IP 数据报里有：源 IP = 对方 IP 源端口 = 对方端口 目的 IP = 本机 IP 目的端口 = 本机端口
但严格说：UDP 首部本身没有 IP 地址； IP 地址在 IP 首部里。
接收时，操作系统把 IP 首部和 UDP 首部的信息一起拿到，所以能知道发送方是：
2.2.2.2:20服务器收到 UDP 报文时，用：
recvfrom(..., &cad, ...) 这个 cad 就是客户端地址：2.2.2.2:20
如果服务器想回复，就要调用：sendto(..., &cad, ...)
也就是：把刚才 recvfrom 得到的对方 IP 和端口，作为 sendto 的目标地址。
一句话来讲就是：TCP：连接建立后，connectionSocket 记住了对方是谁。
之后 read/write 不需要每次指定对方地址。
UDP：没有连接，serverSocket 只绑定自己的 IP:端口。
每个报文来了，recvfrom 才能告诉这次是谁发来的。
如果要回信，sendto 必须指定目标 IP:端口。
下节我们来看无连接的传输UDP，UDP只有简单的校验机制，并且不会建立连接，遇到错误直接丢包，不保证数据完整，之后再看可靠数据传输的原理，以及TCP中的选择重传机制和GBN是如何解决这些问题的。