傳輸層的作用
按照OSI參考模型的劃分，傳輸層負責管理兩個節點之間的數據傳輸。更具體的，網絡層能夠根據IP地址，將數據發送到指定的目標主機，而傳輸層則需要將數據發送到更為具體的某一個具體的應用程序。
傳輸層中有兩個非常具有代表性的傳輸層協議，他們分別是TCP和UDP。TCP是面向連接的，負責可靠的通信傳輸，而UDP則是不具有可靠性的，常被用于廣播和細節控制交給應用的通信傳輸。
端口號
數據鏈路和IP中的地址，分別指的是MAC地址和IP地址，前者用來識別同一鏈路中不同的計算機，后者用來識別TCP/IP網絡中互連的主機和路由器。在傳輸層中，也有類似于地址的概念，那就是端口號。端口號用來識別同一臺計算機中進行通信的不同應用程序，因此，它也被稱為程序地址。
- 端口號的作用
一臺計算機上同時運行多個程序，例如瀏覽器，email客戶端，ssh客戶端等程序都可以同時運行，傳輸層正是利用這些端口號識別本機中正在進行通信的應用程序，并準確的將數據傳輸。
根據端口號識別應用
- 如何進行通信識別
TCP/IP中，要識別一個通信，通常要5個要素：源地址IP，目標地址IP，協議號，源端口號，目標端口號，只有這5個信息完全一致，才能識別他們是否為同一個通信。
識別通信
- 端口號如何確定
在實際進行通信時，要事先確定端口號。確定端口號的方法主要有兩種： - 標準既定的端口號：一般0-1023的為知名端口號。
- 時序分配法：服務端有必要監聽端口號，接受服務的客戶端沒有必要確定端口號，這種方法下，客戶端應用程序可以完全不用自己設置端口號，而全權交給操作系統進行分配。操作系統可以為每個應用程序分配互不沖突的端口號。
- 端口號與協議
端口號由其使用的傳輸層協議決定。因此，不同的傳輸協議可以使用相同的端口號。
UDP
UDP不提供復雜的控制機制，利用IP提供面向無連接的通信服務。并且它是將應用程序發來的數據在收到的那一刻，立即按照原樣發送到網絡上的一種機制。因此，UDP不提供擁塞控制，丟包重發，順序控制等功能，但能夠簡單高效的發送數據，通常用于以下幾方面：
- 包總量較少的通信（DNS、SNMP等）
- 視頻、音頻等多媒體通信（即時通信）
- 限定于LAN等特定網絡中的應用通信
- 廣播通信（廣播、多播）
TCP
相對于UDP的面向無連接快速簡單高效，TCP則是一種面向連接的，具備順序控制、重發控制、擁塞管理等機制的可靠的通信傳輸協議。
TCP通過檢驗和、序列號、確認應答、重發控制、連接管理以及窗口控制等機制實現可靠性傳輸。
- 通過序列號與確認應答提高可靠性
在TCP中，當發送端的數據到達接收主機時，接收端主機會返回一個已收到消息的通知。這個消息叫做確認應答（ACK）。另外，為了避免接收重復的數據，TCP中會給每個數據添加序列號，接收端查詢接收數據TCP首部中的序列號和數據的長度，將自己下一步應該接收的序列號作為確認應答返送出去。通過序列號和確認應答，TCP可以實現可靠傳輸。
序列號與確認應答
- 重發超時確定
重發超時是指在重發數據之前，等待確認應答到來的那個特定時間間隔。如果超過這個時間仍未收到確認應答，發送端將進行數據重發。那么，這個重發超時的具體時間長度是如何確定的呢？
TCP中，在每次發包時都會計算往返時間及其偏差。將這個往返時間（報文段的往返時間）和偏差時間相加，重發超時的時間就是比這個總和稍大一點的值。
重發超時的確認
- 連接管理（三次握手和四次握手）
TCP提供面向連接的通信傳輸，連接是指各種設備、線路，或網絡中進行通信的兩個應用程序為了相互傳遞信息而專有的、虛擬的通信線路，也叫虛擬電路。一旦建立了連接，進行通信的應用程序只使用這個虛擬的通信線路發送和接收數據，就可以保障信息的傳輸。建立一個TCP連接需要發送三個包，也稱為三次握手，斷開一個了解需要發送四個包，也稱為四次握手。
TCP的連接與斷開
- TCP以段為單位發送數據
在建立TCP連接的同時，也可以確定發送數據包的單位，我們稱之為“最大消息長度（MSS）”。TCP在傳送大量數據時，是以MSS的大小將數據進行分割傳送。進行重發也是以MSS為單位。
MSS是在三次握手的時候，在兩端主機之間被計算得出的。兩端主機在發出建立連接的請求時，會在TCP首部中寫入MSS選項。告訴對方自己的接口能夠適應的MSS的大小，然后會在兩者之間選擇一個較小的值投入使用。
TCP以段為單位發送數據
- 利用窗口控制提高速度
TCP以段為單位，每發一個段，進行一次確認應答的處理，不過，這種方式下，包的往返時間越長通信性能越低。為了解決這個問題，TCP引入了窗口這個概念。即使在往返時間較長的情況下，它也能夠控制網絡性能的下降。如下圖所示，確認應答不再是以每個分段，而是以更大的單位進行確認時，轉發時間將會被大幅的縮短。也就是說，發送端主機，在發送了一個段以后，不必要一直等待確認應答，而是繼續發送。
窗口大小就是指無需等待確認應答而可以繼續發送數據的最大值。這個機制實現了使用大量的緩沖區，通過對多個段同時進行確認應答的功能。
TCP窗口
- 窗口控制與重發機制
在使用窗口控制中，如果出線段丟失該怎么辦？考慮兩種情況： - 數據已經到達對端，但是，確認應答未能返回，這種情況下，是不需要進行重發的，在未使用窗口控制的情況下，沒有收到確認應答的數據也是會被重發，而使用了窗口控制以后，某些確認應答即便丟失也無需重發。
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- 某個報文段丟失了，如下圖所示，當1001~2000的報文段丟失以后，發送端會一直收到序號為1001的確認應答，而發送端主機如果連續3次收到同一個確認應答，就會將其所對應的數據進行重發。這種機制比之前的超時管理更加高效，因此被稱為高速重發機制。
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- 流控制
TCP提供了一種機制，可以讓發送端根據接收端的實際接收能力控制發送的數據量，這就是流控制。他的具體操作是，接收端主機向發送端主機通知自己可以接收數據的大小，發送端發送不超過這個限度的數據，該大小限度就是窗口大小。TCP首部中，專門有一個字段用來通知窗口大小。
流控制
- 擁塞控制
有了TCP的窗口控制，收發主機之間能夠連續的發送大量數據包，然而，如果在通信剛開始是就發送大量數據，也可能會引發其他問題。
計算機網絡處于一個共享環境，因此，可能會因為其他主機之間的通信使得網絡擁堵。在網絡擁堵時，如果突然發送大量的數據，極有可能會導致整個網絡的癱瘓。TCP為了防止該問題的出現，在通信一開始就會通過一個叫做慢啟動的算法得出的數值，對發送數據量進行控制。
為了在發送端調節所要發送數據的量，定義了一個叫做“擁塞窗口”的概念。再慢啟動的時候，將這個擁塞窗口的大小設置為1個數據段（1MSS）發送數據，之后每一次收到一次確認應答（ACK），擁塞窗口的值就加1.在發送數據包時，將擁塞窗口的大小和接收端主機通知的窗口大小做比較，然后按照他們當匯總較小的那個值，發送比其還要小的數據量。
擁塞控制
TCP和UDP首部的格式
- UDP首部的格式
UDP首部格式
如圖所示：UDP首部由源端口號，目標端口，包長和校驗組成。
- TCP首部的格式
TCP首部格式
TCP首部主要包括源端口號，目標端口號，序列號，確認應答號，數據偏移，控制位，窗口大小，校驗和等字段組成，但沒有表示包長度和數據長度的字段。可由IP層獲知TCP的包長，由TCP的包長可知數據的長度。
