1.概述
1.1 传输层的服务和协议
(1)传输层为允许在不同主机(Host)上的
进程提供了一种逻辑通信机制
(2)端系统(如手机、电脑)运行传输层协议
发送方：将来自应用层的消息进行封装并向下提交给 网络层接收方：将接收到的Segment进行组装并向上提交给应用层(3)传输层可以为应用提供多种协议，如UDP、TCP
逻辑通信机制：传输层提供的一种抽象服务，它使得不同主机上的应用程序能够直接进行数据传输，而无需关注底层网络的实现细节
1.2 传输层&网络层关系
网络层：提供主机之间的逻辑通信机制；传输层：提供应用程序之间的逻辑通信机制- 传输层位于网络层之上，依赖于网络层提供的服务，并对网络层服务进行(可能的)增强
1.3 传输层协议
用户数据报协议(UDP)：可靠、按序的交付服务
- 拥塞控制
- 流量控制
- 连接建立
传输控制协议(TCP)：不可靠的交付服务
- 基于
尽力而为的网络层，没有做(可靠性方面的)扩展
两种协议均不保证：
- 延迟
- 带宽
1.4 套接字(Socket)
概念：套接字作为应用层和传输层之间的接口，充当了应用进程与网路协议栈(如TCP/IP协议栈)之间的桥梁
作用：
- 1.提供端点通信：套接字为每个通信进程提供了一个唯一的标识符(IP地址+端口号)，这使得不同主机上的应用进程能够相互识别并进行通信
- 2.封装传输层功能：应用进程通过套接字提供的接口进行数据的发送和接收(send和receive函数)；对于TCP套接字，套接字接口提供了来连接管理的功能(connect、accept、close等函数)
- 3.简化网络编程：套接字将底层网络协议的复杂性进行疯转，应用程序不需要了解TCP/IP协议栈的具体实现细节，只需要调用套结字提供的功能就可以进行网络通信
下面是基于Java中的套接字实现的TCP回显服务器。Java中的Socket是基于操作系统提供的套接字实现的，并进行了进一步的封装
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.*;
/**
* Created with IntelliJ IDEA.
* Description:
* User: 38917
* Date: 2025-03-18
* Time: 17:29
*/
public class TCPEchoSever {
//
private final ServerSocket socket;
//线程池
private final ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4,8,1,
TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<>(1024),Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
//
public TCPEchoSever(int port) throws IOException {
socket = new ServerSocket(port);
}
//启动服务器
protected void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动");
while (true){
//将服务器和客户端连接
//accept()有阻塞效果，等待客户端建立联系
Socket clientSocket = socket.accept();
//每与一个客户端建立连接，都创建一个线程来执行客户端的请求
executor.execute(() -> {
try {
processConnection(clientSocket);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
});
}
}
//
public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
System.out.printf("[%s:%d] 服务器上线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
//inputStream从网卡读数据
try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
//OutputStream往网卡写数据
OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
//从网卡读数据
//byte[] array = new byte[1024];int ret = inputStream.read(array);
PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
while (true){
//读取完毕，当客户端下线的时候产生
//在用户输入之前，hasNext()有阻塞效果
//当客户端断开连接时，scanner.hasNext()返回false并中断循环
if (!scanner.hasNext()){
System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
break;
}
//1.读取请求并解析
//用户传过来的请求必须带有空白符，没有的话就会阻塞
String request = scanner.next();
//2.计算响应
String response = process(request);
//3.返回响应
//outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);//这个方式不方便添加空白符
//通过PrintWriter来封装outputStream
//添加\n
printWriter.println(response);
//刷新缓冲区
printWriter.flush();
//打印日志
System.out.printf("[%s:%d] request:%s,response:%s\n",clientSocket.getInetAddress(),
clientSocket.getPort(),request,response);
}
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}finally {
clientSocket.close();
}
}
//计算响应
protected String process(String request) {
return request;
}
//
public static void main(String[] args) throws IOException {
TCPEchoSever sever = new TCPEchoSever(9090);
sever.start();
}
}
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
/**
* Created with IntelliJ IDEA.
* Description:
* User: 38917
* Date: 2025-03-18
* Time: 17:30
*/
public class TCPEchoClient {
private final Socket socket;
//
public TCPEchoClient(String severIp,int port) throws IOException {
socket = new Socket(severIp,port);
}
//
public void start(){
System.out.println("客户端启动");
try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
//读取控制台
Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);
Scanner scannerNetWork = new Scanner(inputStream);
PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
while (true){
System.out.print("->");
//在用户输入之前，hasNext()有阻塞效果
if (!scannerConsole.hasNext()){
break;
}
//1.从控制台输入请求
String request = scannerConsole.next();
//2.发送请求
//让请求的结尾有\n
printWriter.println(request);
//刷新缓冲区
printWriter.flush();
//3.从服务器读取响应
String response = scannerNetWork.next();
//4.将响应打印到控制台
System.out.println(response);
}
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
//
public static void main(String[] args) throws IOException {
TCPEchoClient client = new TCPEchoClient("127.0.0.1",9090);
client.start();
}
}
2.复用&分用
复用：在发送端，传输层将从不同应用进程接收到的数据合并成一个数据流，然后向下提交给网络层的过程。具体过程如下：
- 1.接收多个应用进程的数据：在一台主机上，可能有多个应用进程同时进行网络通信，例如浏览器、邮件客户端、文件传输等
- 2.分配端口号：每个应用进程都会被分配一个唯一的端口号，用于标识数据来源
- 3.封装数据：传输层将来自不同应用进程的数据分割成适当大小的数据段（Segment），并在每个数据段的头部添加源端口号和目的端口号等信息
- 4.合并数据流：这些数据段被合并成一个数据流，传递给网络层进行进一步传输
分用(解复用)：在接收端，传输层将来自网络层的数据根据端口号分解，并将其正确地向上提交给对应的应用进程的过程。具体过程如下：
- 1.接收数据流：网络层将接收到的数据传递给传输层
- 2.解析端口号：传输层解析每个数据段的头部信息，提取目的端口号
- 3.分配数据：根据目的端口号，传输层将数据段分配给相应的应用进程
3.UDP
3.1 协议格式
Java EE(14)——网络原理——UDP&TCP数据报的结构
3.2 特点解析
1.无连接：UDP的套接字在传输数据之前不需要建立连接，发送端直接键该数据发送给接收端，无需进行三次握手2.不可靠传输：不保证数据的可靠传输，也不提供错误检测和纠正机制，数据达到接收端时可能会丢失、重复或乱序达到，需要应用程序自行处理3.无序传输：不保证数据的顺序，接收端可能会接收乱序的数据，应用程序需要自行排序4.无流量控制：不提供流量控制机制，发送端可以以任意速率发送数据，这可能导致网络拥塞和数据丢失5.无拥塞控制：不会根据网络状况调整发送速率，在网络拥塞时可能会加剧拥塞问题
Question：传输层中已经有了TCP协议，UDP存在的意义是什么？
Answer：
- 1.低延迟：由于没有建立连接和确认应答等机制，UDP的延迟较低
- 2.低开销：UDP头部仅8字节，TCP头部20字节
- 3.简单性：UDP协议远远比TCP协议简单，易于实现和维护
- 4.适合实时应用：适合对实时性要求高、对可靠性要求低的应用，如视频、直播、DNS等
4.TCP
4.1 协议格式
Java EE(14)——网络原理——UDP&TCP数据报的结构