运输层作为计算机网络体系结构中的关键层次，位于网络层之上、应用层之下，承担着为运行在不同主机上的应用进程提供端到端逻辑通信服务的重要职责。本章将深入探讨运输层的基本概念、核心协议（TCP与UDP）及其关键技术，以构建对现代网络数据传输机制的全面理解。
一、运输层概述与核心功能
运输层的主要目标是弥补网络层提供的主机间通信服务的不足，为应用层提供可靠、高效的数据传输。其核心功能包括：
- 复用与分用：发送方运输层可将多个应用进程的数据封装后交给网络层（复用），接收方运输层则将接收到的数据正确交付给指定的应用进程（分用）。
- 差错检测：对报文首部和数据进行校验，确保数据完整性。
- 可靠数据传输：通过确认、重传、序号、计时器等机制，在不可靠的IP服务之上实现可靠的数据传输。
- 流量控制与拥塞控制：协调发送方与接收方的处理速度（流量控制），并防止网络因过量数据注入而性能下降（拥塞控制）。
二、运输层两大核心协议：UDP与TCP
1. 用户数据报协议（UDP）
UDP是一种无连接的、不可靠的传输协议。其特点包括：
- 无需建立连接，开销小，延迟低。
- 不保证可靠交付，无拥塞控制。
- 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
- 首部仅8字节，结构简单。
UDP适用于对实时性要求高、可容忍少量丢失的应用，如DNS查询、流媒体、实时视频会议等。
2. 传输控制协议（TCP）
TCP是一种面向连接的、可靠的字节流传输协议。其核心机制包括：
- 连接管理：通过“三次握手”建立连接，通过“四次挥手”释放连接。
- 可靠传输：采用确认应答（ACK）、超时重传、序号与确认序号机制确保数据正确、有序到达。
- 流量控制：通过滑动窗口协议，动态调整发送窗口大小以适应接收方的处理能力。
- 拥塞控制：包含慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复算法，通过拥塞窗口动态探测并适应网络状况。
TCP适用于要求可靠传输的应用，如HTTP、FTP、电子邮件等。
三、关键技术深度解析
1. TCP可靠传输实现细节
TCP将数据视为无结构的字节流，并为每个字节编号。通过累积确认和选择确认（SACK）机制提高效率。其重传策略结合了超时重传（基于RTT动态计算超时时间）与快速重传（收到三个重复ACK即重传丢失报文段）。
2. TCP流量控制与滑动窗口
接收方通过通告窗口（rwnd）字段告知发送方其剩余缓冲区大小。发送窗口取拥塞窗口（cwnd）与通告窗口的最小值，并随着确认的到达向前滑动，实现动态流量控制。
- TCP拥塞控制算法
- 慢启动：cwnd从1个MSS开始，每收到一个ACK加倍增长，直至达到慢启动阈值（ssthresh）。
- 拥塞避免：cwnd线性增加，每RTT增加1个MSS。
- 快重传与快恢复：在检测到丢包时（三个重复ACK），将ssthresh设置为当前cwnd的一半，并直接将cwnd设置为新的ssthresh（或加3），进入拥塞避免阶段，避免降低到慢启动。
四、运输层端口与套接字
端口是运输层寻址的关键，用于标识主机中的特定应用进程。套接字（Socket）则是由IP地址和端口号组成的唯一标识，构成了网络通信的端点。运输层通过端口实现分用，确保数据准确交付。
五、与展望
运输层通过TCP和UDP两大协议，为上层应用提供了灵活多样的通信服务选择。理解运输层的工作原理，特别是TCP的可靠传输、流量控制与拥塞控制机制，对于设计高效、稳定的网络应用至关重要。随着网络技术的发展，如QUIC等基于UDP的新型传输协议正在演进，旨在结合TCP的可靠性与UDP的高效性，以应对现代网络（尤其是移动互联网）的挑战，这标志着运输层技术持续创新的活力。
