传输层¶

面向连接的服务（connection-oriented service）就是按照电话系统建模的
面向无连接的服务（conncetionless service）则是按照邮政系统建模的

交换¶

电路交换¶

电路交换主要用于语音传输，性能更高

所有的电话两两相连是不现实的，而是先通过低速线路连接到电话交换局的电话交换机，然后电话交换局通过高速线路连接到长途局，这些线路和交换机设备组成了一个个子网，最后形成电信网，由电话公司负责管理，而电话本身并不属于子网。

早期使用接线员作为人肉交换机，后来改为了自动交换机，但原理都一样，拨号，然后交换机自动选择一条线路，这条线路被称之为虚电路（VC, Virtual Circuit），虚线路建立后，对方电话铃响，开是通话，只要通话不断，则相应线路会被一直占用

报文交换¶

需要存储全部的报文才会转发，比如以前的电报

存储转发（Store and forward）建模自邮政系统，也类似于物流系统，即信件/货物/信息被发送到中间站，查找转发表继续转发到下一站

分组交换¶

也称数据包交换，或封包交换，不需要建立通道，健壮性更好

报文被分割为一个个分组，每个分组都是一个数据包，由首部和数据两部分组成

路由器存储转发时，不需要等待完整的报文，接收方收到所有数据后再排序组装

UDP¶

UDP 跟 IP一样，传输形式都是包，它只管转发数据，不需要建立连接，并不关心数据是否被送达，所以也不会关心数据被送达的顺序等等，可以一对多。

UDP 可以用在环境简单、需要多播，以及应用层自己控制传输的场景：

DHCP广播获取IP
VXLAN
QUIC（Quick UDP Internet Connections，快速 UDP 互联网连接）（由Google 提出）
实时游戏
很多直播应用，都基于 UDP 实现了自己的视频传输协议，因为基于TCP的直播协议RTMP在延迟较高时卡顿比较严重
IoT物联网通信协议 Thread（由Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group推出）

TCP¶

TCP 在 IP 报文的基础上，增加了诸如重传、确认、有序传输、拥塞控制等能力，通信的双方是在一个确定的上下文中工作的

面向连接：TCP是面向连接的协议，在传输数据之前，需要通过三次握手建立连接，确保发送端和接收端都准备就绪。即只能一对一。
连续字节流：TCP将应用层的数据视为一个连续的字节流，没有明确的边界，分段传输。
双向通信：TCP连接支持全双工通信，允许双方同时发送和接收数据。
流量控制：TCP使用滑动窗口机制来控制发送方发送的数据量，确保不会超出接收方的处理能力。
拥塞控制：TCP通过算法（如慢启动、拥塞避免）动态调整发送速率，以避免网络拥塞。遇到阻塞数据丢失等会重传。
可靠传输
- 数据的完整性：TCP为每个数据段计算校验和，接收方通过校验和验证数据的完整性，若发现错误会请求重传。
- 数据顺序性：TCP使用序列号来标识每个字节的数据位置，接收方根据序列号将收到的数据重新排序，确保数据按顺序到达。

所谓的建立连接，只是逻辑上的概念，本质是指客户端和服务端各自维护一定的数据结构（一种状态机），来记录和维护这个连接的状态。

如果说前三层协议建立了一座桥，则四层的 TCP 只是在桥的两端增加了记录审查人员，它只能努力保障自己这一层传输的可靠性，至于下层的桥是否牢固可靠，跟 TCP 无关。

端口号大小：2Bytes * 8bit = 16bit，所以取值范围为：1 ~ 65535（2^16，0和65536不使用），使用IP+端口号则可以一对一连接。

UDP 头部只有源端口和目的端口，而 TCP 相对比较复杂

- 源/目标端口号，应用程序会监听端口号，通过端口号来区分收/发程序
- 序号，用于重发与控制顺序，保证可靠通信
- 确认序号，为了确认是否丢包
- 窗口大小，流量控制和阻塞控制
- 校验和，用于校验信息是否在传输中出现损失
- 状态标识位，连接维护

三次握手&四次挥手¶

报文

SYN 建立连接
FIN 关闭连接
ACK 响应
PSH 有DATA数据传输
RST 连接重置

建立连接时需要进行三次握手（Three-way Handshake）

确保客户端和服务器接收和发送能力都正常
协商初始序列号，用于后续的数据传输和确认
防止重复连接：确保不是旧的连接请求被误处理

为了防止冲突，起始序号并不能从 1 开始，起始序号要随着时间变化，每 4 微秒 +1，每个连接都要有不同的序号。

四次挥手是TCP连接关闭的过程，确保连接双方都能够正常结束数据传输。

Socket 编程¶

server.py

import socket

def start_server():
    # 创建 socket 对象
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 绑定主机和端口
    host = 'localhost'
    port = 12345
    server_socket.bind((host, port))

    # 监听连接
    server_socket.listen(5)
    print(f"服务器已启动，监听地址：{host}:{port}")

    while True:
        # 等待客户端连接
        print("等待客户端连接...")
        client_socket, addr = server_socket.accept()  # 三次握手在 accept() 调用过程中完成
        print(f"连接地址: {addr}")

        # 接收数据
        data = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')
        print(f"收到数据: {data}")

        # 发送响应
        client_socket.send("Hello, Client".encode('utf-8'))

        # 关闭连接
        client_socket.close()  # 四次挥手在 close() 调用过程中完成
        print("连接关闭")

if __name__ == '__main__':
    start_server()

client.py

import socket

def start_client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 连接服务器
    host = 'localhost'
    port = 12345
    print("尝试连接服务器...")
    client_socket.connect((host, port))  # 三次握手在 connect() 调用过程中完成

    # 发送数据
    message = 'Hello, Server'
    client_socket.send(message.encode('utf-8'))

    # 接收响应
    response = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')
    print(f"服务器响应: {response}")

    # 关闭连接
    client_socket.close()  # 四次挥手在 close() 调用过程中完成
    print("连接关闭")

if __name__ == '__main__':
    start_client()

run

先运行 server 端，然后运行 client 端

客户端发送一个连接请求（SYN包）给服务器，使用的是服务器的IP地址和端口号（即 localhost: 12345），然后随机分配一个临时端口号（如 51191）一起发送给服务器，服务器接收到请求后，使用该临时端口号作为目的端口号发送响应数据包（SYN-ACK包），客户端接收到响应后，确认连接（发送ACK包），完成三次握手，建立TCP连接。

# server端打印
服务器已启动，监听地址：localhost:12345
等待客户端连接...
连接地址: ('127.0.0.1', 51191)
收到数据: Hello, Server
连接关闭

# client端打印
尝试连接服务器...
服务器响应: Hello, Client
连接关闭