本篇介绍传输层概述与UDP，可靠传输原理与TCP位于 下一节中。

网络层负责主机到主机的交付；传输层在端系统中完成进程到进程的交付。

1. 传输层概述

1.1 简介与功能

传输层协议只在端系统中实现。发送端接收应用进程的数据并交给网络层，接收端再把网络层载荷交给对应进程；中间路由器不处理应用进程的传输层状态。

差错检测不等于可靠交付。校验和不能纠错，也不能处理丢失、重复和失序。

1.2 复用、分用与端口号

复用发生在发送端：传输层接收多个应用进程的数据，添加传输层首部后交给网络层。分用发生在接收端：传输层根据网络层地址和传输层首部字段，把载荷交给匹配的 Socket。

端口号是 16 位无符号数，范围为 0～65535。它是一种传输层协议名字空间中的标识；端口号与 IP 地址共同组成 Socket 地址。

TCP 与 UDP 的端口名字空间相互独立。例如，TCP 端口 53 与 UDP 端口 53 是两个名字空间中的标识，可以分别绑定不同的 Socket。

Socket。 Socket 是应用访问传输层通信端点的内核对象，应用通过文件描述符或运行库句柄操作它。Socket 地址由 IP 地址和端口号组成。TCP 连接由本地与远端的一对 Socket 地址标识，即源 IP、源端口、目的 IP、目的端口组成的四元组；这不表示一个连接等于两个文件描述符。

1.3 差错检测

UDP 与 TCP 使用 16 位 Internet 校验和。它对一组 16 位字执行反码加法，再对结果逐位取反。

发送端按以下顺序计算：

1. 字段置零，附伪首部： 将传输层首部中的校验和字段置为 0，并在计算数据前附加伪首部；
2. 反码求和，进位回卷： 按网络字节序把校验范围切分为 16 位字；总字节数为奇数时，在计算副本末尾补一个全 0 字节；执行反码加法，将每次 16 位加法产生的进位回卷到最低位；
3. 取反码： 对回卷后的 16 位结果逐位取反，将所得校验和写入首部。

最后一步的逐位取反不能省略。校验和启用时，接收端保留收到的校验和，把它与伪首部、传输层首部和数据共同执行反码加法；回卷后的结果应为 0xffff。结果不同表示检出差错，结果相同也不能排除校验和未检出的错误模式。

补充：伪首部

发送端计算校验和时，在 UDP/TCP 报文前逻辑拼接伪首部；接收端根据收到的 IP 数据报重建同一内容。伪首部只参与计算，不属于 UDP/TCP 首部，不随报文发送，并且在内容上也不同于实际发送报文中的 IP 首部。

IPv4 伪首部固定为 12 B：

• 地址： 源 IPv4 地址与目的 IPv4 地址，各 32 位；
• 占位： 8 位全 0 字段；
• 协议号： 8 位 IPv4 协议号：UDP 为 17（0x11），TCP 为 6（0x06）；
• 长度： 16 位传输层长度。等于 TCP/UDP 首部与数据的总长度。

伪首部是对严格层次独立性的妥协：传输层校验显式依赖网络层字段。因为端口号只在给定主机内标识进程，并不能判断数据报是否发给本机，需要再次结合 IP 地址判断。

补充：反码加法

先按普通二进制加法求和，再把超出 16 位的进位加回低 16 位，直至不再产生进位。这里不需要预先对操作数取反；全部字求和并完成回卷后，才对结果逐位取反。

二进制计算示例

空格仅用于按 4 位分组，不属于数值。两个 16 位字的普通二进制和产生了第 17 位进位：

$$\begin{aligned}w_1 &= \mathtt{0b1111\,0000\,1111\,0000},\\w_2 &= \mathtt{0b0011\,0011\,0011\,0011},\\w_1+w_2 &= \mathtt{0b1\,0010\,0100\,0010\,0011}.\end{aligned}$$

将最高位的 1 回卷到低 16 位，再在 16 位范围内逐位取反：

$$\begin{aligned}S &= \mathtt{0b0010\,0100\,0010\,0011}+\mathtt{0b1}\\&= \mathtt{0b0010\,0100\,0010\,0100},\\C &= \sim S=\mathtt{0b1101\,1011\,1101\,1011}.\end{aligned}$$

接收端保留收到的 $C$；将其与数据的反码和相加，结果为 16 位全 1：

$$S+C=\mathtt{0b0010\,0100\,0010\,0100}+\mathtt{0b1101\,1011\,1101\,1011}=\mathtt{0b1111\,1111\,1111\,1111}.$$

2. UDP——无连接的不可靠服务

2.1 基本功能

UDP 向应用提供无连接、不可靠的数据报服务。

2.2 特点

1. 无连接： 发送数据前不执行传输层握手，因此没有传输层建连时延；应用协议仍可定义自己的握手。
2. 不可靠交付： UDP 不保证数据报到达、按序、不重复或在限定时间内到达。校验和启用且检出损坏时，接收端通常丢弃数据报；UDP 不确认也不重传。校验和可能漏检，损坏数据仍有被交付给应用的可能。
3. 通信关系灵活： UDP 可借助 IP 单播、IPv4 广播和 IP 组播支持一对一、一对多与多对多通信；组成员管理和应用语义不属于 UDP。一对多通信将在后续实验中展开。
4. 保留报文边界： 应用一次提交的数据对应一个 UDP 数据报。UDP 不合并多个应用报文，也不把一次应用发送拆成多个 UDP 数据报；下层 IPv4 仍可能对承载它的 IP 数据报分片。
5. 无内建拥塞控制： UDP 不会根据网络拥塞自动降低发送速率。拥塞仍会造成排队、时延和丢包，持续发送的应用应自行实现合适的拥塞控制。

2.3 首部格式

UDP 首部固定为 8 B。

源端口号（2 B）： 与源 IP 共同描述源端点；不需要接收回复时可为 0。

目的端口号（2 B）： 与目的 IP 共同描述目的端点，接收端据此完成分用。

长度（2 B）： UDP 首部与数据的总长度。普通 UDP 数据报最小为 8 B，字段最大可表示 65535 B。

校验和（2 B）： 覆盖伪首部、UDP 首部和数据，计算与验证方法见差错检测。IPv4 中全 0 表示未启用校验和；若计算结果为 0x0000，发送时写为 0xffff。IPv6 除少数专门规定的隧道例外，必须使用有效的 UDP 校验和。