运输层是计算机网络体系结构中的关键一层，位于网络层之上、应用层之下，它利用网络层提供的服务，为运行在不同主机上的应用进程之间提供逻辑通信功能。如果说网络层实现了主机到主机的通信，那么运输层则实现了应用进程到应用进程的通信，是整个协议栈的核心枢纽。
一、运输层的核心功能与服务
运输层的主要职责是弥补网络层服务（如IP服务）的不足，向上层（应用层）提供更高质量、更可靠或更灵活的通信服务。其核心功能包括：
- 复用与分用：发送方多个应用进程可使用同一个运输层协议发送数据（复用），接收方运输层则将收到的数据正确交付给指定的应用进程（分用）。
- 可靠数据传输：通过确认、重传、序号、定时器等机制，确保数据能无差错、不丢失、不重复且按序地交付给接收进程。这是面向连接服务（如TCP）的核心。
- 流量控制：接收方通过反馈机制控制发送方的发送速率，防止因发送过快导致接收缓冲区溢出。
- 拥塞控制：感知网络整体的拥塞状况，动态调整发送速率，避免因过多数据注入网络导致路由器缓存溢出和性能急剧下降，这是TCP的另一个核心机制。
二、运输层的关键协议：TCP与UDP
运输层主要提供两种截然不同的协议，以满足不同应用的需求。
- 传输控制协议（TCP）
- 特点：面向连接、可靠、基于字节流的全双工通信协议。
- 工作机制：通信前需经过“三次握手”建立连接；通过滑动窗口协议综合实现可靠传输、流量控制和拥塞控制；通信结束后通过“四次挥手”释放连接。
- 应用场景：对数据准确性要求高、但能容忍一定延迟的应用，如Web浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP/POP3）。
- 用户数据报协议（UDP）
- 特点：无连接、不可靠、基于数据报的通信协议。
- 工作机制：发送数据前无需建立连接，只是简单地将应用层报文封装后交给网络层，不保证交付、不保证顺序、不进行流量和拥塞控制。
- 优点：开销小、延迟低、速度快、无连接状态管理。
- 应用场景：对实时性要求高、能容忍少量数据丢失的应用，如音视频流媒体、实时游戏、DNS查询、SNMP等。
三、运输层寻址：端口
运输层使用端口号来标识主机上的应用进程。端口是一个16位的逻辑地址，范围是0~65535。
熟知端口：0~1023，分配给最重要的应用协议，如HTTP(80)、FTP(21)。
注册端口：1024~49151，供用户程序注册使用。
* 动态/私有端口：49152~65535，供客户端进程临时使用。
一个完整的网络通信端点由IP地址（标识主机） 和端口号（标识进程） 共同构成，即套接字（Socket）。
四、TCP的核心机制详解
- 可靠传输机制：基于自动重传请求（ARQ） 协议，通过确认（ACK）、超时重传和序号来保证每个字节都能正确到达。
- 流量控制：通过接收方在ACK中通告的接收窗口（rwnd） 大小，动态调整发送窗口，使发送速率与接收方的处理能力匹配。
- 拥塞控制：通过感知网络拥塞（如超时或重复ACK），动态调整拥塞窗口（cwnd）。核心算法包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复，目标是“探测”并稳定在网络的可用带宽附近。
五、运输层技术发展趋势
随着网络应用的发展，运输层技术也在不断演进，例如：
- QUIC协议：由Google提出，基于UDP，旨在减少连接建立延迟，并提供类似TCP的可靠性和安全性，已被HTTP/3采用。
- 对数据中心网络和高速长距离网络的传输协议优化。
- 适应物联网（IoT） 和5G网络低功耗、海量连接需求的轻量级传输协议。
结语
运输层是承上启下的一层，它屏蔽了底层网络的复杂性和不可靠性，为上层应用提供了稳定、高效或灵活的数据传输服务。深入理解TCP和UDP的原理与机制，是设计、开发和优化网络应用，以及进行网络故障诊断与性能调优的基础。掌握运输层，就掌握了网络通信的“对话艺术”。
