运输层核心概念
运输层位于网络体系结构的第四层，为运行在不同主机上的应用进程之间提供逻辑通信服务。与网络层（主机到主机）不同，运输层是进程到进程的通信。
一、运输层协议
1. UDP（用户数据报协议）
特点：无连接、不可靠、尽最大努力交付、面向报文、无拥塞控制。
首部格式：8字节，包含源端口、目的端口、长度、校验和。
* 适用场景：DNS查询、音视频流媒体、实时游戏等对实时性要求高、允许少量丢包的应用。
2. TCP（传输控制协议）
特点：面向连接、可靠交付、全双工通信、面向字节流、提供流量控制和拥塞控制。
核心机制：
* 可靠传输：通过序号、确认、重传（超时重传、快速重传）实现。
- 流量控制：通过滑动窗口机制，接收方通过通告窗口大小（rwnd）控制发送方速率，防止接收缓冲区溢出。
- 拥塞控制：通过拥塞窗口（cwnd）动态调整发送速率。核心算法包括：
- 慢启动：cwnd从1开始，每收到一个ACK，cwnd指数增长（翻倍）。
- 拥塞避免：当cwnd达到慢启动阈值（ssthresh）后，每RTT线性增加1。
- 快重传：收到3个重复ACK时，立即重传丢失报文，并执行快恢复。
- 快恢复：将ssthresh设为当前cwnd的一半，cwnd设为新的ssthresh，直接进入拥塞避免阶段。
- 连接管理：三次握手（建立连接）、四次挥手（释放连接）。重点理解状态变迁（如SYNSENT, ESTABLISHED, TIMEWAIT等）。
二、端口与套接字
- 端口号：16位整数，标识主机上的应用进程。熟知端口（0-1023）、注册端口（1024-49151）、动态/私有端口（49152-65535）。
- 套接字（Socket）：IP地址 + 端口号，唯一标识网络中的一个通信端点。是网络编程的基石。
网络与信息安全软件开发要点
在运输层基础上进行安全软件开发，需重点关注以下几点：
1. Socket编程基础
TCP Socket流程：
服务器：创建Socket -> 绑定(Bind)端口 -> 监听(Listen) -> 接受(Accept)连接 -> 读写(Read/Write)数据 -> 关闭(Close)。
- 客户端：创建Socket -> 连接(Connect)服务器 -> 读写数据 -> 关闭连接。
- UDP Socket流程：无需连接，直接使用发送(Sendto)和接收(Recvfrom)函数。
2. 常见安全威胁与防护（运输层视角）
流量分析与窃听：传输数据明文可能被截获。
对策：使用TLS/SSL（工作在应用层与运输层之间）对TCP连接进行加密，如HTTPS。
- 连接劫持与欺骗：攻击者伪造TCP序列号或IP地址，劫持或伪造会话。
- 对策：使用更强的初始序列号生成算法；部署IPSec（网络层安全）；使用TLS进行身份认证。
- 拒绝服务攻击（DoS/DDoS）：
- SYN Flood：利用TCP三次握手，发送大量SYN报文耗尽服务器资源。
- 对策：SYN Cookie、增加半连接队列大小、防火墙过滤。
- UDP Flood：向目标发送大量UDP包，消耗带宽和处理资源。
- 对策：流量清洗、限制UDP服务速率。
- 缓冲区溢出：发送超长数据，覆盖程序内存，可能执行恶意代码。
- 对策：编程时严格检查输入长度；使用安全的字符串函数；启用栈保护技术（如Canary）。
3. 安全软件开发实践原则
最小权限原则：网络服务进程不应以root/管理员权限运行。
输入验证与净化：对所有来自网络的数据（端口号、报文内容、长度等）进行严格校验和过滤。
防御性编程：假设网络环境不可信，处理所有可能的异常和错误状态（如连接意外中断、畸形报文）。
使用成熟的安全库：如OpenSSL（用于TLS），避免自己实现复杂的密码学算法。
* 日志与审计：记录关键事件（连接建立、失败认证、异常请求），便于事后分析和入侵检测。
复习与联系
运输层（特别是TCP）的可靠、有序、流量控制机制，为上层应用（如HTTP、FTP、邮件协议）提供了稳定的数据管道。而网络信息安全软件开发，正是要在这个管道上构筑防线，解决传输过程中的窃听、篡改、拒绝服务等安全问题。理解TCP/UDP的细节，是分析和防御网络攻击、编写健壮网络程序的基础。在期末考题中，可能会结合TCP状态图分析连接过程、计算拥塞窗口变化、或指出给定Socket代码片段的安全隐患。务必通过图示理解TCP机制，并通过简单代码实例加深对Socket API和安全要点的认识。
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本笔记整合了运输层核心协议原理与网络编程安全基础，旨在为期末复习提供结构化重点。请结合教材、课件和实验进行深化理解。
