Chapter 3 运输层
3.1 概述transport-layer services
- 运输层协议为运行在不同主机 的应用进程（processes)之间提供逻辑通信（logic communication）。
- 运输层协议是在端系统（end system）中不是在路由器中实现的。
- send side：运输层将从应用process接收到的报文转换成运输层分组，即报文段（segment），传递给网络层，网络层将其封装成网络层分组（datagram)向目的地发送。
- receive side：网络层从datagram中提取运输层报文向上交给运输层，运输层处理接收到的segment，将其中数据为接收应用process使用。
- Internet的两种协议：TCP和UDP。
3.1.1 运输层和网络层的关系
- 网路层提供主机（host）之间的逻辑通信，运输层为运行在不同主机上的进程（process）提供了逻辑通信。
- 由传输协议提供的服务通常受到底层网络层协议的服务模型（延迟或带宽）的限制，一些服务不包括在内，例如。可靠的数据传输服务。
3.1.2 Internet运输层概述
- Internet运输层提供两种截然不同的协议：不可靠、无连接的UDP（User Datagram Protocol）；可靠的、面向连接的TCP(Transmission Control Protocol)。
- Internet网络层协议提供网际协议（Internet Protocol），为主机之间提供通信。
- IP的服务模型是尽力而为交付服务（best-effort delivery service），不确保报文段的交付、按序交付和数据完整性，因此被称为不可靠服务（unreliable service）。
- UDP和TCP最基本的责任是将两个端系统间IP的交付服务扩展为运行在端系统上的两个进程之间的交付服务，称为运输层的多路复用（multiplexing）与多路分解（demultiplexing)。
- 数据交付（data delivery）和差错检查（error checking）是两种最低限度也是UDP仅有的两种服务。
- UDP和TCP都不能提供延迟保证（delay guarantees）和宽带保证（bandwidth guarantees）
3.2 多路复用与多路分解
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多路分解（demultiplexing)：receiver将运输层报文段中数据交付到正确socket。
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多路复用（multiplexing)：sender从不同socket中收集数据块，装上头部信息生成segment，传递到网络层。
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主机接收IP datatgram，每个数据报有source IP address、dest IP address;每个datatgram携带一个segment，每个报文有source port、destination port number；主机使用IP地址和端口号将段定向到适当的套接字。
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port number is a 16-bit number, from 0 to 65535
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0 to 1023: well-known port numbers
(HTTP:80, DNS: 53, IMAP: 143，FTP:20,21,SMTP:25,POP3:110)
1024 to 65535: dynamic and/or Private Ports
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无连接多路复用/分解
- UDP套接字二元组：dest IP address & dest port number。
- UDP报文段有不同source IP address/port number，但是dest IP address和port number相同，则将通过相同的目的socket被定向到相同目的process。
- segment的source port number作为“返回地址”的一部分，即当B需要回发segment给A时，B到A的segment中的dest port即是A到B的报文段中的源端口号。
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面向连接多路复用/分解
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TCPsocket四元组：
a) source IP address
b) source port number
c) dest IP address
d) dest port number
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当一个TCPsegment到达一台主机时，该主机使用全部4个值将segment分解到相应的socket。
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与UDP不同，具有不同source IP address/port number的segment会被定向到不同的socket，除非携带了初始创建连接的请求。
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web server和TCP
- 连接socket与process间并非总是一一对应，高性能web server通常只使用一个process，但是为每个新的客户连接创建一个具有新连接socket的新线程。
- 持续HTTP：client和server之间经由同一个server socket交换HTTP报文。
- 非持续HTTP：对每一对请求/响应都创建新TCP连接随后关闭，即对每一对都创建一个新socket并随后关闭。
3.3 无连接运输：UDP
- 除了复用/分解及少量的差错检测外几乎没有对IP增加别的东西（运输层最低限度必须提供一种复用/分解 服务，以便在网络层与正确应用级process之间传递数据）。
- UDP：在发送segment前，两方的运输层实体间没有握手（无连接）。
- UDP应用：流式多媒体应用（loss tolerant, rate sensitive）、DNS、SNMP（Simple Network Management Protocol)、RIP（(Routing Information Protocol）。
- 为什么UDP适合：
- 没有拥塞控制：适合实时应用
- UDP没有握手，不会引入建立连接的时延
- UDP无连接状态，不维护也不跟踪参数，能支持更多的活跃客户
- 分组首部开销小：TCP头部一般20bytes，UDP头部8bytes
3.3.1 UDP segment
- 头部4个字段，每个2 bytes：source port number、dest port number、length、checksum
- length表示UDP segment中的字节数（包括头部&数据）
3.3.2 UDP checksum
- 先带循环进位累加[最高位溢出右移最低位与最低位相加]，累加结果再求反码) 。
- 发送方的UDP对segment中的所有16bits的和进行反码运算，求和时遇到溢出回卷，得到的结果放在checksum中。
- 接收方将全部的4个bits（包括checksum）加在一起，若没差错则和为1111111111111111，任一为0则出错了。
- 为什么要有checksum：
- 不能保证源和目的之间的所有链路都提供差错检测
- 报文段在某台路由器的内存中也可能引入比特差错
- 提供差错检测作为一种安全措施
- UDP不提供差错恢复，只是丢弃受损segment或者将其交给应用程序并给出warning。
3.4 可靠数据传输原理
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网络中最重要的“前10个”问题排名，可靠数据传输（reliable data transfer protocol）将名列榜首。
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单向数据传输（unidirectional data transfer）：数据传输从发送端到接收端。双向数据传输（bidirectional data transfer）：全双工数据传输
3.4.1 构造rdt
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完全可靠信道的rdt1.0
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有限状态机（Finite-State-Machine，FSM）
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所有分组从sender流向receiver，信道完全可靠则receiver不用提供反馈给sender，因为不用担心出现差错。
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具有比特差错信道的rdt2.0
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肯定确认（positive acknowledgment）与否定确认（negative acknowledgment）：receiver让sender知道哪些内容被正确接收，有误则重传。
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自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）协议：差错检测（error detection）、接收方反馈（feedback）、重传（retransmission）。
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停等协议（stop-and-wait)：当sender处于等待ACK/NAK的状态时，它不能从上层获得更多数据。
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没有考虑ACK或NAK分组受损的可能性。
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ACK/NAK 受损的三种可能性：
- 引入一种新型的sender到receiver的数据包，类似于人类说的“你说了什么？”
- 增加足够的校验和bit，使sender不仅可以检测差错还可以恢复（对于会产生差错但不丢失分组的信道适用）
- sender收到含糊不清的ACK或NAK分组时，只需要重传数据分组（冗余分组—duplicate packet：接收方不知道上次发送的ACK或NAK是否被sender正确收到，无法事先知道接收到的分组是新的还是重传）。
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要点：正确收到ACK则发下个新数据，正确收到NAK则重发老数据，无法确认ACK或NAK（错误数据）则重发老数据，避免漏发。
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sender向每个pkt添加sequence number（序号），为了实现简单的停等协议，需要一个1bit序列号
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