计算机网络笔记第四章传输层

四、传输层

1.传输层服务

1.服务和协议

服务和协议的目的是让不同主机之间应用进程之间的逻辑通信。

传输协议：TCP、UDP（运行于终端系统），可能使用多个协议。

发送端：应用层报文划分成分段（分解），向下交互给网络层

接收端：重组成报文，向上交付给应用层。

2.通信

运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。

边缘部分主机使用核心部分时，只会用到TCP/IP下三层。

运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信。

进程之间的通信：端到端的通信

传输层可以将一些信息组合到一块，发送方（复用），接收方（分用）

IP：主机接口到接口之间通信

传输层：端口到端口

传输层还要实现差错检测

3.TCP、UDP

协议：面向连接的TCP（传输控制协议），面向无连接的UDP（用户数据报协议）

TCP：可靠的、按序的交付（先发先到）、拥塞控制、流控制、连接的建立和拆除，对收到的报文进行确认（增加通信开销），三次握手（发送请求，回复应答，建立），让协议数据单元首部增加很多，全双工信道

UDP：不可靠、失序、不提供额外服务的拓展，收到报文不需要确认，某些情况更有效。

不提供：时延的保证，带宽的保证

TPDU传输协议数据单元：对等实体传输的最小单元，TCP报文段、UDP报文（或用户数据报）

4.端口

进程是通过进程标识符标志（统一方法）。

使用协议端口号（端口port），只需要把报文交给目的主机的合适的端口就行，然后交给TCP

在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口。

路由器或交换机上的端口是硬件端口（接口）。

端口使用16位端口号进行标志，但是端口号只具有本地意义（不同计算机端口号之间没有关系）

三类端口：

a.熟知端口（0~1023）：HTTP（80）、FTP（21）端口固定

b.登记端口（1024~49151）：必须在IANA登记，避免重复

c.客户端口（短暂端口）（49152~65535）：结束后可以供他人使用

5.TCP连接

TCP连接的端点不是主机也不是应用进程也不是传输层的协议端口。

连接的端口叫套接字socket（插口），实际上就是端口号拼接到IP地址后

一条TCP连接对应两个套接字

2.复用Multiplexing和分解demultiplexing

主机通过源端口号和目的端口号 直接分配端口，数据部分就是应用层的报文部分

1.UDP套接字

传输层自动为UDP分配端口号，生成具有端口号的套接字，通过二元组（源端口号，目的端口号）标识。

目的主机收到UDP分段，检查目的端口号，直接定向送给端口号对应的socket。

DatagramSocket mySocket1        
		= new DatagramSocket(12534);

不同源IP和源端口有可能被定向到同样的端口上。（目的位置可能一样）

源地址：方便返回

2.面向连接的分解（TCP）

4元组（源IP、源端口号、目的IP、目的端口号）

接收方通过4元组定向到适当的socket。

服务器主机Server host支持并行的套接字（都由4元组进行标识）。

Web服务器有不同的套接字（为客户提供的）

非持久的HTTP可以为每一个请求提供单独的套接字来区分

多线程Web服务器：

中间的一个进程对应3（多）个套接字，为每一个新的客户创建套接字，是一个轻量级的子线程。

3.UDP

UDP分段可能丢失，说不准谁先到

面向无连接（发送端和接收端没有握手handshaking（建立连接）），每个UDP分段是单独处理的。

用于流媒体（可容忍报文丢失、速率敏感）

应用：DNS、SNMP

实际上可以实现可靠数据传输（应用层可靠性方案限制：特定的确认重传机制、差错恢复机制）

格式：

发送方UDP：添加收到报文的首部8字节，然后向下交付，不做处理。

接收方：网络层拿到UDP,直接去掉报头，向上一次性交付完整报文

所以应用层要给传输层发送合适大小报文

首部格式：

伪首部是计算校验和的临时内容，其他层都不会收到

UDP分用：

2.UDP校验和

找到传输分段里的错误

发送方：分段看成16bit的整数序列，计算反码和，结果放到字段中。

接收方：重新计算校验和，进行比较，相等就认为没错。

例子：

特殊情况：

最高位进位加到最后一位上

4.TCP特点

面向连接的传输层协议，只能有两个端点（点对点），可靠交付的服务，面向字节流

面向流：

TCP连接是虚拟连接，对于TCP选择多少字节进行发送根据接收端性能，接收方给出窗口值（接收能力），UDP是应用进程限制大小，TCP可以将数据块分成短一点的或积累到足够字节再发送

TCP连接的是套接字

5.rdt

rdt协议：可靠数据传输协议

发送方调用的函数rdt_send：调用数据传输协议，交给接收方的应用进程

udt_send传输端报文发送到不可靠信道中传输给接收方

rdt_rcv:数据报到通道接收端

deliver_data:rdt将数据传送到上层（应用层）

使用FSM有限状态机描述发送、接收方状态（下一个状态由下一个事件确定）

rdt1.0：没有比特翻转、丢包。

rdt2.0:可能比特翻转。

底层信道可能导致比特翻转，通过校验和检测比特错误。

错误的恢复：ACK肯定确认：发送方发送后，接收方要明确告诉发送方一致、NAK否定确认：收到出错

收到ACK后就继续发，否则重传

增加的机制：差错检测、接收方的反馈

处理重复：出现混乱（不知道对应的确认是谁的），发送方要重传当前分组（分组里加序号），接收方直接忽略重复的分组

rdt2.1（了解）:

接收端检查是否是重复分组，并不知道最后一个确认被收到

rdt2.2:没有否定确认，只使用肯定确认

最后一个成功收到分组进行肯定确认，明确分组序号

发送端收到重复确认会重发分组

rdt3.0：允许比特错误和丢包

假设底层信道（一般信道）有丢失，发送方等待合理的时间，时间到了没收到确认才会实现重传（序号处理），接收端必须指明确认分组的序号，需要用倒计时的计时器来进行判定是否重传。

注意：

分组发完后需要进行保留（用于重传）、分组和确认需要编号、计时器时间需要长于往返时间

自动重传请求ARQ：重传是自动进行的，接收方不需要请求重传错误分组，但是信道利用率很低

流水线传输：连续发很多分组

连续的ARQ协议：

累计确认（接收方）：对按序到达的最后一个分组发送确认（之前的所有都正确收到了）

Go-back-N：退回来重传已发送过的 N 个分组

TCP的具体实现：每一端都必须设有两个窗口（发送窗口、接收窗口），通过字节的序号进行控制，四个窗口是动态变化的，往返时间RTT不是固定的（特定算法估算）

6.TCP结构、可靠传输

1.概述

点到点连接，可靠按序的字节流（没有报文边界），流水线pipeline（设置窗口大小进行拥塞和流量控制），发送接收方都要有缓存，全双工通信，MSS最大报文长度（最大链路层帧长度决定MTU），面向连接（握手），流控制（不能发送太快）

2.报文段结构

sequence number：序号字段（每个字节都要有编号），当前报文段数据里第一个字节的序号

acknowledge number：确认字段，期望收到对方的下一个报文段数据部分的第一个字节的序号

head len：4bit，头部长度（数据偏移），TCP报文段起始位置，4个字节为一个单位

保留位：6个0

URG：紧急字段，为1时，表示紧急指针字段有效（优先级高的数据）

ACK：ACK=1时确认号字段有效

PSH：尽快交付接收应用进程，不等缓存满

RST:复位，TCP连接严重错误，释放连接，然后再重新建立

SYN：表示这是一个连接请求或连接接受报文

FIN：释放连接（数据发送完毕）

窗口：设置发送窗口的大小

校验和：伪首部、首部、数据都要算

紧急指针：紧急数据有多少字节

选项字段：告诉对方TCP最大缓存是MSS个字节

其他选项：窗口扩大选项：3字节，一个字节表示移位S，窗口增大（16+S）

时间戳选项：占10 字节，其中最主要的字段时间戳值字段（4 字节）和时间戳回送回答字段（4 字节）

选择确认选项

3.可靠传输

发送缓存：

接收缓存：

发送方窗口不一定和接收窗口一样大

不按时到达的数据会临时存放在接收窗口中，收到后在按序交付

接收方必须具有累计确认功能（减少开销）

重传：每发一个报文段，倒计时RTT，时间到没收到就重传

7.往返时延

由于 TCP 的下层是一个互联网环境，IP 数据报所选择的路由变化很大。因而运输层的往返时间的方差也很大。

1.加权平均往返时间

RTT_s是平滑的往返时间

计算公式：

第一次测量就直接将RTT_s取为RTT

a接近于0，RTT值更新的比较慢。接近于1，RTT值更新快

推荐a值为1/8

2.超时重传时间RTO

一般要大于RTT_s。

RTO=RTT_S + 4*RTT_D （偏差加权平均值）

RTT_D第一次取RTT的一半，推荐值是1/4

3.RTT测量

4.Karn算法

计算RTT时，只要发生重传就不采用之前的。

修正：报文段重传，就把RTO增大一点

r一般取2

直到不进行重传才更新RTT和RTO

5.选择确认SACK

接收方接收不连续的两个字节，如果都在接收窗口之内，就先收下数据，然后告诉发送方不用发这些重复的。

例：

和前后字节不连续的每一个字节块都有两个边界：左边界L和右边界R

左边界指出字节块的第一个字节的序号，但右边界减1才是字节块中的最后一个序号。

6.RFC 2018的规定

如果要使用选择确认，那么在建立 TCP 连接时，就要在 TCP 首部的选项中加上“允许 SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。

如果使用选择确认，那么原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。只是以后在 TCP 报文段的首部中都增加了 SACK 选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。

由于首部选项的长度最多只有 40 字节，而指明一个边界就要用掉 4 字节，因此在选项中最多只能指明 4 个字节块的边界信息。

8.TCP流控制

接收端会有接收缓存（TCP数据（网络层获取的数据）和空余），应用进程从缓存里读取数据。

速度匹配服务speed-matching service：发送速率和接收方应用处理速度相匹配。

1.工作方式：

忽略失序分段，接收方告诉发送方能容纳多少数据，发送方决定接下来的发送量，发送方通过发送窗口大小和没确定数据的大小进行控制。

rwnd限制的是发送方的发送窗口

2.持续计时器persistence timer

死锁情况：启动发送方窗口丢失，接收方一直等待，发送方页一直等待

每个连接都要设置一个持续计时器。

TCP一方收到零窗口（rwnd=0）通知就启动计时器。

设置的时间到期，发送方就发送一个零窗口的探测报文，查看当前窗口是否需要修改。

如果接收的窗口仍是0，重置计时器。

3.发送时机

1.TCP维持变量（等于最大报文长度MSS），达到MSS就打包发出

2.发送方应用进程指明发送时机（TCP支持推送push操作）

3.发送方计时器到期就将缓存总数据发出（不能超过MSS）

9.拥塞控制

1.拥塞

拥塞的表现：1.分组丢失（路由器缓存溢出）2.网络延时变长

假设路由器无限缓存（不需要重传），拥塞后就会出现时延。C：链路容量

有限缓存

出现拥塞：资源需求总和>网络提供服务

2.与流量控制的关系

拥塞控制：网络能承受现有负荷的前提，是全局性的过程，涉及所有主机、路由器。

流量控制：发送端和接收端点对点通信量控制，通过抑制发送端速率。

3.控制

分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。可能拥塞控制本身的报文会加剧拥塞。

开环控制：实现考虑清楚拥塞原因。（预防）

闭环控制：根据出现的情况解决。措施：检测网络系统（尽快找到出现位置）、将发生拥塞的信息传送到可控制的地方、调整网络运行。

4.控制方法

1.慢开始和拥塞避免

拥塞窗口：发送方来维持的状态变量。大小取决于当前拥塞情况（动态变化）。发送窗口=拥塞窗口大小。考虑流控制就要小于拥塞窗口（ = min（拥塞窗口，接收窗口））。

控制拥塞窗口原则：没拥塞就增大（发送更多分组），出现就减少。

a.慢开始算法

设置拥塞窗口为cwnd = 1（=MSS）

收到新报文确认后，就将拥塞窗口+1，逐步增加

每经过一个传输轮次cwnd加倍。

一个传输轮次所经历的时间就是RTT。

传输轮次就是把允许的报文全发出去，到接收到最后一个报文确认

慢开始门限状态变量ssthresh：避免过大

小于就使用慢开始算法，大于就使用拥塞避免算法，等于都能使用。

b.拥塞避免算法

让拥塞窗口缓慢增大，经过一个RTT每次+1而不是加倍。

2.发生拥塞

如果出现拥塞（没按时收到确认）就将慢开始门限值设为发送窗口一半。cwnd = 1。

目的是减少网络中的分组数。

乘法减少：无论在什么阶段，只要出现超时（拥塞），门限值都减半。

加法增大：每次+1

3.快重传和快恢复

快重传算法：每收到一个失序的报文段，立即发出重复确认，让发送方知道有报文段没到。

发送方连收三个重传确认就重发（计时器到时也要发）

例：

快恢复算法：连续收到三个重传确认就执行乘法减少。但接下来不执行慢开始。由于发送方认为不一定拥塞，所以cwnd设置为门限减半后的数值，然后加法增大

5.随机早期检测RED

使路由器的队列维持两个参数，即队列长度最小门限 TH_min 和最大门限 TH_max。
RED 对每一个到达的数据报都先计算平均队列长度 LAV。
若平均队列长度小于最小门限 TH_min(数据报少)，则将新到达的数据报放入队列进行排队。
若平均队列长度超过最大门限 TH_max，则将新到达的数据报丢弃。
若平均队列长度在最小门限 TH_min 和最大门限TH_max 之间，则按照某一概率 p 将新到达的数据报丢弃。

10.TCP连接管理

1.建立

三次握手：1.客户端向服务器发送SYN请求（初始化一个序号）2.服务器返回一个SYNACK（确认）3.传数据

seq=x：传输数据第一个字节的序号是x

2.释放

关闭连接：每一端都需要关闭连接，TCP段中有FIN命令

TCP释放必须等待大于等于2MSL时间才能释放掉。

3.传输

传输三个阶段：连接建立（知道对方存在，协商参数（最大报文长度，最大窗口，服务质量），传输实体资源（缓存大小，连接表））、数据传输、连接释放

TCP建立是客户服务器方式，发起连接的应用进程就是客户client，等待连接的是服务器server