5.1 运输层协议

运输层向上面的应用层提供通信服务，为两个主机进程间提供端到端的逻辑通信。

运输层的复用与常见端口

• 运输层的复用/分用技术靠端口号实现；
• 运输层向下屏蔽了网络层的核心；
• TCP：逻辑信道相当于一条全双工可靠信道；
• UDP：相当于一跳不可靠信道；

常用端口

FTP		TCP		21		文件传输
SSH		TCP		22		加密传输
TELNET	TCP		23		远程终端接入
SMTP	TCP		25		邮件
HTTP	TCP		80		超文本传输
HTTPS	TCP		443
====================================
DNS		UDP		53		名字转换
RIP		UDP		520		路由选择
DHCP	UDP		67		IP地址配置
IGMP	UDP		？		多播
TFTP	UDP		69		简单文件传输
……

端口号分类：

1. 服务器使用的端口号：
   • 系统端口号： 0 ~ 3FF
   • 登记端口号： 400 ~ BFFF
2. 客户端使用的端口号： C000 ~ FFFF

UDP协议

特点

• 无连接的
• 尽最大努力交付
• 面向报文的
• 无拥塞控制（允许丢失一些数据，但不允许数据有大的延迟）
  • 可能会造成更严重的拥塞问题；
• 一对一、多对多交互通信
• 首部开销小（8字节）

UDP帧格式

• IP的伪首部用于校验和（12字节）
• 8字节首部

伪首部		源IP地址4B		目的IP地址4B		1B		类型1B		UDP长度2B
											 0		 17

首部		源端口		目的端口		长度		校验和
				2			 2		 2			  2B

UDP校验和计算需要加上伪首部，类似IP的计算方式（16bit求和取反）

TCP协议

特点

• 面向连接的运输层协议
• 端到端的通信
• 可靠的通信
• 全双工的通信
• 面向字节流的（将程序交付下来的数据看成无结构的字节流）

socket套接字

TCP把连接作为最基本的抽象。
TCP连接的端点叫做套接字（IP地址：端口号）

可靠传输工作原理

理想传输特点：

• 信道不产生差错；
• 无论发送方速率多快，接收方总是来得及接收；

可靠传输流程：

• 停止等待协议
  • 无差错情况
  • 出现差错
  • 确认丢失与迟到
  • 信道利用率
• 无差错ARQ协议：对最后一个到的分组发送确认
  • 124到，发2的确认；
  • 5到，发2的确认；
  • 2、7到，发5的确认；
  • 每到一个，必须发确认。

需要注意情况（无差错）：

1. 暂存已发送分组副本至收到确认信号；
2. 发送分组、确认分组都必须编号；
3. 重传时间比RTT时间要稍微长一些；

TCP帧首部

TCP检验和也要添加伪首部

重要字段

• 序号（seq）：发送每一个字节都要编号；
  • 假如本次发送了100有效字节，下一次发送编号+100；
• 确认号（ack）：期望对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；
• 紧急URG：若为1则紧急字段有效；
• 确认ACK：ACK=1时确认字段有效；
• 同步SYN：SYN=1，ACK=0时表示请求连接的报文；
• 终止FIN：FIN=1表示终止请求；
• 校验和：同UDP；
• 时间戳：计算RTT等

TCP可靠传输

以字节为单位的滑动窗口

依次发送窗口内的数据，收到回复确认后移动窗口、修改窗口大小；超时后重新发送需要发送的字节

选择超时重传时间

$RTO=RT{T}_S+4\cdot RT{T}_D$

$newRT{T}_S=(1-\alpha )\cdot oldRT{T}_S+\alpha \cdot RTT，\alpha =\frac{1}{8}$

$newRT{T}_D=(1-\beta )\cdot oldRT{T}_D+\beta \cdot |RT{T}_S-RTT|，\beta =\frac{1}{4}$

• 第一次测量时，$RT{T}_D$取测量到的RTT样本的一半；
• 重传报文不计算RTT；
• 每次重传RTO应适度增大；

选择确认SACK（未经常使用P227）

TCP流量控制

让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接受；

• 接收方来不及处理数据时，可以先将窗口设置为0，等缓存空间空闲大于一半时，再通知对方。

TCP拥塞控制

拥塞：网络中对资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分。

拥塞控制：防止过多的数据注入到路网络中，使路由器或链路不至于过载

• 流量控制时端到端的问题；
• 拥塞控制是全局性的问题；
• 拥塞控制用一些信息通知端，网络出现麻烦，需要降低放松速率；

TCP拥塞控制办法：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复

指数上升，线性增长，乘法减小，快速恢复；

AIMD：加法增大乘法减小

拥塞控制效果图：

拥塞控制关键词：

• cwnd：拥塞窗口，计算单位；
• SMSS：发送方最大报文段，计算cwnd的字节数；
• ssthresh：慢开始门限；

慢开始与拥塞避免

• 先发送1个cwnd的数据；
• 接收到确认报文段后，每个传输轮次，cwnd数量指数增长；
• 当cwnd > ssthresh时，进入拥塞避免阶段；
• 拥塞避免阶段，每个传输轮次，cwnd + 1；

出现超时：

• ssthesh变为原先一半；
• cwnd从1重新指数增长；

快重传与快恢复

接收方对失序的报文段必须立即回复，连续三次重复确认回复，发送方重新发送。
此时发送的拥塞创空与慢开始门限如下：

• ssthesh：变为之前一半（误认为超时之前）；
• cwnd：变为与ssthesh一样，直接进入线性增长阶段。

eg：

• A发送123456；
• B收到13，回复2；
• 收到4,5,6分别回复2,2,2；
• A收到连续三次回复2，立刻重新发送2，并跳过慢开始阶段，直接进入拥塞避免阶段。

TCP连接建立与断开：

连接建立、数据传送、连接释放：

TCP连接建立

注意：

• 1、2次握手，不能携带数据，必须消耗序号seq；
• 3次握手，可以携带数据，不带数据不消耗序号seq；

2次握手为什么不行

• 若第二次握手消息包丢失，则服务器进入无限等待客户机数据状态；
• 若第一次握手的请求包延迟（多发了一个，前一个延迟到达，到达时前一次传输已经结束），服务器回复同意连接，陷入无限等待数据阶段。

TCP连接释放

• FIN不携带数据也需要消耗一个序列
• 客户机（最先发送释放连接请求的），最后需要等待两个MSL（最长报文段寿命）

为什么要等待两个MSL

• 保证最后的ACK报文段能够到达服务器（可能因网络问题被丢弃）
• 保证网络中所有连接请求报文段都已失效。

保活计时器

TCP有限状态机