计算机网络-运输层

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运输层

前言
1. 用户数据报协议UDP
2. 传输控制协议TCP
总结

前言

从IP层来说，通信的两端是两台主机，IP数据报的首部明确标志了这两台主机的IP地址，但真正通信的实体是在主机中的进程，是这台主机中的进程和另一台主机中的进程在交换数据。网络层为主机之间提供逻辑通信，而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

重点：
1），运输层为相互通信的应用进程提供逻辑通信
2），端口和套接字的意义
3），无连接的UDP的特点
4），面向连接的TCP的特点
5），在不可靠的网络上实现可靠传输的工作原理，停止等待协议和ARQ协议，
6），TCP的滑动窗口，流量控制，拥塞控制和连接管理

1. 用户数据报协议UDP

网络层向上只提供简单灵活的，无连接的，尽可能努力交付的数据报服务

UDP 只在IP的数据报服务上增加了很少一点功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能，UDP的主要特点是：
1），UDP 是无连接的
2），UDP 使用尽最大可能努力交付
3），UDP 是面向报文的
4），UDP 没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送效率降低，这对于某些实时应用是很重要的
5），UDP 支持一对一，一对多，多对一，和多对多的交互通信
6），UDP 的首部开销小，只有8字节（TCP 有20个字节，IP数据报首部：20字节固定部分+可变部分）
在这里插入图片描述

2. 传输控制协议TCP

TCP的主要特点：

1）TCP 是面向连接的运输层协议。即应用程序在使用TCP 协议之前，必须先建立TCP 连接
2）每一条TCP连接只能有两个端点，一对一
3）TCP 提供可靠交付的服务。通过TCP 连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按序到达
4）TCP 提供全双工通信
5）面向字节流

TCP 和UDP在发送报文时所采用的的方式完全不同，TCP不关心应用进程一次把多长的报文发送到TCP的缓存中，而是根据对方给出的窗口值，和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少字节。
UDP发送的报文长度是由应用进程给出的。

TCP连接

TCP连接的端点：TCP连接的套接字
套接字：端口号拼接到IP地址，即构成了套接字

TCP可靠传输的工作原理

ARQ协议：⾃动重传请求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）是OSI模型中数据链路层和传输层的错误纠正协议之⼀。它通过使⽤确认和超时这两个机制，在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输。如果发送⽅在发送后⼀段时间之内没有收到确认帧，它通常会重新发送。ARQ包括停⽌等待ARQ协议和连续ARQ协议

停止等待ARQ协议：就是每发送完一个分组就停止，等待对方的确认，收到确认后在发送下一个分组
连续ARQ协议：发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置

1.发送窗口：窗口内的分组都可以连续发送出去
2.接收方一般采用累积确认的方式：接收方不必对收到的每个分组逐个发送确认，而是收到几个分组后，对按序到达的最后有一个分组发送确认。（减少传输开销）

TCP可靠传输的实现

以字节为单位的滑动窗口协议
超时重传时间的选择
选择确认SACK ：解决累积确认的缺点，只重传缺少的数据，而不重传已经正确到达接收方的数据（大多数的实现还是重传所有未被确认的数据）

TCP的流量控制

流量控制：让发送方的发送速率不要太快，以免接收方来不及接受，造成数据的丢失

利用滑动窗口来实现流量控制

TCP的拥塞控制

拥塞：对资源的需求大于可用资源
拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不过载
负载：单位时间内输入到网络中的分组
吞吐量：单位时间内网络输出的分组

在这里插入图片描述

慢开始和拥塞避免：当主机开始发送数据的时候，由于一开始不清楚网络的负载情况，所以如果立即把大量的数据注入到网络中，那么就可能引起网络拥塞，所以最好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说由小到大逐渐增大拥塞窗口的数值

慢开始：每收到一个确认报文，拥塞窗口就加一，指数增长
拥塞避免：每经过一个往返时间RTT，拥塞窗口就加一，线性增长

为防止慢开始，导致拥塞窗口增长过快引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限-ssthresh。

cwnd < ssthresh，慢开始
cwnd > ssthresh，拥塞避免

快重传：要求接受方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认。（当发送发只要一连收到3个重复确认，就知道接收方确实没有收到该报文段，需要立即进行重传，这样就不会出现超时，发送方也就不会误认为出现了网络拥塞）
快恢复：当出现快重传时，ssthresh = cwnd/2，执行拥塞避免算法