计算机网络概述-传输层I

1 传输层服务

网络层的作用是提供主机之间的逻辑通信机制，而传输层位于网络层之上，提供应用进程之间的逻辑通信机制，传输层依赖网络层服务，并对网络层服务进行（可能的）增强。
简单讲网络层的作用是找到主机，传输层是找到进程。
传输层可以提供的协议包括TCP和UDP。

2 多路复用/分用

定义

如果一层协议需要对应直接上层的多个协议，那么就需要多路复用。
发送端多路复用：从多个Socket接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层。
接收端多路分用：传输层依据头部信息将收到的Segment交给正确的Socket，即不同的进程。

过程

主机接收到IP数据报(datagram)，每个数据报携带源IP地址、目的IP地址，和传输层的段(Segment）。每个段携带源端口号和目的端口号，主机收到Segment之后，传输层协议提取IP地址和端口号信息，将Segment导向相应的Socket。

分类

分用包括无连接分用和面向连接分用，主要对应UDP和TCP两种协议。
无连接分用情况下，UDP的Socket只包括目的IP和端口，因此如果这两个相同，接收端会把来自不同源的数据包会发到同一个Socket。
面向连接分用情况，TCP的Socket除了目的IP和端口，会增加源IP和端口，因此接收端会将数据包发到合适的Socket。
UDP协议是无连接协议，所谓无连接，就是发送方和接收方之间不需要握手，这样做优势是减少延迟、实现简单、无需维护连接状态、头部开销少、应用可更好地控制发送时间和速率，同时会导致了不可靠，因为这种特性，常被用于流媒体应用，但是通过增加特定机制，可以实现可靠的UDP传输。
在UDP数据包中增加校验和项的也是为了实现可靠机制。

3 可靠数据传输机制

需求

可靠的定义：不错、不丢、不乱
基本结构：接口，如图

可靠数据传输协议包括Rdt1.0、Rdt2.0、Rdt2.1、Rdt2.2、Rdt3.0、GBN、SR。

停-等协议

Rdt1.0认为信道可靠，这时发送方和接收方的是独立的。（要注意以下FSM图中红色字体部分）

如果底层信道发生分组中的位(bit)翻转怎么处理？
Rdt 2.0协议中引入的新机制，即差错检测、接收方反馈控制消息:（ACK/NAK）、发送端重传。

如果ACK/NAK消息发生错误/被破坏(corrupted)会怎么样？
此时仍然可以采用重传机制，但简单的重传会产生重复分组，Rdt2.1协议中的解决方式是采用序列号(Sequence number)，即发送方给每个分组增加序列号（0和1），然后接收方可丢弃重复分组。
为什么只用两个序列号就可以实现？停等协议。

Rdt2.2和Rdt 2.1功能相同，只做了简要更改，在反馈信息中只使用ACK，接收方在ACK消息中显式地加入被确认分组的序列号，通过ACK告知最后一个被正确接收的分组，发送方收到重复ACK之后，采取与收到NAK消息相同的动作，即重传当前分组。

如果信道既可能发生错误，也可能丢失分组，怎么办？
Rdt3.0在发送方增加定时器机制，发送方等待“合理”时间，如果没收到ACK就会重传；如果分组或ACK只是延迟而不是丢了，重传会产生重复，通过序列号机制能够处理，接收方需在ACK中显式告知所确认的分组。
但是Rdt采用停等机制，虽然能够正确工作，但性能很差。如图，如果设置不合理，网络协议会大大限制物理资源的利用，所以我们需要软硬件协同设计。

滑动窗口协议

如何改进Rdt3.0？
采用流水线机制和滑动窗口协议，允许发送方在收到ACK之前连续发送多个分组，则可以提高资源利用率。这里核心思想是在停等协议中，只能发送一个数据包然后等待ACK消息，这样大部分时间浪费在端与端之间的传输时间上（RTT），如果在等待时间内多发送几个分组，并能够对发送的分组进行记录来保证可靠性，这样资源利用率得到提高。

定义

滑动窗口协议: Sliding-window protocol
窗口：允许使用的序列号范围
窗口尺寸为N：最多有N个等待确认的消息，随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前滑动。

GBN

GBN主要是在发送方增加滑动窗口，记录已经被正确接收的分组，当超时发生时，重传大于等于n的所有分组。GBN中的接收方变化不大，对乱序到达的分组直接丢弃。

SR

SR对接收方进行了改进，接收方采用滑动窗口缓存下乱序到达的分组。

序列号空间大小与窗口尺寸需满足：NS+NR<=2k。