计算机网络-4-传输层-TCP 协议-UDP协议

目录

概述

传输层的功能

传输层的寻址与端口

UDP协议

UDP的主要特点

UDP首部格式

UDP校验

TCP协议

TCP协议的特点

TCP报文段首部格式

TCP连接管理

TCP连接(三次握手)

TCP的连接释放(四次挥手)

TCP可靠传输

TCP流量控制

TCP拥塞控制

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概述

只有主机才有的层次

为应用层提供通信服务

使用网络层的服务

传输层的功能

1、传输层提供进程和进程之间的逻辑通信

2、复用和分用

        复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层

        分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程

3、传输层对收到的报文进行差错检测

4、传输层有两个协议

        TCP：面向连接的传输控制协议 -- 传送数据之前必须建立连接，数据传送结束后要释放连接，不提供广播或多播服务 -- 可靠，面向连接，时延大，适用于大文件

        UDP：无连接的用户数据报协议 -- 传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认 -- 不可靠，无连接，时延小，适用于小文件

传输层的寻址与端口

端口：是传输层的SAP，标识主机中的应用进程

端口号只有本地意义，在因特网中不同计算机的相同端口是没有联系的

端口号长度为16bit，能表示65536个不同的端口号

端口号（按范围分）：

        服务端使用的端口号：

                熟知端口号（0~1023）：给TCP/IP最重要的一些应用程序，让所有用户都知道

                登记端口号（1024~49151）：为没有熟知端口号的应用程序使用的

        客户端使用的端口号（49152~65535）：仅在客户进程运行时才动态选择

套接字Socket=（主机IP地址，端口号）

UDP协议

UDP的主要特点

1、UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延

2、UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付

3、UDP是面向报文的，适合一次性传输少量数据的网络应用

        应用层给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发一个完整报文

4、UDP无拥塞控制，适合很多实时应用

5、UDP首部开销小，8B

UDP首部格式

UDP长度：UDP用户数据报的整个长度

UDP检验和：检测整个UDP数据报是否有错，错就丢弃

UDP校验

伪首部只有在计算校验和时才出现，不向下传送也不向上递交

17：封装UDP报文的IP数据报首部协议字段是17

UDP长度：UDP首部8B + 数据部分长度（不包括伪首部）

TCP协议

TCP协议的特点

1、TCP是面向连接的传输层协议

2、每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的

3、TCP提供可靠交付的服务，不差错、不丢失、不重复、按序到达

4、TCP提供全双工通信

        发送缓存：准备发送的数据和已发送但未收到确认的数据

        接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据和不按序到达的数据

5、TCP面向字节流

        流：流入到进程或从进程流出的字节序列

        TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流

TCP报文段首部格式

序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号

确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到

数据偏移(首部长度)：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B为单位，则1个数值是4B

6个控制位：

        紧急位URG：URG=1时，表明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用

        确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1

        推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付接受应用进程，不再等到缓存填满再向上交付

        复位RST：RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输连接

        同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文

        终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接

窗口：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量

检验和：检验首部+数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6

紧急指针：URG=1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数

选项：最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认....

TCP连接管理

TCP连接(三次握手)

        TCP连接传输三个阶段：连接建立 --> 数据传送 --> 连接释放

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器

ROUND 1：客户端发送连接请求报文段，无应用层数据

        SYN=1，seq=x(随机)，ACK=0

ROUND 2：服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据

        SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+1

ROUND 3：客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器返回确认的确认，可以携带数据

        SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

        了解：SYN洪泛攻击

在Linux、Windows里面可以使用netstat命令看状态

TCP的连接释放(四次挥手)

参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的“资源”将被释放

ROUND 1：客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接

        FIN=1，seq=u

ROUND 2：服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了 -- 半关闭状态

        ACK=1，seq=v，ack=u+1

ROUND 3：服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接

        FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

ROUND 4：客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL(最长报文段寿命)后，连接彻底关闭

        ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

TCP可靠传输

可靠：保证接收方进程从缓存区读出的字节流与发送方发出的字节流是完全一样的

TCP实现可靠传输的机制

1、校验：与UDP校验一样，增加伪首部

2、序号：一个字节占一个序号

3、确认：TCP默认使用累计确认

4、重传：确认重传不分家，TCP的发送方在规定的时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段

TCP采用自适应算法，动态改变重传时间RTTs（加权平均往返时间）

冗余ACK（冗余确认）

每当比期望序号大得失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。例：

TCP流量控制

流量控制：让发送方慢点，要让接收方来得及接收

TCP利用滑动窗口机制实现流量控制

在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值

TCP拥塞控制

出现拥塞的条件：对资源需求的总和 > 可用资源

网络中有许多资源同时呈现供应不足 --> 网络性能变坏 --> 网络吞吐量将随输入负荷增大而下降

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中 -- 全局性

拥塞控制和流量控制的区别：

拥塞控制四种算法：

假定：

1、数据单方向传送，而另一个方向只传送确认

2、接收方总是有足够大的缓存空间，因而发送窗口大小取决于拥塞程度

        发送窗口=Min{接收窗口rwnd，拥塞窗口cwnd}

        接收窗口：接收方根据接收缓存设置的值，并告知给发送方，反映接收方容量

        拥塞窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映网络当前容量

慢开始和拥塞避免

一个传输轮次：

        发送了一批报文段并收到它们的确认的时间；

        一个往返时延RTT

        开始发送一批拥塞窗口内的报文段到开始发送下一批拥塞窗口内的报文段的时间

ssthresh：慢开始阈值

新的ssthresh值：发生网络拥塞时，马上将拥塞窗口除以2，就是新的ssthresh值

快重传和快恢复

发生拥塞不会降为1，降到新的ssthresh值，然后开始快恢复