计算机网络第五部分--传输层

其他章节笔记
计算机网络概述第一部分
计算机网络第二部分–物理层
计算机网络第三部分–数据链路层
计算机网络第四部分–网络层
计算机网络第五部分–传输层
计算机网络第六部分–应用层

1.概述

1.1传输层的意义

网路层可以把数据从一个主机传送到另一个主机，但是没有和进程建立联系。
传输层就是讲进程和收到的数据联系到一起，十数据能够为应用服务。
所以说传输层是主机才有的层次

1.2传输层的两个协议

1.3传输层的寻址和端口

端口号只用于计算机辨别本地进程，总共有2^16=65536中端口号，端口号有很多种，不能随便使用。

1.3.1常见的应用程序端口号

2.UDP协议

2.1UDP概述

注释：因为UDP一次发送一个完整报文不会分片，所以需要应用层传输过来的数据不要太大，否则网络层分片任务就很重，但是也不能太小，不然效率较低。
UDP适合一些实时应用，因为实时应用延迟要求高，需要立即响应。

2.2UDP首部格式

分用时，找不到对应的目的端口号就丢弃报文，并发给发送方OCMP“端口不可达”差错报告报文。

2.2.1UDP的校验位构成

这里的伪首部只是用来计算检验和的，计算完了就丢弃，可以见下UDP的校验方式。

2.2.2UDP校验方式

总结一下步骤：
在发送端的时候：
1.就是讲每一行（4字节）拆分成两部分，左右平均2字节大小，将这两字节数据写成二进制，那2字节一共需要2*8=16位。此时检验和没有计算，默填充0，同时如果数据字段不整齐，则用0补齐，这样就可以写出及时航二进制数，如图中方所示。
2.计算着几十行二进制数按二进制反码运算求和，二进制运算可以参考二进制反码求和运算
得到的最后检验和再反码，之后将反码之后的放入原来的检验和字段
在接收端的时候不同是，此时检验和字段不是0了
按照发送端的步奏再将所有数据写成二进制进行二进制反码运算求和
如果最后得到结果全是1就是没问题，否则丢弃

3.TCP协议

3.1TCP协议的特点

TCP必须要建立连接之后才可以进行数据交换，所以TCP是面向连接的

TCP传输数据是随机切割数据的

3.2TCP报文段的首部

注释：见上图，可以看到TCP是将数据随机分割后加上TCP头传输的，所以序号就是为了标记这些随机分割之后的数据，这里把第一个字节的编号当成序号
确认号就是收到的之后做一下标记，代表这之前的都收到了，希望收到的下一编号的数据就是确认号打头的那个数据
偏移量就是为了标记一下距离TCP开始多少是数据，这里的单位是4B，这个偏移量就是TCP首部长度

窗口就是接收方告诉发送方，还有多少地方（缓存）可以放数据
紧急指针就是告诉TCP从那里到哪里是紧急数据

3.2.1TCP的六个控制位

紧急位URG
URG的特点是让数据插队，URG=1的就会在缓存中被提前到第一个传输


确认位ACK

推送位PSH
就是接收端的URG，将PSH=1的数据尽快接受
注意一下，如果没有PSH，一般都是接收方缓存满了再将数据发送到主机
复位RST

同步位YSN
A和B主机要建立连接，就A先发送一个报文，其中SYN=1
B收到之后也恢复一个SYN=1的报文，代表接受连接

终止位FIN

3.3TCP连接管理

3.3.1TCP三次握手（建立连接）

注释：
第一段的意思是
SYN=1：（A）要建立连接了！
seq=x（随机）：因为还没有数据，所以些什么都无所谓

第二段的意思是
SYN=1：我（B）同意你（A）建立连接！
ACK=1：连接建立了，之后的ACK都必须置为1
seq=y（随机）：因为还没有数据，所以写什么都无所谓
ack=x+1：之前说发送方（A）说发送的第x位数据（虽然发送发是瞎说的），所以我(B)要的是x+1位数据

第三段的意思是
SYN=0：SYN只有建立连接时才位1，其他时候均设置为0
ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都设置为1
seq=x+1：我（A）发送的报文第一个字节就是x+1
ack=y+1：之前接受方（B）说发送的是第y为数据（虽然接收方是瞎说的），所以我（B）要的是y+1数据

注意一下，TCP是双向的，所以不存在绝对不对的发送方和接受方，这里的两台主机都同时是发送方和接受方

TCP三次握手特定导致的SYN洪泛攻击

3.3.2TCP四次挥手（连接释放）

注释：第一段的是意思是
FIN=1：（A）要释放连接了！
seq=u，发送好多数据，治理只是用u替代一下，这里u是有确定值的

第二段的意思是
ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都置为1
seq=v：发了好多数据，这里只是用v指代一下，这里v是有确定值的
ack=u+1：之前发送方（A）说发送的是第u位数据，所以我（B）要的是u+1数据（尽管此时A已经决定释放连接了）

第三段的意思是
FIN=1：（B）要释放连接了！
ACK=1，连接建立了之后的ACK必须都置为1
seq=w：发了好多数据，这里只是用w指代一下，这里w是有确定值的
ack=u+1：之前发送方（A）说的是第u位数据，所以我（B）要的是u+1位数据（因为A直接不发数据了，所以第二段和第三段的ack都是u+1）

第四段的意思是
ACK=1：连接建立了，之后的ACK都必须置为1
seq=u+1：之前发的数据是第u位，B也要第u+1位数据，所以我发第u+1位数据
ack=w+1：之前发送方（B）说发送的是第w位数据，所以我（A）要的是w+1位数据

为什么需要等待及时2MSL？
因为这样可以保证B可以收到A的终止报文段而进入关闭状态
比如说如果A的第四段报文丢失，那么等待一个MSL之后B就可以重传第三段报文，花费小于1MSL之后A就会再收到第三段报文，之后就可以再次向B发送第四段报文，提示B关闭连接

3.4TCP可靠传输

TCP是提供可靠传输，UDP这种本身还是不可靠传输的就再靠应用层解决了

3.4.1序号

就是TCP根据下方数据链路层的MTU（最大传输单元）来随将数据切割成好几段并且编号

3.4.2确认

发送方每一次发送数据之后都需要接收方进行确认
TCP使用的是累计确认机制，就是从第一个丢失的字节开始请求丢失的报文段。如图456所示，78到达，但仍然请求发送的数据序号是4

3.4.3重传

为什么要使用自适应算法？网络太复杂，路径有长有短，RTT设置短了照顾不了距离远的，RTT设置长了又导致网络利用率降低，所以使用RTTs

3.5TCP流量控制

简单来说就是接收方可以动态的发送信息告诉发送方发送窗口的大小。
接收方接受不过来就让发送方发送窗口小点，这样发送方的速率就慢下来了，接收方就有时间处理它的数据了
接收方处理完了也可以发送请求让让发送方发送窗口大点，这样发送方发送的速率就快起来了，接收方就可以处理更多数据而不是空闲等着收数据了

3.5.1计时器

在本例子中，使用的累计确认机制（一次回复收到ack201）和三次流量控制机制。
但是有一个情况就是，如果最后B不允许A再发送数据了，B在处理完数据之后想要恢复窗口时发送的有rwnd的大小的数据包丢了怎么办？此时A有B的指令在前，发送窗口为0无法发送数据，B也在等待恢复，造成了类似死锁的现象
解决方法：使用计时器

3.6TCP拥塞控制

流量控制是对单独一个来说的，拥塞控制是一群

3.6.1拥塞控制四种算法

这里虽然是四种算法，但是通常是两两结合进行使用

3.6.2慢开始和拥塞避免

这里开始时以指数形式增长，ssthresh的意思是慢开始门限，代表从这个地方注入的报文段就比较多了，需要慢速增加了。
之后一段都是线性增长，每次增加1，直至达到网络拥塞状态
瞬间将cwnd设置为1，同时调整原来的ssthresh的值到之前得达到网络拥塞状态的1/2，（这里是24降到12）
重复以上步骤，但是注意此时ssthresh遍历之后线性增长的转折点也变了

3.6.3快重传和快恢复

这里和上面的慢开始和拥塞避免的一开始步骤差不多，都是先指数增长在转变为线性增长。
不同的点时快重传和快恢复算法是在收到ack确认之后执行的，这里的ack就是冗余ack，冗余ack的特点是如果多次对某一段请求的数据没有被收到，达到一定数目之后就会立即执行重传，但是此时只是降到现在cwnd的一半，再重新线性增长。而不是像慢开始和拥塞避免的从头开始

4.本章思维导图

本文常用名词中英文对照
Multiplexing and demultiplexing 复用与分用
Positive acknowledgments 肯定确认
Negative acknowledgments 否定确认
Countdown timer （倒数）计时器
Cumulative acknowledgment 累积确认
Receive buffer 接收缓冲区，或接收缓存
Resource-management cells 资源管理单元
Source (port number) 源端口号
Destination (port number) 目的端口号
Checksum 校验和
Pipelined protocols 流水线（型）协议
Go-back-N 回退N
Selective Repeat 选择重传
Timeout （定时器）超时
Fast Retransmit 快速重传
Flow Control 流量控制
Three way handshake 三次握手
sequence number 序列号（简写为seq）
acknowledgement number 确认号（简写为ack；注意与大小的ACK不同）
Congestion Control 拥塞控制
additive increase, multiplicative decrease 加性增乘性减
Slow Start 慢启动
congestion-avoidance 拥塞避免
fast recovery 快速恢复
duplicate (ACK) 冗余（ACK）
Random Early Detection 随机早期检测
参考资料
2019 王道考研 计算机网络