计算机网络——运输层（2）暨小程送书

小程一言

我的计算机网络专栏，是自己在计算机网络学习过程中的学习笔记与心得，在参考相关教材，网络搜素的前提下，结合自己过去一段时间笔记整理，而推出的该专栏，整体架构是根据计算机网络自顶向下方法而整理的，包括各大高校教学都是以此顺序进行的。
面向群体：在学计网的在校大学生，工作后想要提升的各位伙伴，

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运输层（2）

TCP/IP对比

TCP（传输控制协议）：

TCP是一种面向连接的协议，它提供可靠的数据传输。
通过TCP，数据在发送和接收方之间建立起逻辑连接。
TCP使用确认和重传机制来确保数据的可靠传输。
TCP提供拥塞控制和流量控制，以确保网络上的可靠性和稳定性。
TCP适用于需要可靠数据传输的应用，如文件传输和电子邮件。

IP（互联网协议）：

IP是一种无连接的协议，它负责将数据封装为数据包并进行路由。
IP为每个主机分配一个唯一的IP地址。
IP负责将数据包从源主机路由到目标主机。
IP是一种不可靠的传输协议，它不保证数据传输的可靠性。
IP适用于需要高效数据传输的应用，如实时音频和视频流。

总结

TCP和IP分别负责数据传输的可靠性和路由，它们共同构成了TCP/IP协议套件，为互联网上的数据通信提供了基础。TCP和IP的结合使得互联网能够实现可靠的数据传输和全球范围内的连接。

拥塞控制原理

拥塞控制是TCP协议中的一个重要机制，用于避免网络拥塞并确保网络的稳定性和公平性。拥塞控制的原理主要包括以下几个方面：

1. 慢启动（Slow Start）：在连接刚建立时，TCP发送方会以指数增长的速率增加发送窗口的大小，以便快速填充网络的带宽。这样可以在网络刚开始时快速适应网络的容量，同时避免造成拥塞。

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）：一旦发送方的拥塞窗口大小达到一个阈值（通常是慢启动阈值），TCP发送方会切换到拥塞避免模式。在拥塞避免模式下，TCP发送方以线性增长的速率增加发送窗口的大小，以便更加谨慎地利用网络带宽，避免造成拥塞。

3. 快重传（Fast Retransmit）：当接收方收到重复的确认时，表明有数据包丢失，TCP发送方会立即重传丢失的数据包，而不是等待超时定时器到期。这样可以更快地恢复丢失的数据包，减少网络拥塞的可能性。

4. 快恢复（Fast Recovery）：在快重传后，TCP发送方会进入快恢复状态，此时它会将拥塞窗口减半，然后开始以线性增长的速率增加窗口大小，以便更加谨慎地利用网络带宽。

5. 总结：拥塞控制通过动态调整发送窗口的大小、快速重传丢失的数据包以及采取线性增长的方式来适应网络的容量，从而避免造成网络拥塞。这些机制使得TCP能够在网络中表现出良好的稳定性和公平性，确保网络的正常运行。

拥塞原因与代价

在计算机网络中，拥塞是指网络中的流量过大，导致网络设备无法及时处理和转发数据包，从而造成网络性能下降甚至瘫痪的现象。

原因

1. 过载的流量：当网络中的流量超过网络链路、交换机或路由器的处理能力时，就会出现拥塞。
   突发性流量：例如网络中出现大规模的DDoS攻击，导致突然间大量的恶意流量涌入网络，引发拥塞。
2. 缓冲区溢出：当网络设备的缓冲区无法及时处理大量的数据包时，就会发生拥塞。
3. 链路故障：当网络中的链路出现故障或者某个节点发生故障时，会导致数据包无法正常传输，从而引发拥塞。

代价

1. 数据丢失：在拥塞时，由于网络设备无法及时处理数据包，可能会导致数据包丢失。
2. 延迟增加：拥塞会导致数据包在网络中的传输延迟增加，从而影响实时性要求较高的应用，如视频会议、在线游戏等。
3. 吞吐量下降：拥塞会导致网络的吞吐量下降，影响网络的整体性能。
4. 服务质量下降：拥塞可能会导致网络中的服务质量下降，例如VoIP通话质量下降、视频卡顿等。
5. 网络不稳定：拥塞会导致网络的不稳定性增加，可能会出现网络抖动、连接断开等问题。
   

总结

拥塞的原因主要包括流量过载、突发性流量、缓冲区溢出和链路故障等；而拥塞的代价主要表现在数据丢失、延迟增加、吞吐量下降、服务质量下降以及网络不稳定等方面。因此，有效的拥塞控制机制对于保障网络的正常运行和性能至关重要。

拥塞控制方法

流量控制

流量控制是通过限制发送方的发送速率来适应网络的接收能力，避免过多的数据注入网络。常见的流量控制方法包括滑动窗口协议和速率控制协议。这些方法通过控制发送方的发送速率，使得发送方发送的数据不会超过网络的承载能力，从而避免网络拥塞。

拥塞避免

拥塞避免是一种动态调整发送速率的机制，以适应网络拥塞情况的变化。TCP协议中的慢开始和拥塞避免算法就是典型的拥塞避免方法。这些算法通过监测网络的拥塞情况，动态调整发送速率，以避免网络拥塞的发生。

拥塞控制算法

拥塞控制算法通过不同的方式来调整发送速率、处理丢包等，以适应网络的拥塞情况。常见的拥塞控制算法包括TCP Tahoe、TCP Reno、TCP Vegas等。这些算法通过监测网络的拥塞情况，采取相应的措施来控制发送速率，以避免网络拥塞。

主动队列管理

AQM在路由器或交换机上实现主动的队列管理，通过丢包、延迟等方式来控制流量，避免网络拥塞。常见的AQM算法包括Random Early Detection（RED）和Random Early Marking（REM）等。

负载均衡

负载均衡通过将流量分散到多条路径上，避免出现某条路径上的拥塞，从而提高整个网络的吞吐量和性能。

TCP拥塞控制

慢开始（启动）

慢开始是TCP拥塞控制的一种算法，它在连接刚建立时，以指数增长的方式增加拥塞窗口（cwnd），从而迅速占用网络资源。当网络负载较低时，慢开始可以使发送方快速达到网络的吞吐量上限，提高网络利用率。

拥塞避免

一旦拥塞窗口（cwnd）增长到一个阈值（通常是慢开始阈值），TCP就会进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，拥塞窗口以线性增长的方式增加，而不是指数增长，以避免过快地占用网络资源，从而避免引起网络拥塞。

快重传

当发送方连续收到三个重复的确认（duplicate ACK）时，就会触发快重传机制，发送方会立即重传丢失的报文段，而不必等到超时重传定时器到期。这样可以更快地恢复丢失的报文段，减少网络拥塞对性能的影响。

快恢复

在快重传之后，TCP会进入快恢复状态，此时拥塞窗口大小会减半，然后以线性增长的方式逐渐增加，而不是从慢开始阶段重新开始。这样可以更快地适应网络的拥塞情况，减少网络拥塞对性能的影响。

超时重传

如果发送方在一定时间内没有收到确认，就会触发超时重传机制，发送方会重传未确认的报文段。超时重传是TCP拥塞控制的一种保护机制，用于处理网络丢包或其他异常情况。

对TCP吞吐量的宏观描述

TCP的吞吐量是指TCP连接在单位时间内能够传输的数据量，通常以每秒传输的数据量（比特率或字节率）来衡量。TCP吞吐量受到多种因素的影响，包括网络带宽、往返时延、拥塞控制算法、丢包率、拥塞窗口大小等。

经高带宽路由的TCP

经高带宽路由的TCP指的是在计算机网络中，TCP连接经过具有高带宽（大带宽）的网络路径进行数据传输。在这种情况下，TCP连接的性能和吞吐量受到多种因素的影响，需要针对高带宽路由进行相应的优化和调整。

小程送书

AI时代Python金融大数据分析实战：ChatGPT让金融大数据分析插上翅膀

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书籍介绍

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《AI时代架构师修炼之道：ChatGPT让架构师插上翅膀》

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内容介绍

本书是一本旨在帮助架构师在人工智能时代展翅高飞的实用指南。全书以ChatGPT为核心工具，揭示了人工智能技术对架构师的角色和职责进行颠覆和重塑的关键点。本书通过共计 13 章的系统内容，深入探讨AI技术在架构
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两书作者

关东升，一个在IT领域摸爬滚打20多年的老程序员=知名培训专家、畅销书作家，精通多种信息技术。曾参与设计和开发北京市公交一卡通系统、国家农产品追溯系统、金融系统微博等移动客户端项目，并在App Store发布多款游戏和应用软件。长期为中国移动、中国联通、中国南方航空、中国工商银行和天津港务局等企事业单位提供培训服务。先后出版了50多部IT图书，广受读者欢迎。