计算机网络学习笔记（5）——运输层

本文继续整理计算机网络体系架构知识内容。今日主讲——运输层。

网络层只把分组发送到目的主机，但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。

运输层提供了应用进程间的逻辑通信。运输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看?见的好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

1.UDP?和 TCP?的特点

用户数据包协议 UDP（?User?Datagram?Protocol）传输控制协议 TCP（Transmission?Control Protocol）

UDP?是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不?拆分，只是添加 UDP?首部）。

TCP?是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层?传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块）

2.UDP?首部格式

首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。??12 字节的伪首部是为了计算检验和而 临时添加的。

3.TCP?首部格式

序号?：用于对字节流进行编号，例如序号为?301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度?为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。

确认号?：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带?的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701?，?B 发送给 A 的确认报文段中确认号就?为 701。

数据偏移?：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。

确认 ACK?：当 ACK=1?时确认号字段有效，否则无效。 ?TCP?规定，在连接建立后所有传送的报文段都必?须把 ACK?置 1。

同步 SYN?：在连接建立时用来同步序号。当?SYN=1?，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方?同意建立连接，则响应报文中 SYN=1?，ACK=1。

终止 FIN?：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运?输连接。

窗口?：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据?缓存空间是有限的。

4.TCP?的三次握手

假设 A 为客户端， ??B 为服务器端。

1. 首先?B 处于?LISTEN??（监听）状态，等待客户的连接请求。

2. A?向?B 发送连接请求报文段，??SYN=1?，ACK=0，选择一个初始的序号 x。

3.?B 收到连接请求报文段，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文段，??SYN=1?，ACK=1，确认 号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。

4. A 收到 B 的连接确认报文段后，还要向 B?发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。

5.?B 收到 A?的确认后，连接建立。

5.TCP?的四次挥手

以下描述不讨论序号和确认号，因为序号和确认号的规则比较简单。并且不讨论 ACK，因为 ACK?在连接?建立之后都为 1。

1. A 发送连接释放报文段， ??FIN=1；

2.?B 收到之后发出确认，此时 TCP 属于半关闭状态，??B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据；?3.?当?B 要不再需要连接时，发送连接释放请求报文段，??FIN=1；

4. A 收到后发出确认，此时连接释放。

TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN?报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED?状态，还需要等待一个?时间计时器设置的时间。这么做有两个理由：

1. 确保最后一个确认报文段能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文段，那么就会重新发送连?接释放请求报文段， ?A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。

2. 可能存在“?已失效的连接请求报文段”?，为了防止这种报文段出现在本次连接之外，需要等待一段时?间。

6.TCP?滑动窗口

窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过?TCP?报文段中?的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送?并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的?状态；接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认，例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 32, 34,?35}，其中 {31, 32} 按序到达，而 {34, 35} 就不是，因此只对字节 32 进行确认。发送方得到一个字节的?确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

7.TCP?可靠传输

TCP?使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重?传这个报文段。

一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT，加权平均往返时间?RTTs?计算如?下：

RTTS=(1-a)*(RTTS)+a*RTT

超时时间 RTO?应该略大于 RRTs?，TCP?使用的超时时间计算如下：

RTO=RTTS＋4*RTTi

其中 RTTd?为偏差，它与新的 RRT?和?RRTs?有关。

8.TCP?流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。例如?将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

9.TCP?拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现?拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方?能来得及接受，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

TCP?主要通过四种算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。发送方需要维护有一个??叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量。注意拥塞窗口与发送方窗口的区别，拥塞窗口只是一个状态变量，?实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

1. 接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；

2. 虽然 TCP?的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

1.慢开始与拥塞避免

发送的最初执行慢开始，令 cwnd=1，发送方只能发送 1?个报文段；当收到确认后，将 cwnd?加倍，因?此之后发送方能够发送的报文段为：??2、4、8?...

注意到慢开始每个轮次都将 cwnd?加倍，这样会让 cwnd?增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度?增长速度过快，网络拥塞的可能也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当?cwnd?>= ssthresh?时，??进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd?加 1。

如果出现了超时，则令 ssthresh?= cwnd?/ 2，然后重新执行慢开始。