计算机组成原理 运输层

运输层

运输层协议概述

进程之间的通信

运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。
网络层为主机之间的通信提供服务，而运输层则在网络层的基础上，为应用进程之间的通信提供服务。

运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的就是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当运输层采用面向连接的 TCP 协议时，尽管下面的网络是不可靠的（只提供尽最大努力服务），但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。但当运输层采用无连接的UDP 协议时，这种逻辑通信信道仍然是一条不可靠信道。

运输层的两个主要协议

(1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)
(2) 传输控制协议 TCP (Transmjssion Control Protocol)

运输层的端口

每一个端口用一个称为端口号(port number) 的正整数来标志。主机的操作系统提供了接口机制，使得进程能够通过这种机制找到所要找的端口。
这种在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口，和路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念。硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口，而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的地点。

(I) 服务器端使用的端口号 这里又分为两类，最重要的一类叫作熟知端口号(wellknown port number)或全球通用端口号.

另一类叫作登记端口号，数值为 1024~49151 。这类端口号是为没有熟知端口号的应用程序使用的。要使用这类端口号必须存 IANA 按照规定的手续登记，以防止重复。
(2) 客户端使用的端口号 数值为 49152~65535 。由于这类端口号仅在客户进程运行时才动态选择，因此又叫作短暂端口号°。这类端口号就是临时端口号，留给客户进程选择临时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的端口号，因而可以把数据发送给客户进程。通信结束后，刚才已使用过的客户端口号就被系统收回，以便给其他客户进程使用。

用户数据报协议 UDP

UDP 概述

(1) UDP 是无连接的，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
(2) UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
(3) UDP 是面向报文的。发送方的 UDP 对应川程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。

(4) UDP 没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。
(5) UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
(6) UDP 的首部开销小，只有8个字节，比 TCP 20 个字节的首部要短。
复用示意图

UDP 的首部格式

UDP 用户数据报首部中检验和的计算方法有些特殊。在计箕检验和时，要在 UDP 用户数据报之前增加 12 个字节的伪首部。所谓“伪首部”是因为这种伪首部并不是 UDP 用户数据报真正的首部。只是在计算检验和时，临时添加在 UDP 用户数据报前面，得到一个临时UDP 用户数据报。检验和就是按照这个临时的 UDP 用户数据报来计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算检验和。

传输控制协议 TCP 概述

TCP 最主要的特点

(I) TCP 是面向连接的运输层协议。这就是说，应用程序在使用TCP 协议之前，必须先建立 TCP 连接。在传送数据完毕后，必须释放已经建立的 TCP 连接。
(2) TCP 连接只能有两个端点。
(3) TCP 提供可靠交付的服务。通过过 TCP 连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复，井且按序到达。
(4) TCP 提供全双工通信。
(5) 面向字节流。 TCP 中的“流”(stream)指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义是：虽然应用程子和 TCP 的交互是一次几个数据块（大小不等），但TCP 把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流。

TCP 的连接

TCP 连接的端点叫作套接字(socket)或插口
套接字 socket = (IP 地址:端号）
每一条 TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点（即套接字对 socket pair) 所确定。

可靠传输的工作原理

停止等待协议

1. 无差错情况
   停止等待协议是最简单的无差错情况。
   

2. 出现差错
   第一， 在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本（在发生超时直传时使用）。只有在收到相应的确认后才能消除暂时保衍的分组副本。
   第二,分组和确认分组都必须进行编号。。这样才能明确是哪一个发送出去的分组收到了确认，而哪一个分组还没有收到确认。
   第二，超时计时器设置的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。

3. 确认丢失和确认迟到
   

4. 信道利用率
   停止等待协议的优点是简单，但缺点是信追利用率太低.
   

U=Td/Td+RTT+Ta

连续 ARQ协议

示发送方维待的发送接口，它的意义是：位于发送窗口内的5个分组都可连续发送出去，而不需要等待对方的确认。这样，信道利用率就提高了。

TCP 报文段的首部格式

TCP 报文段首部的前 20 个字节是固定的，后面有 4n字节是。因此 TCP 首部的最小长度是 20 字节。
首部固定部分各字段的意义如下：
(1) 源端口和目的端口 各占2个字节，
(2) 序号 4字节。TCP向字节流的。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。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。首部中的序号字段们则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
(3) 确认号 4字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
(4) 数据偏移 4位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。。这个字段实际上是指出 TCP 报文段的首部长度.
(5) 保留 6位，保留为今后使用，但目前应设为0下面打6个控制位，用来说明木报文段的性质它们的，意义见下面的(6)~(11)
(6) 紧急 URG (URGent) URG = 1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当干高优先级的据），而不要按原来的排队顺序传送。
URG 时，发送应用进桯就告诉发送方的 TCP 有紧急数据婓传送。于是发送方TCP 就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。这时要与首部中紧急指针(Urgent Pointer)字段配合使用。
(7) 确认 ACK (ACKnowledgment) TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置为
(8) *推送 PSH (PuSH)*当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后守即就能够收到对方的响应。
(9) 复位 RST (ReSeT) 表明 TCP 连接中出现严重差错（如主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
(10) 同步 SYN (SYNchronization) 在连接建立时用来同步序号。表明这是一个连接诸求报文段。
(11) 终止 FIN (FINish) 用来释放一个连接。
(12) 窗口 2字节。窗口值是[0, 2^16- l] 之间的整数。窗口指的是发送本报文段的一方的接收窗口（而不是自己的发送窗口）。接收方的缓存容量单位字节。
(13) 检验和 2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和 UDP用户数据报一样，在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
(14) 紧急指针 2字节。它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据）。
(15) 选项 长度可变，最长可达 40 字节。

TCP 可靠传输的实现

以字节为单位的滑动窗口

第一，缓存空间和序号空间都是有限的，并且都是循环使用的
第二，由于缓存或窗口中实际的字节数可能很大

发送缓存用来暂时存放：
(1)发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据；
(2) TCP 已发送出但尚未收到确认的数据。

接收缓存用来暂时存放：
(1)按序到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据；
(2)未按序到达的数据。

超时重传时间的选择

TCP 采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时间 RTT TCP 保留了 RTT 的一个加权平均往返时间 RTTs
新的 RTTs = (1- a) （旧的 RTTs) + a*新的 RTT 样本）

选择确认 SACK

描述边界，防止重传，只传输未被确认的

TCP的流量控制

利用滑动窗口实现流量控制

流量控制(flowcontrol)就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

![TCP 连接的一方收到零窗口通知，启动持续计时器(persisence timer)，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带1字节的数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。

TCP 的传输效率

第一种机制是 TCP 维持一个变量，它等于最大报文段长度 MSS 心吓
只要缓存中存放的数据达到 MISS 字节时，就组装成一个 TCP 报文段发送出去。第二种机制是发送方的应用进程指明要求发送报文段，即 TCP 支持的推送（push)橾作。第三种机制是发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段（但长度不能超过
MSS) 发送出去。

TCP 的拥塞控制

拥塞控制的一般原理

若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫作拥塞（congestion) 。

拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不至于过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。流量控制往往是指点对点通信量的控制。

TCP 的拥塞控制方法

TCP 进行拥塞控制的算法有四种，即慢开始(slow-start)、拥塞避免(congestion avoidance) 、快重传(fast retransmit)和快恢复(fast recovery)

1. 慢开始和拥塞避免
   作基于窗口的拥塞控制。为此，发送方维持一个叫作拥塞窗
   cwnd (congestion winndow) 的状态变量。拥塞饼口的大小取决千网络的拥塞程度，并且是动态变化着的。发送方自己的发送窗口等于拥塞窗口。
   只要为在超时时间内收到确认消息就可以认为网络拥塞。
   慢开始算法的思路是这样的：当主机在已建立的 TCP 连接上开始发送数由小到大逐渐增大注入到网络中的数据字节，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。
   为了防止拥塞窗口 cwnd 增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限 ss hresh状态变量（可以把门限 ss hresh 的数值设置大些，

采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。

接收方窗口又称为通知窗口(advertised ndow) 。因此，从接收方对发送方的流护控制的角度考虑，发送方的发送窗口一定不能超过对方给出的接收方窗口值 rwnd

主动队列管理AQM

网络层的策略对 TCP 拥塞控制影响最大的就是路由器的分组丢弃策略。在最简单的情况下，路由器的队列通常都按照“先进先出 “FIFO (First In First Out)的规则处理到来的分组。

应当在队列长度达到某个值得警惕的数值时（即当网络拥塞有了某些拥塞征兆时），就主动丢弃到达的分组。这样就提醒了发送方放慢发送的速率，因而有可能使网络拥塞的程度减轻，

TCP 的运输连接管理

TCP 的连接建立

三次握手

TCP 的连接释放

TCP 还设有个保活计时器keepalive timer) 。设想有这样的情况：
客户已启动与服务器建立CP 连核。但后来客户端的主机突然出故障。

TCP 的有限状态机