物联网组网与通信技术——传输层基础知识

传输层基础知识

|| 先完成作业咯(^__) 嘻嘻……

传输层协议的作用包括哪些？哪些作用是最基本的？

传输层为运行在不同主机上的应用进程之间提供端到端的逻辑通信
复用与分解（最基本）、可靠数据传输、流量控制、拥塞控制。

UDP协议的优点是什么？主要用于传输什么类型的业务？

无需建立连接，时延较小；
发送方和连接方无需维持连接状态；
报文段的首部开销小；
无拥塞控制，UDP可以达到很高的发送速率。

主要用于可以容忍丢失但对速率敏感的业务比如流媒体应用，还有DNS，简单网络管理协议SNMP中。

在可靠传输原理中，处理冗余的有效方法是什么？

对分组进行标号，在接收方对相同标号的分组进行处理。

在可靠传输原理中，怎么用ACK代替了NAK？

用ACK代替NAK，接收方为最后一个成功接收的分组发送ACK，接收方必须在ACK报文中包含所确认的分组序号。发送方接收到冗余的ACK可视为接到NAK，重传当前分组。

在可靠传输原理中，处理丢包的有效方法是什么？

每次发送分组时会设置一个定时器，当时间结束还未收到回复时就会重传数据，有效地处理了丢包问题。

简述GBN和SR的优缺点。
GBN：
优点—— 接收方缓存简单，不需要缓存任何失序分组
缺点—— 随后的分组重传也许丢失或错误，引起更多重传
SR：
优点——能够精确定位，相同情况下重传量较GBN小
缺点——回复报文ACK的开销比较大，需要考虑缓存设计
流量控制和拥塞控制有什么共同点和不同点？

共同点：都是控制发送方的发送速率
不同点：流量控制是接收方接收不过来数据而通知发送方降低发送速率，拥塞控制是发送方检测到网络拥堵而降低发送速率。

为什么TCP的连接建立需要三次握手？

我们知道在第一步客户机端可能向服务器端发送多个SYN请求，那么服务器端就可能会为同一个报文分配多个缓存，在第三步客户机端回复ACK，就可以让服务器端释放掉不需要占用的缓存资源，这样就避免了重复建立连接引起的资源浪费。

简述超时定时器时长对TCP性能的影响。

定时器时间设置过短——太早超时引起不必要的重传。
定时器时间设置过长——对报文段丢失反映太慢。

|| 传输层服务与协议

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传输层为运行在不同主机上的 应用进程 之间提供端到端的逻辑通信。
网络层为不同的主机提供逻辑通信。
传输层依赖并受限于网络层服务（定时，带宽保证），同时也能增强网络服务（可靠数据传输，安全性）。

发送方收集应用进程数据，封装成报文段，然后传递给网络层（复用网络层服务），接收方将报文恢复成报文，然后传递给正确的应用进程（分解）。

|| 复用与分解

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发送主机的复用：从不同套接字中收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息（将在分解时使用）

接收主机的分解：将接收到的报文段交付给正确的套接字。（套接字是用于区分不同应用进程的）

那复用和分解是怎样完成的呢？

主机接收到一个IP数据报，每个数据报又会有源IP地址和目的IP地址，（这是为了能够正确送达主机），每一个数据报携带一个传输层报文段，每一个报文段都有源端口号和目的端口号（这是为了正确送达具体的进程），就好比你写信一定要写清地址和收信人姓名。

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再了解一些分解的内容，分解有无连接的分解和面向连接的分解。下图解释的很清楚了。

UDP套接字是由二元组识别
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TCP套接字通过四元组识别

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|| 无连接传输： UDP

我们先来了解一下 UDP 的特点吧

UDP 是最“懒”的因特网传输层协议，它提供“best effort” 的服务，因此报文段可能会丢失，错序；同时，它也是一种无连接的协议，发接双方无需握手。

那既然UDP这么“懒”，我们为什么还需要它呢？？

其实，无需建立连接意味着可以减少很大一部分延时，这种协议比较简单，发接双方无需维持连接状态，报文段首部的开销也会比较小，没有拥塞控制可以达到很高的发送速率，所以对于那些对速率比较敏感的（比如看视频）可以采取UDP协议。

那UDP能不能进行可靠传输呢？其实是可以依赖应用层进行的！

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发送方会将报文段内容视为16比特字串进行处理，对报文中的所有16比特字进行求和运算（1的补码和），然后将其放入UDP报文段的检验和字段。

接收方会计算接收的报文段的检验和，检查计算出的检验和是否等于传输过来的检验和的值，如果不等，一定有错出现；如果相等，不一定没有错误。

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|| 可靠的数据传输（RDT , reliable data delivery）原理（停等）

没有一个信道是100%可靠的，既有可能 丢去分组，也有可能出现比特 传输错误。

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让我们一起来分析一下各种复杂的情况吧！！

Rdt 1.0 : 在可靠信道上的可靠传输

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Rdt 2.0 : 存在比特错误的信道

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思考一下这是一个完美的协议吗？？显然不是！！！

试想一下如果ACV或者NAK发生错误，那么发送方根本不会知道接收方到底发生了什么！！！也不会立即重传，这样是会发生冗余的。那怎么办呢？？

其实可以为每个分组添加序号，如果ACK/NAK受损发送方会重传当前分组（也不排除序号受损的情况），接收方会按照序号丢弃重复分组。

Rdt 2.1 : 处理受损的 ACK / NAK

发送方
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接收方

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Rdt 2.2 : 一个无NAK协议

用ACK代替NAK，接收方为最后一个成功接收的分组发送ACK，接收方必须在ACK报文中包含所确认的分组序号，当发送方接收到冗余的ACK可视为接收到NAK，会重传当前分组。

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要深刻理解什么是最后一个成功发送的分组

Rdt 3.0 : 具有丢失和错误的信道

以上我们分析了无错、出错的情况，其实还有一个更糟糕的情况那是什么呢？试想如果回复信息丢失了，那发送方是不是要一直等待没有结果？那该怎么办呢？答案其实呼之欲出了，就是设置定时器！！！

情况1：ACK/NAK 丢失了，一段时间结束后，发送方自动重传
情况2：网络不太好，ACK/NAK来迟了，没关系，虽然已经进行了重传，但用序号法就可以解决这个问题了

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这个有什么特点呢？就是说发送方接收到corrupt()或者ACK中其他序号时，不用立即重传，等着timer结束即可

以下介绍了无丢包、丢发送包、丢回复包、时间过长的四种情况。
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我们所讨论的可靠传输协议被称为停等协议
（1）每次只能发送一个分组，在高带宽，长延时的链路上，效率非常低
（2）通过引入序号解决重发分组可能带来的数据冗余
（3）通过引入定时器解决分组丢失

思考：这种协议是不是高效呢？？显然不是

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有没有解决办法呢??当然啦！！！

下面介绍可以提高信道利用率的 流水线可靠数据传输协议

流水线技术就是说发送方允许多个未被确认的分组同时传输，所以必须增加序号范围，收发双方都需要缓存多个分组（以备重传），还需要确定序号的范围和缓冲的大小
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有两种基本形式——回退N步（GBN），选择性重传(SR)

发送方可以有N个未确认分组处于流水线中，需接收方发送累积确认，确认序号表明该分组及以前的分组均正确收到，发送方为每个未确认的分组设置定时器，超时则重传。
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优点：接收方缓存简单，不需要缓存任何失序分组
缺点：随后的分组重传也许丢失或错误，更多重传
GBN 的性能问题：
（1）单个分组的差错可能引起GBN重传大量分组，许多分组其实并没有错，没必要重传
（2）信道差错率增加的情况下，引起大量没有必要的重传
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SR
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发送方可以有N个未确认分组处于流水线中，接收方逐个确认每个分组（必要时缓存分组，最终按序交付给上层），发送方为每个未确认的分组设置超时定时器，如果超时仅仅重传超时的分组（ACK的量会比较大，但是能够精准定位）

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|| 面向连接的TCP
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特点：
（1）端到端：一方发，一方收
（2）字节流传送：可靠、按序，没有“报文边界”
（3）流水线协议：发送窗口大小由拥塞控制与流量控制机制决定
（4）发送、接收缓存
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（5）全双工数据传输：在同一连接中双向传输
（6）面向连接：数据交换前通过握手实现收发状态的初始化
（7）具有流量控制、拥塞控制：控制发方的数据发送速度
（流量——接收方收不过来；拥塞控制——网络拥堵）