计算机网络第五章：运输层

1 运输层协议概述

1.1 进程之间的通信

• 从通信和信息处理的角度看，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
• 当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能
• 运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信
  
• 两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信
• 应用进程之间的通信又称为端到端的通信
• 运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务
• “运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接
• 运输层协议和网络层协议的主要区别
  

1.2 运输层的两个主要协议

TCP/IP 的运输层有两个不同的协议：

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

TCP 与 UDP：

• 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)
• TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段(segment)
• UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报

TCP/IP 体系中的运输层协议：

• UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式
• TCP 则提供面向连接的服务。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源

1.3 运输层的端口

• 运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的
• 运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符。这是因为在因特网上使用的计算机的操作系统种类很多，而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符
• 为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信，就必须用统一的方法对 TCP/IP 体系的应用进程进行标志

需要解决的问题：

• 由于进程的创建和撤销都是动态的，发送方几乎无法识别其他机器上的进程
• 有时我们会改换接收报文的进程，但并不需要通知所有发送方
• 我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点，而不需要知道实现这个功能的进程

端口号(protocol port number)简称为端口(port)：

• 解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号(protocol port number)，或通常简称为端口(port)
• 虽然通信的终点是应用进程，但我们可以把端口想象是通信的终点，因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的进程）就由 TCP 来完成

软件端口与硬件端口：

• 在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口
• 路由器或交换机上的端口是硬件端口
• 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一种地址

TCP 的端口：

• 端口用一个 16 位端口号进行标志
• 端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的

三类端口：

• 熟知端口，数值一般为 0~1023
• 登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在 IANA 登记，以防止重复
• 客户端口号或短暂端口号，数值为49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。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动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用

2 用户数据报协议 UDP

2.1 UDP 概述

• UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能
• 虽然 UDP 用户数据报只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的优点

UDP 的主要特点：

• UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
• UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制
• UDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求
• UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
• UDP 的首部开销小，只有 8 个字节

面向报文的 UDP：

• 发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界
• 应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文
• 接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文
• 应用程序必须选择合适大小的报文
  

2.2 UDP 的首部格式

3 传输控制协议 TCP 概述

3.1 TCP 最主要的特点

• TCP 是面向连接的运输层协议
• 每一条 TCP 连接只能有两个端点(endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）
• TCP 提供可靠交付的服务
• TCP 提供全双工通信
• 面向字节流

TCP 面向流的概念：

应当注意：

• TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接
• TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到TCP 的缓存中是不关心的
• TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP 发送的报文长度是应用进程给出的）
• TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送。TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去

3.2 TCP 的连接

• TCP 把连接作为最基本的抽象
• 每一条 TCP 连接有两个端点
• TCP 连接的端点不是主机，不是主机的IP 地址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。TCP 连接的端点叫做套接字(socket)或插口
• 端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了套接字

套接字 (socket)：

4 可靠传输的工作原理

4.1 停止等待协议

注意：

• 在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本
• 分组和确认分组都必须进行编号
• 超时计时器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

确认丢失和确认迟到：

可靠通信的实现：

• 使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信
• 这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ (Automatic Repeat reQuest)
• ARQ 表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组

停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低：

信道的利用率 $U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$

流水线传输：

• 发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认
• 由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式可获得很高的信道利用率
  

4.2 连续 ARQ 协议

累积确认：

• 接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了
• 累积确认有的优点是：容易实现，即使确认丢失也不必重传。缺点是：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息

Go-back-N（回退 N）：

• 如果发送方发送了前 5 个分组，而中间的第 3 个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次
• 这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的 N 个分组
• 可见当通信线路质量不好时，连续 ARQ 协议会带来负面的影响

TCP 可靠通信的具体实现：

• TCP 连接的每一端都必须设有两个窗口——一个发送窗口和一个接收窗口
• TCP 的可靠传输机制用字节的序号进行控制。TCP 所有的确认都是基于序号而不是基于报文段
• TCP 两端的四个窗口经常处于动态变化之中
• TCP连接的往返时间 RTT 也不是固定不变的。需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间

5 TCP 报文段的首部格式

• 源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现
• 序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号
• 确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号
• 数据偏移（即首部长度）——占 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。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）
• 保留字段——占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0
• 紧急 URG —— 当 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(相当于高优先级的数据)
• 确认 ACK —— 只有当 ACK  1 时确认号字段才有效。当 ACK  0 时，确认号无效
• 推送 PSH (PuSH) —— 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付
• 复位 RST (ReSeT) —— 当 RST  1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于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
• 同步 SYN —— 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文
• 终止 FIN (FINis) —— 用来释放一个连接。FIN  1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接
• 窗口字段 —— 占 2 字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节
• 检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。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
• 紧急指针字段 —— 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）
• 选项字段 —— 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”

其他选项：

• 窗口扩大选项 ——占 3 字节，其中有一个字节表示移位值 S。新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位数增大到(16 + S)，相当于把窗口值向左移动 S 位后获得实际的窗口大小
• 时间戳选项——占10 字节，其中最主要的字段时间戳值字段（4 字节）和时间戳回送回答字段（4 字节）
• 填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍

6 TCP 可靠传输的实现

6.1 以字节为单位的滑动窗口

发送缓存：

接收缓存：

发送缓存与接收缓存的作用：

• 发送缓存用来暂时存放：发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据，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：按序到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据，不按序到达的数据

注意：

• A 的发送窗口并不总是和 B 的接收窗口一样大（因为有一定的时间滞后）
• TCP 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理。通常是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程
• TCP 要求接收方必须有累积确认的功能，这样可以减小传输开销

7 TCP 的流量控制

7.1 利用滑动窗口实现流量控制

• 一般说来，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失
• 流量控制(flow control)就是让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞
• 利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制

流量控制举例：

持续计时器(persistence timer)：

• TCP 为每一个连接设有一个持续计时器
• 只要 TCP 连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器
• 若持续计时器设置的时间到期，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
• 若窗口仍然是零，则收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器
• 若窗口不是零，则死锁的僵局就可以打破了

7.2 必须考虑传输效率

• 可以用不同的机制来控制 TCP 报文段的发送时机
• 第一种机制是 TCP 维持一个变量，它等于最大报文段长度 MSS。只要缓存中存放的数据达到 MSS 字节时，就组装成一个 TCP 报文段发送出去
• 第二种机制是由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)操作
• 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

8 TCP的拥塞控制

8.1 拥塞控制的一般原理

• 在某段时间，若对网络中某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——产生拥塞(congestion)
• 出现资源拥塞的条件： 对资源需求的总和 > 可用资源
• 若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降

拥塞控制与流量控制的关系：

• 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
• 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素
• 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制
• 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收

8.2 几种拥塞控制方法

8.2.1 慢开始和拥塞避免

• 发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd (congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。如再考虑到接收方的接收能力，则发送窗口还可能小于拥塞窗口
• 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数

慢开始算法的原理：

• 在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口 cwnd = 1，即设置为一个最大报文段 MSS 的数值
• 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口加 1，即增加一个 MSS 的数值
• 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理

设置慢开始门限状态变量ssthresh：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法
• 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法
• 当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法
• 拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口 cwnd 缓慢地增大，即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1，而不是加倍，使拥塞窗口 cwnd 按线性规律缓慢增长