计算机网络复习-运输层

前言

传输层是整个网络体系中的关键层次。为运行在不同主机上的进程提供逻辑通信。网络层为不同主机提供逻辑通信。

1、概述

1.1 运输层的通信端点

主机中的进程号

1.2 协议端口号的作用，常见端口号

协议端口号的作用：识别目的主机中需要通信的进程

2、UDP

UDP是一种轻量级的传输协议，UDP协议仅在IP数据报服务上加了复用和分用以及差错检测。UDP是一种不可靠的传输协议，但因其拥有更高的传输效率，在一些对传输数据不需要非常严谨的条件下，使用UDP较TCP更有优势。
UDP的优点：

• UDP无需建立连接。因此UDP不会引入建立连接的时延。如果对可靠性要求高，则就需要使用TCP。
• 无连接状态。TCP需要在端系统中维护连接状态，而UDP不需要，因此能够支持更多的活动客户机。
• 分组首部开销小。TCP首部20B，UDP首部8B。
• 应用层能更好的控制要发送的数据和发送时间。UDP没有拥塞控制，因此在网络中的拥塞不会影响主机的发送效率。
• UDP是面向报文的，适合一次性传输少量数据的网络应用。

3、TCP

TCP是在不可靠的IP层之上实现的可靠的数据传输协议，它主要解决可靠、有序、无丢失和不重复问题。
TCP特点：

• TCP是面向连接的传输协议。
• 每条TCP的连接只能由两个端点，每条TCP连接只能是点对点的。
• TCP提供可靠交付服务，保证传送的数据无差错、不丢失、不重复且有序。
• TCP提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据，因此TCP连接的两端都设有发送缓存和接受缓存，用来临时存放双向的通信的数据。
  发送缓存用来暂时存放：
  ①发送应用程序传送给发送方TCP主备发送的数据，；
  ②TCP已发送单位收到确认的数据。
  接收缓存用来暂时存放：
  ①按序到达但尚未被接收应用程序读取的数据。
  ②不按序到达的数据。
• TCP时面向字节流的，虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块,但TCP把应用程序交下来的数据仅视为一连串的无结构字节流。

套接字概念及形式

4、可靠传输工作原理

4.1 停止等待协议实现可靠传输

机制：停止等待协议就是每发送一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到对方的确认后再发送下一个分组。
特点：显然这个这个时候信道利用率极低，为了提高信道的利用率的效率，采取像计算机组成原理中讲到的”指令流水线思想“。再计网中流水线的体现就是ARQ协议的滑动窗口。

4.2 ARQ协议实现可靠传输与Go-Back-N

机制：发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。接收方不必对收到的每个分组逐个发送确认，而是收到几个分组后，对按序到达的最后一个分组发送确认。

优点：容易实现，信道利用率提高。
缺点：当中间某个分组丢失时，发送发必须从丢失的那个分组开始将后面所有分组重传，也就是Go-back-N机制。以此实现可靠传输。可见，当通信线路不好时，连续ARQ协议会带来负面的影响。

5、TCP首部

理解TCP首部各字段含义非常重要，后期三次握手四次挥手客户端服务端之间的同步连接信号都是通过TCP首部字段来实现的。

• 序号（seq）：本报文段所发送的数据的第一个字节的序号
• 确认号（ack）：发送发期望收到的下个报文段的数据的第一个字节序号。
• 数据偏移：数据起始处距离TCP报文段的起始有多远。
• URG：URG=1，表明紧急指针字段有效，因尽快传输
• ACK：确认位，ACK=1时，确认号有效，ACK=0时确认号无效。
• PSH：推送位，PSH=1时表明将发送缓存中尽快交付应用进程，而不是等到缓存位满了才交付。
• RST：复位位，当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，重新建立运输连接。
• SYN：同步位，当SYN=1时，表示这是一个请求连接或连接接收报文。
  当SYN=1，ACK=0，这是一个请求连接报文，若对方同意建立连接，则在响应报文中SYN=1，ACK=1，即连接接收。
• FIN：中止位，用来释放一个连接，FIN=1表明此报文段的发送发的数据已经发送完毕，请求释放传输连接。
• MSS：TCP报文段中的数据字段的最大长度。

6、可靠传输的实现

6.1 滑动窗口机制的工作原理

我自己的理解是，滑动窗口机制就是，B是接收方，A是发送方，A根据B的拥塞情况设置自己的发送窗口大小。
A：已发送并收到确认，已发送未被收到确认，允许发送但未发送，不允许发送。
B：以发送确认并交付主机，未按顺序到达，语序接收，不允许接收。

可靠之处在于，发送窗口没发送一个字节都设置一个计时器，也就是超时重传时间，当超过这个时间还没接收到接收端发送的确认，就重传。
若B收到未按顺序的字节先保留在接收缓存中，直到收到前面缺少字节再将给A发送确认。关键在于，超时重传时间的选择，是一个关键，设置小了会导致重传次数增多，导致网络拥塞，设置大量导致网络空闲时间增多，传输效率降低。因此就针对该问题，提出了超时重传时间选择的问题。

6.2 超时重传时间

TCP设置了一种自适应算法来设置最为合理的$RTO$（超时重传时间）。$RTO$由$RT{T}_S$与$RT{T}_D$两部分构成。

$RT{T}_S$: 每个报文从发出到收到确认的时间间隔为$RTT$（报文的往返时间）。求$RTT$的一个加权平均往返时间$RT{T}_S$。
$$RT{T}_s=(1-\alpha )\times (旧RT{T}_s)+\alpha \times (新的RTT样本)$$
$$0\le \alpha <1，\alpha 一般取0.125。$$

$RT{T}_D$: $RT{T}_D$是$RTT$的偏差加权平均值，当第一次测量时，$RT{T}_D$值取为测量到的$RTT$样本值的一半。更新公式如下。

$$RT{T}_D=(1-\beta )\times (旧RT{T}_D)+\beta \times (RT{T}_S-RTT样本)$$

$$这里\beta 是小于1的系数，一般取0.25$$

$$RTO=RT{T}_s+4\times RT{T}_D$$

有了超时重传时间的计算公式，发现，当RTT的取值可能是，偏大，或者偏小的（考虑超时重传报文的特点）。如果不解决这个问题，计算出来的RTO仍然是没有用的，最先出现的karn算法，规定“只要出现了报文段重传，就不采取此时的RTT样本”。网络中可能一直发生重传也就是RTO不会得到更新，因此出现了改进的karn算法，
$$新RTO=\gamma \times (旧RTO)$$

$$\gamma 一般取2，当不再发生重传的时候才根据报文段的RTT更新RT{T}_S和RTO$$

以上就是TCP中的可靠传输机制的实现

7、TCP流量控制

一般来说，网络总是希望传输的越快越好，但是发送的过快，可能接收方来不及接收，导致数据丢失，为了解决速度不匹配的问题，出现了流量控制。使用滑动窗口机制来实现流量控制。

8、TCP 拥塞控制

必出大题！
当出现网络拥塞时的情况为：$\sum 对资源的需求>可用资源$。这个时候处理拥塞控制不简单的采取增加网络资源，可能会导致更坏的网络情况。需要分析拥塞发生的原因，采取更为复杂的手段处理网络拥塞。
TCP进行拥塞的算法有四种。慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复。

假设：
① 数据是单方向的传送，对方只传送确认报文。
② 接收方总是由足够大的缓存空间，因而发送窗口的大小由网络的用色成都来决定。

8.1 拥塞控制所起的作用

拥塞控制：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致过载。

8.2 四大算法

（1） 慢开始和拥塞避免算法

• 慢开始算法：
  先令拥塞窗口cwnd=1，即一个最大报文段长度MSS。每经过一个轮次（往返时延RTT），就将cwnd加倍，cwnd以指数增长，知道到达sstresh改用拥塞避免算法。
• 拥塞避免算法：
  cwnd每经过一个RTT就增加一个MSS（加法增大），而不是加倍。需要强调的是，拥塞避免算法是在一定程度上避免网络拥塞，而不是完全避免网络拥塞。

根据cwnd大小执行不同算法如下：
cwnd < sstresh : 慢开始算法
cwnd > sstresh : 拥塞避免算法
cwnd = sstresh : 通常使用拥塞避免算法。

无论使用哪种算法，只要发生网络拥塞，就将sstresh设置为当前cwnd的一半，将cwnd设置为1，执行慢开始算法。

（2）快重传和快恢复
快重传和快回复算法是对慢开始和拥塞避免算法的改进。

• 快重传
  当发送发连续收到三个（来自接收方）重复的ACK报文时，直接重传对方尚未收到的报文段，而不必等待报文段的计时器超时。

• 快恢复
  当发送端收到三个ACK报文后，ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd也设置为当前cwnd的一半，然后开始执行拥塞避免算法。

在流量控制中，rwnd大小根据接收方确定。在拥塞控制中，cwnd则是发送发根据网络情况自行调节。

发送方窗口的实际大小由流量控制和拥塞控制共同决定的，发送窗口应该取min{rwnd, cwnd}

9、TCP的运输连接管理

更加详细在这里

9.1 三次握手

服务器创建传输控制模块TCB，进入监听状态。
客户端创建传输控制模块TCB。
①客户端向服务器发送连接请求报文，SYN=1，初始化序号seq=x。进入SYN-SENT状态。
②服务器收到客户端发送的连接请求报文后，回复连接同意报文，SYN=1，seq=y，ack=x+1，ACK=1。进入SYN-RCVD状态。
③客户端收到服务端回复的连接同意报文后，再回复给服务器一个，确认报文，SYN=1，seq=x+1，ack=y+1，ACK=1。进入ESTABLISHED状态。

9.2 四次挥手

服务器创建传输控制块TCB，时刻准备接收客户进程的请求。
客户端创建传输控制块TCB，然后向服务器发送释放请求报文。
①客户端向服务端发送连接释放请求报文，FIN=1，seq=u。FIN-WAIT-1.
②服务端收到服务端的报文后，如果同意连接，回复ACK=1，seq=v, ack=u+1。进入CLOSE-WAIT状态。客户端收到服务端的同意报文后，进入FIN-WAIT-2状态。
③服务器发送完数据以后，就向客户端发送，FIN=1，seq=w，ack=u+1，进入LAST-ACK状态。
④客户端收到服务端发送的报文后，回复确认ACK=1 ，seq=u+1, ack=w+1,客户端进入TIME-WAIT（时间等待），等待2MSL以后没有收到服务端的报文就将连接释放。
（等待2MSL是，为了收到客户端的最后一个ACK报文，同时为了阻断客户端之前发送但是未传送过来的报文）