计算机网络原理-网络七层-传输层

一、传输层的基本服务

1、传输层功能

1. 传输层的核心任务：应用进程之间提供端到端的逻辑通信服务
2. 只有主机才有传输层，网络核心中的：路由器、交换机、集线器，只有下三层
3. 传输层的功能
   1. 对应用层报文进行分段重组
   2. 面向应用层实现复用与分解
   3. 实现端到端的流量控制
   4. 拥塞控制
   5. 传输层寻址
   6. 对报文进行差错检测
   7. 实现进程间端到端的可靠数据控制传输

2、传输层寻址与端口

1. 一台计算机中，不同应用进程用进程标识符（进程ID）区分
2. 在全网范围内利用ip地址+端口号唯一标识一个通讯端点
3. 传输层端口号为16位整数，可以编号65536个（2的16次方）：常用端口号：小于256的端口号
4. 

3、无连接服务与面向连接服务

二、 传输层的复用与分解

1、复用与分解

1. 多路复用：在源主机，传输层协议从不同的套接字收集应用进程发送的数据块，并为每个数据块包装上首部信息（包括用于分解的信息）构成报文段，然后将报文段传递给网络层
2. 多路分解：在目的主机，传输层读取报文段中的数据，标识出接收套接字，进而通过该套接字，将传输层的报文段数据交付给正确的套接字
3. 多路复用与多路分解（复用与分解/复用与分用）：支持众多应用进程公用一个传输层协议，并能够将接收到的数据准确的交付给不同的应用进程

2、无连接的多路复用与多路分解

1. UDP（用户数据报协议）：无连接服务的传输层协议
2. UDP套接字二元组：<目的ip地址，目的端口号>

3、面向连接的多路复用与多路分解

1. TCP（传输控制协议）：面向连接服务的传输层协议
2. TCP套接字四元组：<源ip地址，源端口号，目的ip地址，目的端口号>

三、停-等协议与滑动窗口协议

1、可靠数据传输基本原理

基于不可靠信道实现可靠数据传输的采取的措施

1. 差错检测：利用编码实现数据包传输过程中的比特错误检测
2. 确认：接收方向发送方反馈接收状态（ACK：成功；NCK：失败）
3. 重传：发送方重新向接收方发送接收方没有收到的数据
4. 序号：确保数据按序提交
5. 计时器：解决数据丢失问题

2、停-等协议（自动重传协议（ARQ））

停-等协议工作流程：发送方经过报文段等待接收方确认，接收方校验通过接收后返回ACK，校验不通过返回NCK，发送方接收到ACK后继续发送后续报文，否则重发刚刚发送的报文

3、滑动窗口协议

流水线协议（管道协议）：允许发送方在没有收到确认前连续发送多个分组；最典型的流水线协议：滑动窗口协议

根据窗口大小，可具体分为：

1. 回退N步协议：GBN协议：发送窗口Ws ≥1 ，接收窗口Wr =1。
2. 选择重传协议：SR协议：发送窗口Ws ＞1，接收窗口Wr ＞1。

四、用户数据报协议（UDP）

UDP：传输层协议，提供无连接、不可靠、数据报尽力传输协议

1、UDP特点

1. 应用进程容易控制发送什么数据何时发送，会出现分组的丢失和重复
2. 无需建立连接
3. 无连接状态
4. 首部开销小，只需8个字节

2、UDP数据报结构

UDP首部四个字段：每个字段2字节，共8个字节

1. 源端口号、目的端口号：UDP实现复用与分解
2. 长度：UDP报文中的字节数（首部和数据的总和）
3. 校验和：接收方用来校验数据报是否有差错

3、UDP校验和

UDP校验和计算规则

1. 所有参与计算的内容按16位对齐求和
2. 计算过程中如有溢出则进行反卷（进位与和的最低位再进行相加）
3. 最后得到的和取反码，就是UDP校验和，填入数据报的校验和字段

UDP校验和参与计算的内容包含3部分：伪首部（只参与计算，不传输）、首部、应用数据

五、传输控制协议（TCP） 

传输控制协议（TCP）：传输层协议，提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务

1. 应用进程先建立连接
2. 每条TCP连接只有两个端点
3. 可靠交付：无差错、不丢失、不重复、按序到达
4. 全双工通讯
5. 面向字节流

1、TCP报文结构

TCP首部分为：固定首部（20字节）、选项（0-40字节） 

1. 序号字段：对每个应用层数据的每个字节进行编码
2. 确认序号字段：期望从对方接受数据的字节序号，即还未接收到的数据，用ack_seq表示
3. TCP首部长度最短20字节，最长60字节
4. 首部长度的单位是4字节，所以首部长度=首部长度字段值*4

URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN各占1位。为标志位字段；
各占1位，值为0或1；

1. 紧急URG=1，紧急指针字段有效，优先传送。
2. 确认ACK=1，确认序号字段有效；ACK=0时，确认序号字段无效。
3. 推送PSH=1，尽快将报文段中的数据交付接收应用迚程，丌要等缓存满了再交付。
4. 复位RST=1，TCP连接出现严重差错，释放连接，再重新建立TCP连接。
5. 同步SYN=1，该TCP报文段是一个建立新连接请求控制段或者同意建立新连接的确认段。
6. 终止FIN=1，TCP报文段的发送端数据已经发送完毕，请求释放连接。

2、连接管理

三次握手

解释：

1. 期初客户端和服务器都处于CLOSED（关闭阶段），第一步首先服务器启动，服务器进入LISTEN（监听状态）
2. 第一次握手：客户端向服务器发送请求（SYN=1（建立连接请求）,seq=x（该报文段的序号x）），此时客户端进入SYN_SENT（同步发送）
3. 第二次握手：服务端接收到客户端请求后给客户端返回应答（SYN=1（响应建立连接请求）ACK=1（同意建立连接响应）seq=y（响应报文的序列号y）ack_seq=x+1（下次请求需要的报文序列号）），此时服务端进入SYN_RCVD（同步收到）
4. 第三次握手：客户端对服务端的同意连接进行确认（ACK=1（正常响应）seq=x+1（本次报文序列号）ack_seq=y+1（客户端希望下次接收到服务端的序列号）），此时客户端进入ESTABLISHED（已建立连接），服务端接收到ACK后进入ESTABLISHED（已建立连接）（注意：第三次握手可携带数据）

解释：

1. 拆除连接之前客户端和服务端都处于（ESTABLISHED：已建立连接传输数据状态）
2. 第一次挥手：客户端发送释放连接报文（FIN=1（数据发送完毕请求释放连接）seq=u（本次报文的序列号）），此时客户端从ESTABLISHED进入到FIN_WAIT_1（终止等待1）
3. 第二次挥手：服务端接收到客户端释放连接请求后响应客户端（ACK=1（确认请求）seq=v（本次请求报文序列号）ack_seq=u+1（服务端希望下次接收到的报文序列号）），服务端进入到CLOSE_WAIT（关闭等待），客户端接收到响应后进入FIN_WAIT_2（终止等待2）
4. 第三次挥手：服务端发送完数据后给客户端发送释放连接报文（FIN=1（终止请求）ACK=1（确认响应）seq=v+1（本次报文序列号）ack_seq=u+1（下次希望收到的序列号）），服务端进入到LAST_ACK（最后应答）
5. 第四次挥手：客户端接收到服务端释放连接请求后响应服务端（ACK=1,seq=u+1,ack_seq=v+1+1）此时客户端进入TIME_WAIT，等待2MSL时间进入到CLOSED状态，服务端接收到响应后进入到CLOSED状态

 3、TCP可靠数据传输工作机制

1. 应用层数据被分割成TCP认为最合适发送的数据块
2. 序号，发送方对发送的数据进行编号，确保数据按照编号提交跟接收方
3. 确认，接收方向发送方反馈接收状态，确认是否正确接收数据（TCP采用累积确认）
4. 差错检测，利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检测
5. 重传，发送发重新发送没有被接收方正在接收的数据
6. 计时器，在发送方引入计时器，解决数据丢失问题

4、TCP流量控制

流量控制：协调接收方和发送方的数据发送接收速度

TCP报文结构中，接收窗口字段用于实现TCP的流量控制

5、TCP拥塞控制

拥塞控制：通过合理调度、规范、调整向网络中发送数据的主机数量、发送速率、数据量，以避免拥塞或消除已发生的拥塞

概念：

1. 拥塞窗口（CongWin）：连接开始为1MSS（一个报文段最大长度）
2. 阈值（Threshold）：临界值

TCP拥塞控制算法：

1、慢启动：在TCP建立连接时，每经过1个RTT时间，拥塞窗口增大1倍

2、拥塞避免：当拥塞窗口大于等于阈值时，每经过1个RTT时间，拥塞窗口加1

3、快速重传：收到3次重复确认，则推断该报文段已丢失，于是立即重传被重复确认的报文段

4、快速恢复：当发生3次重复确认时，不再从慢启动开始而是从新的阈值开始直接进入拥塞避免阶段（网络拥塞程度并不严重）

怎么算报文丢失？

1. 收到3次重复确认（网络拥塞并不是很严重）：触发快速恢复算法，计算新的阈值（新的阈值=当前拥塞窗口/2），新拥塞窗口调整为新阈值，从新的阈值直接进入拥塞避免阶段
2. 计时器超时（网络拥塞严重）：新的阈值=当前拥塞窗口/2；新的拥塞窗口调整为1MSS，然后从1MSS进入到慢启动阶段，到达新阈值后进入到拥塞避免阶段