传输层重要知识（面试，复试，期末）

一.概述

首先明确数据链路层所在网络层次的位置：
在OSI七层模型中处于自底向上第四层，在网络层上面；在TCP/IP四层模型中处于自底向上第三层。
从信息处理角度看，传输层主要为应用层提供服务。既是用户通信的最底层，也是面向用户通信的最高层。
重要功能：管理端到端的通信连接。

计算机与计算机之间如何识别进程呢？
答：使用端口(Port) 来标记不同的网络进程，端口(Port)使用16比特位表示(0~65535)。

FTP	HTTP	HTTPS	DNS	TELNET
21	80	443	53	23

二.UDP协议详解

2.1 什么是UDP数据

用户数据报协议(UDP)是一个非常简单的协议。
UDP数据报的数据：是应用层传来的完整数据。
UDP协议对数据报的数据不会进行任何处理，不会合并也不会拆分。因此数据报的长度取决于应用层传来的数据的长度。

UDP协议由两部分组成：UDP首部和UDP数据报的数据，其中UDP数据报的数据就是应用层数据。数据报整体就是IP数据报的数据。

2.2 UDP首部

由四个部分组成：

• 16位源端口号：源机器使用的网络进程
• 16位目的端口号：目的机器正在使用的网络进程
• 16位UDP长度：UDP数据报的长度（最短8个字节，即没有数据只有UDP首部）
• 16位UDP校验和：检测UDP数据报的数据传输中是否出错

2.3 UDP的特点

• UDP是无连接协议
• UDP 不能保证可靠 的交付数据
  因为UDP协议不建立连接，想发就发，无法保证数据在网络中是否丢失。
• UDP是面向报文传输的（即不进行处理）
• UDP没有拥塞控制
• UDP首部开销很小

三.TCP协议详解

传输控制协议(TCP)是计算机网络中非常复杂的一个协议。
结构与UDP相似，都是首部+数据报的数据。

3.1TCP的特点

• TCP是面向连接的协议
• TCP的一个连接有两端(点对点通信)
• TCP提供可靠的传输服务
• TCP协议提供全双工的通信
  相互通信的计算机之间可以同时发送/接受数据。
• TCP是面向字节流的协议
  字节流：流入/流出进程的字节序列。TCP不把应用传下来的数据当作一块完整的数据，而是看作一串字节流。TCP处理字节而非数据，所以可能拆分/合并应用层传下来的数据。

3.2 TCP首部

• 16位源端口
• 16位目的端口
• 32位序号：表示范围0~2³²-1，标记传输数据(字节流)的首字节，一个字节有一个对应的序号
• 32位确认号：期待收到的数据的首字节序号
  确认号为N：则表示N-1序号的数据都已经收到
• 4位数据偏移：表范围0~15，单位：32位字(4字节)，因TCP首部除了20字节的固定长度，首部整体长度是不固定(≥20)，数据偏移就表示数据距离首部的距离
• 保留字段
• 6位TCP标记：
• 16位窗口：指明允许对方发送给我的数据量
• 16位校验和
• 16位紧急执政：URG=1时，才会启用，指定紧急数据在报文中的位置
• TCP选项(可选)：最多40字节
• 填充

3.3 可靠传输

3.3.1 可靠传输的基本原理

3.3.1 停止等待协议

停止等待就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

停止等待协议是最简单的可靠传输协议，但是停止等待协议对信道的利用效率不高。

数据传输可能出现三种情况的差错：发送的消息在路上丢失了、确认的消息在路上丢失了、确认的消息很久才收到。停止等待协议就会依靠超时重传来保证可靠传输。
所以，没发送一个消息，都需要设置一个定时器，命名为超时定时器。

3.3.2 连续ARQ协议

ARQ：自动重传请求
既然单个发送和确认效率低，可不可以批量发送和确认?
滑动窗口算法
累计确认：比如按顺序接收到第4个消息的确认信息，就认为前四个消息对方都接收到了

TCP的可靠传输基于连续ARQ协议（滑动窗口以字节为单位）。

3.3.2 选择重传

如果收到第三个和第五个窗口的确认消息，那么不是按顺序的，就不能累计确认。要从第一个窗口重新传输，所以效率不高。引进选择重传。

• 选择重传需要指定需要重传的字节
• 每一个字节都有唯一的32位序号
• 选择重传存储在TCP选项中，存储的是一段丢失的字节流的边界

3.4 流量控制

流量控制指让发送方发送速率不要太快，流量控制是使用滑动窗口来实现的。
接收方通过窗口大小控制对方发送速率。

如果接收方回复的窗口大小恢复的消息丢失，发送方会一直以为接收方窗口已满而且不在发送消息，而接受方也一直接收不到消息，这就形成了死锁。为解决这一问题，引进坚持定时器。
当接收到窗口为0的消息，则启动坚持定时器，坚持定时器每隔一段时间向对方发送一个窗口探测报文，询问窗口是否增大。

3.5 拥塞控制

为什么会拥塞？
一条数据链路经过非常多的设备，数据链路中各个部分都有可能成为网路传输的瓶颈，比如：网络中各种路由器性能可能不一样、传输导体的传输速率不一样，都会导致瓶颈。一言以蔽之，可用的资源无法满足网络对硬件设备的性能要求就会造成拥塞。

3.5.1 拥塞控制和流量控制的区别

虽然二者都是控制流量，但是有区别：

• 流量控制考虑点对点的通信量的控制
• 拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑

3.5.2 判断拥塞的方法

报文传送超时则可认为拥塞

3.5.3 拥塞控制算法

3.5.3.1 慢启动算法

• 由小到大逐渐增加发送数据量
• 每收到一个报文确认，就加一（指数增长：eg:1、2、4、8……）
• 指数增长是很快的，所以会设定一个慢启动阈值，达到阈值就不会增长了

3.5.3.2 拥塞避免算法

达到慢启动阈值就会进行此算法。

• 维护一个拥塞窗口的变量（大于慢启动阈值）
• 只要网络不拥塞（即报文不超时），就试探着拥塞窗口调大（加一，比如阈值是16，下次就17、18……）

3.6 TCP连接的建立(三次握手)

先复习一下前面TCP首部中的TCP标记中的三个：

• ACK：Acknowledgement:确认位，ACK=1,确认号才生效
• SYN：Synchronization:同步位，SYN=1 表示连接请求报文
• FIN：Finish:终止位，FIN=1 表示释放连接

由上图可以看出发送方和接受方建立连接不是同步的。发送方在第二次握手的时候就建立连接；接收方在第三次握手时建立连接。当双方都建立连接后就可进行数据传输了。

为什么发送方要发出第三个确认报文呢?
当已经失效的连接请求报文传送到对方时， 两次握手引起错误。

3.7 TCP连接的释放(四次挥手)

上图接收方再确认完成后就会进入关闭状态；发送方在等待计时器结束后就会进入关闭状态。

等待计时器等待2MSL。
MSL(Max Segment Lifetime): 最长报文段寿命。MSL一般设置为2分钟。

为什么需要等待2MSL？

• 最后一个报文没有确认
• 确保发送方的ACK可以到达接收方
• 2MSL时间内没有收到，则接收方会重发
• 确保当前连接的所有报文都已经过期