计算机网络之传输层

１传输层协议概述

注意：只有主机的协议栈才有运输层，而网络核心部分的路由器在转发分组时都只用下三层（物理层、数据链路层、网络层）的功能。
　　我们知道，IP协议能够把源主机Ａ发送的分组按照首部中的目的地址发送给目的主机Ｂ，那么为什么还需要传输层呢？
　　从IP层来看，通信的两端是两个主机，但是通信的实质并不是主机之间的通信，而是主机的进程间的通信，，端到端的通信指的就是应用进程间的通信，而传输层真正意义上实现了端到端通信。
　　

　　　

　　从这里可以看出网络层和传输层之间的区别，网络层为主机之间提供了逻辑通信，而传输层为应用进程之间提供了端到端的逻辑通信。

２传输层的两个主要协议和几个概念

（１）用户数据报协议UDP
（２）传输控制协议TCP
　　UDP在传输数据之前不需要建立连接，远方主机的传输层在收到UDP报文后，也不需要给出确认，即UDP提供了不可靠传输，如：DNS域名解析器、QQ聊天和屏幕分享广播。
　　而TCP则是面向连接的传输服务，数据传送之前应该建立连接而数据传输之后释放连接。由于TCP提供的是可靠的、面向连接的服务，不可避免地增加一些开销。
　　UDP和TCP的对比见上一篇博客 计算机网络问题集锦
　　下面介绍在传输层中会用到的几个
　　复用：发送方的不同应用进程都可以使用同一个运输层。
　　分用：接收方的传输层接收到
　　IP报文以后，将报文去掉头部后可分发给不同而应用进程。

３UDP

UDP知识在IP服务至善加了一点功能：分用、复用、差错检测。
　　UDP特点如下：
　　（１）无连接　因此减小了开销和时延。
　　（２）尽最大努力交付，即提供的是不可靠传输。
　　（３）面向报文的传输
　　（４）没有拥塞控制
　　（５）支持一对一、一对多、多对多和多对一的通信
　　（６）首部开销比较小

４TCP

TCP的主要特点如下：
　　（１）TCP是面向连接的协议
　　（2）每一条TCP连接只能有两个端点， 每一条TCP连接都必须是点对点的。
　　（3）提供可靠传输
　　（4）面向字节流的传输
　　（5）全双工通信

4.1TCP的连接

TCP把连接作为基本的抽象。TCP的很多特征都与TCP是面向连接的这一基本特征有关。TCP连接的端点叫做套接字或插口。
　　　　　　　　　　　　　　套接字socket=（IP地址：端口号）
每一条TCP连接唯一地被通信两端的连个端点所确定，即：
　　　　　　　 TCP连接：：={sockte1，socket2}={（IP1:port1），（IP2：port2）｝

４.２TCP可靠传输

为了实现可靠传输，我们可以采用停止等待协议（简单地说，停止对等待协议要求A发送数据后等待B的确认消息，A收到B的确认后再发送下一条分组，当确认丢失或者确认迟到后就要进行重传），但是停止等待协议的效率太低。
　　为了提高停止等待协议的传输效率，采用了流水线传输的方式（流水线传输就是发送方可以连续发送多个分组，不需要每个分组都要等待确认）
　　此处省略了TCP报文段首部1格式的介绍，这部分内容虽然简单，但需要理解清楚，并记忆几个重要的部分，只有弄清楚TCP首部各个字段的作用才能掌握TCP的工作原理。

4.3TCP可靠传输的实现

关于滑动窗口问题的几点强调：
　　第一，虽然A的发送窗口是根据B的接受窗口所设定的，但是在同一时刻，A的发送窗口并不是总和B的接收窗口一样大，这是因为通过网络传送窗口值也存在一定的时滞后，（A可以根据网络的拥塞情况，来适当地减少自己的的窗口大小）
　　第二，对于不按顺序到达的数据该如何处理，TCP并无明确规定。如果接收方把没有按照顺序到达的数据一律丢掉，则接收窗口的管理会比较简单，但是对网络资源的利用不利（因为发送方要重新发送数据）。
　　第三，TCP要求接收方应该有累积确认的功能，这样可以减少传输的开销。接收方可以在适当的时候发送确认，也可以在自己有数据要发送的时候把确认信息捎带上。但是接收方不应该过分推迟发送确定，因为会造成发送方的不必要重传。

4.4TCP流量控制

利用滑动窗口实现流量控制。
　　一般来说，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，这就造成了数据的丢失。所谓的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
　　利用滑动窗口技术，就可以很好的实现对发送方的流量控制。
　　这个流量控制过程简单地说就是：设A向B发送数据。B会告诉A他的接收窗口是多大，A的发送窗口就不会大于B的接收窗口。比如当B告诉A他的接收窗口是300时，A的发送窗口就不会大于300.当B的接收窗口为0时，A就会暂停数据的发送。注意： 此时，当B的接收缓存又有了一些存储空间后，比如这个缓存空间是100，那么B就会向A发送一个窗口是100的非零窗口报文段。但是这个报文段在传送的过程中很有可能会丢失，但A一直在等待B的非零窗口的通知，这就会陷入死锁，即一直等待状态。为了解决这个问题，TCP为每一个连接设置了一个持续计时器，只要TCP连接中的一方收到了对方发送的零窗口通知，这个计时器就会启动。若计时器到期，则就会发送一个零窗口探测报文段，以打破死锁。

4.5TCP的拥塞控制

······带宽、结点的缓存容量、处理机都是网络的资源。若某个时间段，对资源的需求量大于了该资源所能提供的可用部分，网络性能就会变坏。这个现象就是拥塞。
　　造成网络拥塞的原因有很多：
　　比如结点的缓存不足，到达该结点的分组因为无法储存，而不得不丢掉，当扩充缓存后，因为处理机速度不足，同样会出现分组队满后丢包的现象。解决了处理机的速度问题以后，其他的问题又会随之而来。问题的实质往往是整个系统的各个部分不匹配，只有所有的部分都平衡了，问题才会得到解决。
　　拥塞控制：就是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者链路不过载，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，以及降低网络传输性能的相关的所有因素。流量控制往往是点对点的通信量的控制，是一个端到端的问题。

４.5.1拥塞控制的四种算法

·····拥塞控制的算法主要有四种，在讨论这四种算法时为我们假定：
　　（１）数据是单向的
　　（２）假定接收方和发送方都有足够大的缓存空间，因而发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定。（感觉这个也是拥塞控制和流量控制的一个大的区别）。
　　拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制：
　　　开环控制，在设计网络时把因素考虑到
　　　闭环控制，基于反馈环路，使用拥塞的信息来进行调整网络。
　　
　　１慢开始和拥塞避免
　　发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd，根据网络来进行动态的调整大小，网络拥塞的时候，路由器会丢弃报文，当发送方没有按时收到确认报文，那么就知道网络发生了拥堵。现在结合拥塞窗口cwnd的变化来看一下上述两个方法。慢开始的“慢”指的是，初始cwnd=1（此时表示的是报文段的个数，而不是真正传输时使用的字节流）。
　　我们来简单的论一下这个过程：
　　（１）开始时发送方cwnd=1，发送报文段M1，如果收到确认M1，那么此时增大cwnd=2，并发送M2，M3
　　（２）要注意，发送方每收到一个确认报文段，cwnd+1（不包括缺失重传的确认）也就是说，每经过一个传输伦次（RTT时间），cwnd加倍。但是，为了防止拥塞窗口cwnd增长过大而引起网络拥塞，设置一个慢开始门限ssthresh。
　　　　　　　～～当cwnd 　　　　　　　～～当cwnd>ssthresh，停止使用慢开始，使用拥塞避免算法
　　　　　　　～～当cwnd==ssthresh，两者都可以使用
　　　接下来介绍一下拥塞避免算法：
　　　拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd+1，而不是加倍（也就是收到两个，四个确认，仍然+1），这样cwnd就按线性增大。
　　　无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口cwnd设置为1，执行慢开始算法。如下图：
　　　

　　　拥塞控制的具体过程如下：
（1）TCP连接初始化，将拥塞窗口设置为1
（2）执行慢开始算法，cwnd按指数规律增长，直到cwnd=ssthresh时，开始执行拥塞避免算法，cwnd按线性规律增长
（3）当网络发生拥塞，把ssthresh值更新为拥塞前ssthresh值的一半，cwnd重新设置为1，按照步骤（2）执行AIMD(加法增大乘法减小)
　　乘法减小：无论在慢启动阶段还是在拥塞控制阶段，只要网络出现超时，就是将cwnd置为1，ssthresh置为cwnd的一半，然后开始执行慢启动算法（cwnd 　　加法增大：当网络频发出现超时情况时，ssthresh就下降的很快，为了减少注入到网络中的分组数，而加法增大是指执行拥塞避免算法后，是拥塞窗口缓慢的增大，以防止网络过早出现拥塞。
　　这两个结合起来就是AIMD算法，是使用最广泛的算法。拥塞避免算法不能够完全的避免网络拥塞，通过控制拥塞窗口的大小只能使网络不易出现拥塞。
　　 ２快重传和快恢复
　　

　　 快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出 重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到 三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。 由于不需要等待设置的重传计时器到期，能尽早重传未被确认的报文段，能提高整个网络的吞吐量。

　　采用快恢复算法时，慢开始只在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。
　　当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。
　　考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。

５TCP的传输连接管理

这部分内容比较重要，见另外一篇文章 TCP连接之三次握手四次挥手