【计算机网络自顶向下】简答题习题总结（三）

第三章 传输层

传输层服务：在两个不同的主机的运行应用程序之间提供逻辑通信

• 在接收主机多路分解

将接收到的数据段传递给正确的套接字【多路分解】

• 在发送主机多路复用

从多个套接字收集数据，用首部封装数据，然后将报文段传递到网络层【多路复用】

• TCP和UDP套接字的不同之处

TCP套接字是由源IP地址，源端口号，目标IP地址，目标端口号唯一标识的

UDP套接字是由目标IP地址和目标端口号标识的

• 为什么TCP四元组，UDP二元组

UDP二元组
首先，UDP使用二元组（目标IP和目标端口号）即可确定一个套接字，这其中的理由是非常直观的，因为我们至少在IP地址的基础上还需要一个端口号才能实现运输层功能，而更多的内容对于UDP套接字来说也无必要。这也符合UDP的设计理念，即在网络层上附加尽可能少的功能。

为什么TCP不能用二元组
那么，为什么TCP需要使用四元组（目标IP，目标端口号，源IP，源端口号）呢？其中的区别就是TCP是面向连接的。
所谓面向连接，是指数据在发送之前要在两台主机之间先建立好连接，在整个过程中要维护连接，最后要释放连接。

如果TCP协议也使用二元组来标识套接字，那么就无法实现面向连接的特点。

假设A和B两台主机同时请求一台服务器上的80端口，如果只使用目标IP和目标端口号，那么在服务器端只会创建一个套接字。显然TCP协议就无法维护A和B各自的序号、确认号、拥塞窗口等连接参数，这就违背了面向连接的设计。

另外，面向连接使得TCP可以进行全双工通信，服务端只要将想发送的数据放入套接字即可向客户端发送信息。如果仅使用二元组来标识连接套接字，那么服务端就无法主动向客户端发送信息。

• TCP实现的协议

HTTP,FTP,SMTP,POP3,IMAP、Telnet

• UDP实现的协议

DNS，SNMP、RIP

UDP用户数据报协议

无连接运输，发送数据报文前发送方和接收方的运输层实体没有握手

优点：

• 应用层能更好的控制要发送的数据和发送时间
• 无需建立连接
• 无连接状态
• 分组首部开销小
• 没有拥塞控制，能用尽快的速度发送

• UDP

• 在IP数据报服务上增加了端口功能和差错检测功能
• 无连接、最大努力交付、没有拥塞控制
• 首部开销小
• 面向报文的。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，而是保留报文的边界，一次发送一个报文
• 接收方UDP对IP交上来的UDP用户数据报，去除首部后就原封不动的交付上层应用程序

• UDP头部包含

• 源端口
• 目标端口
  • 如果接收方UDP发现收到报文的目的端口不正确，就丢弃该报文，并由ICMP发送端口不可达差错报文
• 长度
• 校验和
  • 计算校验和的时候临时加上伪首部。伪首部包含了IPv4头部的一些信息，如源IP、目标IP，只是用来计算校验和而已。接收主机收到UDP报文后从IP首部获悉IP的地址构造伪首部进行校验和运算。
  • 伪首部的作用：
    • 第一，通过伪首部的IP地址检验，UDP可以确认该数据报是不是发送给本机IP地址的；
    • 第二，通过伪首部的协议字段检验，UDP可以确认IP有没有把不应该传给UDP而应该传给别的高层的数据报传给了UDP。

• UDP差错检测

1. 从“伪头部”开始，按每16位当作一个数，逐次求和，最终得出一个32位的数；
2. 如果这个32位的数的高16位不为0，则进行“回卷”操作。也就是，将其高16位与低16位相加，又得到一个32位的数；
3. 重复第2步直到高16位为0。
4. 最终，将低16位取反，得到校验和，填入checksum字段中

可靠数据传输原理

从rdt1.0一直到rdt3.0

• rdt1.0：接收方无返回确认信息
• rdt2.0：接收方进行检错，并发送ACK或NAK反馈给发送方
• rdt2.1：防止重复发送方给每个分组加上序号0、1
• rdt2.2：接收方不使用NAK，而是在ACK中加上序列号
• rdt3.0：发送方引入定时器，超时重发

以上都是停等协议：发送方发送一个报文，然后等待接收方的响应

信道利用率很低

• 流水线技术

解决停等协议低效的问题，允许发送方可以在等待接收方的ACK之前连续发送多个分组

流水线技术对可靠数据传输协议的影响：

• 更大的序列号范围。连续发送的并且还没有得到ACK的多个分组必须要有唯一的序列号，否则引起混乱
• 发送方和接收方需要缓冲区。对于发送方来说，需要缓存已经发出去但是还没有得到ACK的分组；为了实现按序递交，接收方一般也需要存储空间

• 流水线的差错恢复有两种基本办法

• GBN 回退N步（Go-Back-N)

允许发送方发送N个分组无需确认，流水线中最多有N个正在等待确认消息的分组，允许使用的序列号范围可以看作是一个大小为N的窗口。随着协议进行，这个窗口在序列号空间内向前滑动，也称为滑动窗口协议

累计确认：接收方不一定要对收到的数据分组逐个发送确认，而可以在收到几个数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。ACKn表示序号为n之前的所有数据分组都已经正确接收

发送方收到重复的确认就知道之前发送的数据分组出现了差错，于是可以不等超时计时器就立刻重传

优点：即使确认分组丢失，发送方也不必重传

如果发送方窗口大小大于编号上限，会导致接收方无法分辨新旧数据分组

• SR 选择性重传

可靠数据传输机制及用途总结

机制	用途和说明
检验和	用于检测在一个传输分组中的比特错误。
定时器	用于检测超时/重传一个分组，可能因为该分组（或其ACK）在信道中丢失了。由于当一个分组被时延但未丢失（过早超时），或当一个分组已被接收方收到但从接收方到发送方的ACK丢失时，可能产生超时事件，所以接收方可能会收到一个分组的多个冗余拷贝。
序号	用于为从发送方流向接收方的数据分组按顺序编号。所接收分组的序号间的空隙可使该接收方检测出丢失的分组。具有相同序号的分组可使接收方检测出一个分组的冗余拷贝。
确认	接收方用于告诉发送方一个分组或一组分组已被正确地接收到了。确认报文通常携带着被确认的分组或多个分组的序号。确认可以是逐个的或累积的，这取决于协议。
否定确认	接收方用于告诉发送方某个分组未被正确地接收。否定确认报文通常携带着未被正确接收的分组的序号。
窗口、流水线	发送方也许被限制仅发送那些序号落在一个指定范围内的分组。通过允许一次发送多个分组但未被确认，发送方的利用率可在停等操作模式的基础上得到增加。我们很快将会看到，窗口长度可根据接收方接收和缓存报文的能力或网络中的拥塞程度，或两者情况来进行设置。

面向连接传输TCP

• TCP 传输控制协议

是一种面向连接的协议，即数据传输之前要经过三次握手建立一条全双工连接，然后才能进行真正的数据传输

还提供可靠按序的字节流传输、流量控制、拥塞控制、面向字节流、全双工数据：同一个连接上的双向数据

• 面向字节流

面向字节流，虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

• 面向连接

• 在数据交换前握手
• 连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态
• TCP连接包括：两台主机的缓存、连接状态变量、socket

• TCP报文段首部格式

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，期望收到对方下一个报文段数据的第一个字节的序号

数据偏移（即首部长度）-占4位，指出TCP报文段的数据起始距离TCP报文段的起始处有多远。单位为32位字

紧急URG 为1表示高优先级、紧急数据

确认ACK 只有当ACK=1时确认号字段才有效

同步SYN =1 表示一个连接请求或连接接收报文

终止FIN 用来释放一个连接。FIN-1表示此报文段的发送端的数据已经发送完毕，要求释放运输链接

• UDP和TCP对比

• UDP无连接、TCP面向连接
• UDP支持单播、多播和广播，TCP仅支持单播
• UDP是面向应用报文的，TCP是面向字节流的
• UDP向上层提供无连接不可靠传输服务，TCP向上层提供面向连接可靠传输服务
• UDP用户数据报首部只有8字节，TCP报文段首部最小20字节，最大60字节

• TCP往返时延估计和超时

如何估计RTT：

样本RTT：测量从报文段发送到收到确认的时间

样本RTT均值：

EstimatedRTT = (1 - α) x EstimatedRTT + α x sampleRTT(指数加权移动平均，α = 0.125)

设置超时

EstimatedRTT + 安全余量

样本偏离均值的估计：DevRTT = (1 - β) x DevRTT + β x |sampleRTT - EstimatedRTT| (β = 0.25)

设置超时时间间隔：

TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 x DevRTT

第一个样本RTT获得后，样本RTT均值 = 样本RTT，DevRTT=样本RTT/2

流量控制

发送方数据发送过快，接收方来不及接收会造成数据的丢失

**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

利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制

可靠数据传输机制

• 快速重传

超时重传增加网络时延

三次冗余ACK时，在定时器超时之前重发丢失报文段

题目

1、能为计算机网络通信提供加密防护服务的协议是( B )。

A、ARP B、SSL C、SMTP D、PPP

2、TCP是一个点对点的协议，协议双方连接的端点是应用进程端口号（ √）

3、TCP报头中的确认号是指（ A）

A、传输数据的第一个字节在缓冲区中的位置编号

B、期待接收的下一个字节的位置编号

C、已连续接收的最后一个字节在缓冲区中的位置编号

D、当前接收数据的序号

4、假定主机A通过TCP连接向主机B发送一个序号为20的20字节报文段后，那么主机A收到的确认号不可能是（B）

A、10 B、39 C、40 D、无法确定

5、主机甲和主机乙间已建立一个TCP连接，主机甲向主机乙发送了两个连续的TCP段，分别包含300字节和500字节的有效载荷，第一个段的序列号为200，主机乙正确接收到两个段后，发送给主机甲的确认序列号是 （ D）

A．500 B.700 C.800 D.1000

6、主机甲与主机乙之间已建立一个TCP连接，主机甲向主机乙发送了3个连续的TCP段，分别包含300字节、400字节和500字节的有效载荷，第3个段的序号为900。若主机乙仅正确接收到第1和第3个段，则主机乙发送给主机甲的确认序号是（ B）

A．300 B．500 C．1200 D．1400

7、TCP什么时候对报文段采用快速重传？ C

A、报文段的定时器过期 B、估计往返时延过长

C、收到之前发出的一个报文段的三个重复ACK D、以上都不是

8、网络上所抓到的TCP数据报文段中，有一个字段RcvWindow，其含义和作用为（A ）

A、接收可用空间大小，用于流量控制 B、发送可用空间大小，用于流量控制

C、发送可用空间大小，用于拥塞控制 D、接收可用空间大小，用于拥塞控制

9、主机甲和主机乙之间已建立一个TCP连接，TCP最大段长度为1000字节，若主机甲的当前拥塞窗口为4000字节，在主机甲向主机乙连接发送2个最大段后，成功收到主机乙发送的第一段的确认段，确认段中通告的接收窗口大小为2000字节，则此时主机甲还可以向主机乙发送的最大字节数是（ A ）

A：1000 B：2000 C：3000 D：4000

10、主机甲向主机乙发送一个(SYN＝1，seq＝3210)的TCP段，期望与主机乙建立TCP连接，若主机乙接受该连接请求，则主机乙向主机甲发送的正确的TCP段可能是（ C ）

A．(SYN＝0，ACK＝0，seq＝3211，ack＝3211)

B．(SYN＝1，ACK＝1，seq＝3210，ack＝3210)

C．(SYN＝1，ACK＝1，seq＝3211，ack＝3211)

D．(SYN＝0，ACK＝0，seq＝3210，ack＝3210)

40：假设TCP Reno是一个经历如上所示行为的协议，回答下列问题。在各种情况中，简要地论证你的回答。

（1）指出TCP慢启动运行时的时间间隔。

[1,6] [23,26]

（2）指出TCP拥塞避免运行时的时间间隔。

[6,16] [17,23]

（3）在第16个传输轮回之后，报文段的丢失是根据3个冗余ACK还是根据超时检测岀来的？

冗余ACK，因为此时拥塞窗口大小为42，发生快速重传使得拥塞窗口变为/2+3得到24

（4）在第22个传输轮回之后，报文段的丢失是根据3个冗余ACK还是根据超时检测出来的？

超时，因为拥塞窗口置为1

（5）在第1个传输轮回里，ssthresh的初始值设置为多少？

32

（6）在第18个传输轮回里，ssthresh的值设置为多少？

21

（7）在第24个传输轮回里，ssthresh的值设置为多少？

14

（8）在哪个传输轮回内发送第70个报文段？

7

（9）假定在第26个传输轮回后，通过收到3个冗余ACK检测出有分组丢失，拥塞的窗口长度和 ssthresh的值应当是多少？

7，4

（10）假定使用TCP Tahoe （而不是TCP Reno）,并假定在第16个传输轮回收到3个冗余ACK。在第19 个传输轮回，ssthresh和拥塞窗口长度是什么？

TCP Tahoe的冗余后，拥塞窗口大小变为1

17时刻的窗口大小为1，ssthresh为21

19个轮回，ssthresh=21，窗口大小为4

（11）再次假设使用TCP Tahoe,在第22个传输轮回有一个超时事件。从第17个传输轮回到第22个传 输轮回（包括这两个传输轮回），一共发送了多少分组？

ssthresh = 21

1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 21 = 52