计算机网络-运输层
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运输层
重要概念：
- 运输层为相互通信的应用进程提供逻辑通信。
- 端口和套接字的意义。
- 无连接的 UDP 的特点。
- 面向连接的 TCP 的特点。
- 在不可靠的网络上实现可靠传输的工作原理，停止等待协议和 ARQ 协议。
- TCP 滑动窗口、流量控制、拥塞控制和连接管理。
概述
进程间的通信
从通信信息处理的角度，运输层向它上层的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能区的最底层。
从 IP 层看，通信的两端是两台主机。从运输层看，通信的端点不是主机，是主机中的进程。即端到端的通信，是应用进程之间的通信。
运输层重要的功能：
- 复用。在发送方，不同的应用进程，都可以使用同一个运输层传送数据。
- 分用。在接收方，剥去报文的首部后能够把数据正确交付目的
应用进程。
IP 层也存在复用和分用
复用：在发送方，不同协议的数据都可以封装成 IP 数据包发送出去。
分用：在接收方，根据 IP 首部中的协议字段，把剥去首部后的数据应当接收这些数据的协议。
通信的区别：
网络层为主机之间提供逻辑通信。运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。
运输层的两种协议
两个协议：
- 无连接的 UDP
- 数据单位：UDP 用户数据报
- 不需要先建立连接
- 不提供可靠交付
- 面向连接的 TCP
- 数据单位：TCP 报文段
- 发送数据前，必须先建立连接，发送结束后要释放连接
- 提供可靠交付
- 不提供广播、多播服务
使用了 UDP、TCP 的应用、应用协议：
| 应用 | 应用协议 | 运输层协议 |
|---|---|---|
| 名字转换 | NDS，域名系统 | UDP |
| 文件传送 | TFTP，简单文件传送协议 | UDP |
| 路由选择协议 | RIP，路由信息协议 | UDP |
| IP 地址配置 | DHCP，动态主机配置协议 | UDP |
| 网络管理 | SNMP，简单网络管理协议 | UDP |
| 远程文件服务器 | NFS，网络文件系统 | UDP |
| 多播 | IGMP，网际组管理协议 | UDP |
| 电子邮件 | SMTP，简单邮件传输协议 | TCP |
| 远程终端接入 | TELNET，远程终端协议 | TCP |
| 万维网 | HTTP，超文本传送协议 | TCP |
| 文件传送 | FTP，文件传送协议 | TCP |
运输层的端口
硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口。
软件端口，是在协议栈层间的抽象的协议端口，是应用层的各种协议进行与运输实体进行层间交互的一种地址。
端口号的分类：
- 服务器端使用的端口号
- 熟知端口号（或系统端口号），范围 0-1023。这些数值可以在iana.org查询到。
- 等级端口，范围 1024-49151。
- 客户端使用的端口号（或短暂端口号），范围 49152-65535。
用户数据报协议 UDP
UDP 的主要特点：
- 无连接
- 尽最大努力交付
- 面向报文。UDP 对应用层交下来的报文，不合并、不拆分；对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，去除首部，直接给应用层。
- 没有拥塞控制。无论网路是否拥塞，恒定速率发数据。
- 支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信。
- 首部开销小，只有 8 个字节（TCP20 个字节）
传输控制协议 TCP
TCP 主要特点：
- 面向连接。通信前先建立 TCP 连接，结束后，释放连接。
- 一对一服务。TCP 连接只能有两个端点。
- 可靠交付
- 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。
- 面向字节流。TCP 中的流指流入到进程或从进程流出的字节序列。
TCP 的连接
TCP 把连接作为最基本的抽象，每一个TCP连接都有两个端点，TCP 连接的端点叫做套接字（socket）或插口。
套接字的定义：端口号拼接到 IP 地址即为套接字。
套接字 socket = （IP 地址:端口号）
每一个 TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：
TCP 连接 :== {socket01, socket02} = {(IP01:Port01), (IP02,Port02)}
同一个 IP 地址可以有多个不同的 TCP 连接，同一个端口号也可以出现在多个不同的 TCP 连接中。
可靠传输的工作原理
处理思路：
- 当出现差错时，让发送方重传出现差错的数据
- 当接收方来不及处理收到的数据时，及时告知发送方适当降低发送数据的速度。
方案一，停止等待协议流程：
- 发送方发送分组后，等待接收方的确认信息
- 发送方，接收到确认，发送下一个分组
- 发送方，一段时间后未说到确认，重新发送分组，即
超时重传
优缺点：
- 优点简单
- 缺点，资源占用高
方案二，连续ARQ协议（滑动窗口协议）流程：
事先对分组按序排队，假设发送窗口大小为 5
- 发送方维持
发送窗口，发送窗口内的 5 个分组同时发送- 接收方一般采用
累积确认，对按序到达的最后一个分组发送确认。例如，接收方收到分组 5、6、8、9，只对分组 6 发出确认。- 发送方收到
分组6的确认，则滑动窗口的起始位置回到分组7，再次同时发送滑动窗口中的 5 个分组
- 发送方收到
- 接收方一般采用
累积确认的优缺点：
- 优点，易于实现
- 缺点，不能向发送方反映出已正确接收到的所有分组信息
TCP 报文段的首部
TCP 首部的最小长度为 20 字节。
首部中部分重要字段的含义：
- 确认 ACK。在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1.
- 推送 PSH。尽快将报文交付给应用进程，而不是等到整个缓存区都填满后再向上交付。
- 复位 RST。TCP 连接中出现严重差错，必须释放连接，然后重新建立运输连接。
- 同步 SYN。在连接建立时同步序号。
- 终止 FIN。用来释放一个连接。
TCP 可靠传输的实现
- 以字节为单位的滑动窗口
- 超时重传时间的选择。即通过一个稳定算法，得出重传时间的大小。
- 选择确认 SACK（Selective ACK）。解决的问题是，只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接收方的数据。
TCP 的流量控制
流量控制的目的：让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
TCP 的传输
数据进入 TCP 的发送缓存后，TCP 报文段的发送时机的机制
- 第一种机制：TCP 维持一个变量，它等于
最大报文段长度MSS，只要缓存中的字节达到 MMSS字节时，则组装成报文段发送出去。 - 第二种机制：由发送方的应用程序的指明要求发送报文段，即 TCP 支持的
推送操作。 - 第三种机制：由发送发一个计时器期限到了之后，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段（但长度不能超过 MSS）发送出去。
TCP 的拥塞控制
拥塞的定义：计算机网络中的链路容量（即带宽）、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络中的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况称为拥塞。
引起拥塞的可能原因：
- 交换节点的缓存的存储空间不够用
- 处理机处理的速率太慢
拥塞控制的目的，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。
流量控制，往往指点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的是，抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
TCP 拥塞控制的方法
拥塞控制方法的前提假设条件：
- 数据是单方向传送的，对方只传送确认报文。
- 接收方总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。
发送方的限制条件：
- 维持一个叫做
拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量. - 拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度。
- 发送方的
发送窗口大小等于拥塞窗口大小。
控制拥塞方法的原则：
- 网络没有发生拥塞，则增加拥塞窗口大小，以便发送更多的分组。
- 网络发生拥塞，则减小网络窗口，缓解拥塞。
如何知道网络发生拥塞：当发送方未没有按时接收到确认报文，则猜想网络发生拥塞。
TCP 拥塞控制 是一种基于窗口的拥塞控制方法，涉及到的四种算法：
- 慢开始（slow-start）。随着
传输轮次的增加，慢开始的拥塞窗口的大小，是倍数增加。 - 拥塞避免（congestion avoidance）。随着
传输轮次的增加，慢开始的拥塞窗口的大小自动+1，线性增加。 - 快重传（fast retransmit）。假设有报文段 M1、M2、M3、M4、M5、M6，接收方仅接收到 M1、M2、M4、M5、M6，未收到 M3 时。M4、M5、M6 的回复报文返回对 M2 的确认。当接发送方一连收到三个重复确认，应当立即进行重传 M3（即
快重传）. - 快恢复（fast recovery）。门限值减半，执行
拥塞避免算法。
基于拥塞窗口的拥塞控制流程：
- 初始 cwnd 为 1，
门限制为N。 - 启动
慢开始算法，直至到达门限值。即 cwnd 为 N 时。 - 切换为
拥塞避免算法，直至 cwnd 值为 N+M。- cwnd 为 N+M 时，发生了拥塞，则 cwnd 重置为 1，门限制设置为(N+M)/2。重新执行
慢开始+拥塞避免算法。 - cwnd 为 N+M 时，未发生了拥塞，而是发生了
快重传，则执行快恢复算法。即门限值设置为(N+M)/2，继续执行拥塞避免算法。 - cwnd 为 N+M 时，未发生了拥塞，继续执行
拥塞避免算法。
- cwnd 为 N+M 时，发生了拥塞，则 cwnd 重置为 1，门限制设置为(N+M)/2。重新执行
主动队列管理 AQM(Active Queue Management)
场景：网络层的策略对 TCP 拥塞控制影响最大的就是路由器的分组丢失策略，可能造成全局同步。
全局同步。因为分组丢失策略导致的超时，误认为发生拥塞，导致进入慢开始。表现为全网的通信量突然下降很多，而在网络恢复正常后，信息量又突然增加很多。
解决思路：不要等到路由器的队列长度达到最大值时，才不得不丢弃后面的分组。应该在队列长度达到某个警惕值时，主动丢弃分组。这样可以减缓拥塞，甚至不出现拥塞。
AQM 的实现方式：
- 随机早期检测 RED（Random Early Detection）
TCP 的运输连接管理
运输连接的三个阶段：
- 建立连接
- 数据传送
- 连接释放
TCP 的连接建立
TCP 的连接建立过程中需要解决的三个问题：
- 使每一方知道对方的存在
- 要允许双方协商一些参数（eg：最大窗口值、是否使用窗口扩大选项、时间戳选项、服务质量）
- 能够对运输实体资源（eg：缓存大小、连接表中的项目）进行分配。
三报文握手（三次握手）流程，A 为客户端，B 为服务端：
- A -> B. SYN=1,seq=x
- B -> A. ACK=1,ack=x+1,SYN=1,seq=y
- A -> B. ACK=1,ack=y+1,seq=x+1
seq 窗口的初始序号
Question：三次握手，能否改为四次握手？
Answer：可以，将 B->A 的报文，拆分为两个。一个确认报文（ACK=1,seq=x+1），然后再发送一个同步报文（SYN=1,seq=y）
Question: 为什么最后还要发送一次确认？
Answer：防止已失效的连接请求报文段（在网络中滞留时间过长而被A认为失效的连接，B不认为是失效的）突然传送到B，因而产生错误。
TCP 的连接释放
四次挥手流程：
- A -> B. FIN=1,seq=u
- B -> A. ACK=1,ack=u+1,seq=v
- B -> A. FIN=1,seq=w,ACK=1,ack=u+1
- A -> B. ACK=1,ack=w+1,seq=u+1
TCP 的有限状态机
TCP 的状态共涉及到 11 个状态的互相转换 。
文章关联：
- 概述
- 网络层
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- 网络安全