Samuel_luo。
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计网——传输层

三、传输层

传输层工作原理：

  • 多路复用/解复用
  • 可靠数据传输
  • 流量控制
  • 拥塞控制

传输层协议：

  • UDP：无连接传输
  • TCP：面向连接的可靠传输
  • TCP拥塞控制

传输服务和协议

为运行在不同主机上的应用进程提供逻辑通信

传输协议运行在端系统

  • 发送方：将应用层的报文分成报文段，然后传递给网络层
  • 接收方：将报文段重组成报文，然后传递给应用层

有多个传输层协议可供应用层选择

  • Internet：TCP和UDP

传输层VS网络层

网络层服务

主机之间的逻辑通信

传输层服务

进程间的逻辑通信

  • 依赖于网络层的服务（延时、带宽）
  • 对网络层的服务进行增强（数据丢失、顺序混乱、加密）

服务的可靠性可以加强，安全性可以加强

但是例如：延迟、带宽等属性不可以被加强的

Internet传输层协议

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多路复用/解复用

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多路解复用工作原理

解复用作用：TCP或UDP实体采用哪些信息，将报文的数据部分交给正确的socket，从而交给正确的进程

主机收到IP数据报

  • 每个数据报有源IP地址和目标地址
  • 每个数据报承载一个传输层报文段
  • 每个报文段有一个源端口号和目标端口号（特定应用有著名的端口号）

主机联合使用IP地址和端口号将报文段发送给合适的套接字

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无连接（UDP）多路解复用

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面向连接（TCP）多路复用

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无连接传输：UDP

用户数据报协议（User Datagram Protocol）【RFC 768】

“尽力而为”的服务，报文段可能：丢失、乱序

无连接：：

  • UDP发送端和接收端之间没有握手
  • 每个UDP报文段都被独立地处理

UDP被用于：

  • 流媒体
  • DNS
  • SNMP

在UDP上进行可靠传输：

  • 在应用层增加可靠性
  • 应用特定的差错恢复

UDP：用户数据报协议

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UDP校验和

目标：检测在被传输报文段中的差错

发送方：

  • 将报文段的内容视为16比特的整数
  • 校验和：报文段的加法和（1的补运算）
  • 发送方将校验和放在UDP的校验和字段

接收方：

  • 计算接收到的报文段的校验和
  • 检查计算出的校验和与校验和字段的内容是否相等（不相等——有差错、相等——可能有残存错误）
例子

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可靠数据传输（rdt）的原理

rdt在应用层、传输层、数据链路层都很重要

是网络Top10问题之一

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信道的不可靠特点决定了可靠数据传输协议（rdt）的复杂性

问题描述

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rdt 1.0：在可靠信道上的可靠数据传输

下层的信道是完全可靠的

  • 没有比特出错
  • 没有分组丢失

发送方和接收方的FSM

  • 发送方将数据发送到下层信道
  • 接收方从下层信道接收数据

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rdt 2.0：具有比特差错的信道

下层信道可能会出错：将分组中的比特翻转

  • 用校验和来检测比特差错

怎样从差错中恢复

  • 确定（ACK）：接收方显式地告诉发送方分组已被正确的接收
  • 否定确定（NAK）：接收方显式地告诉发送方分组发生了差错（发送方收到NAK后，发送方重传分组）

新机制：采用差错控制编码进行差错检测

  • 发送方差错控制编码、缓存
  • 接收方使用编码检错
  • 接收方的反馈：控制报文（ACK、NAK）：接收方 -> 发送方
  • 发送方收到反馈响应的动作
FSM描述

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缺陷

ACK和NCK可能出错！

rdt 2.1

新机制：使用序号

  • 发送方在每个分组中加入序号
  • 如果ACK/NAK出错，发送方重传当前分组
  • 接收方丢弃重复分组

停等协议

发送方发送一个分组，然后等待接收方的应答

发送方处理出错的ACK/NAK

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接收方处理出错的ACK/NAK

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小结

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rdt 2.2：无NAK的协议

功能同rdt2.1，但只是用ACK（ACK要编号）

接收方对最后正确接收的分组发ACK

  • 接收方必须显式地包含被正确接收分组的序号

当收到重复的ACK时，发送方与收到NAK采取相同的动作：重传当前分组

为后面的一次发送多个数据单位做一个准备

  • 一次能够发送多个
  • 使用前一个数据单位的ACK，代替本数据单位NAK
  • 确认信息减少一半，协议处理简单

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rdt 3.0：具有比特差错和分组丢失信道

发送方等待ACK一段合理的时间（链路层的timeout时间确定传输层timeout时间，是自适应的）

  • 发送端超时重传：如果到时没有收到ACK -> 重传
  • 需要一个倒计数定时器
发送方

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运行时

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性能

rdt 3.0可以工作，但链路容量较大的情况下，性能很差

  • 链路容量比较大，一次发一个PDU不能够充分利用链路的传输能力
例子

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停 - 等协议

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流水线：提高链路利用率

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流水线协议

流水线：允许发送方在未得到对方确认的情况下一次发送多个分组

  • 必须增加序号的范围：用多个bit表示分组的序号
  • 在发送方/接收方要有缓冲区（发送方缓冲：未得到确认，可能要重传；接收方缓存：接收到的数据可能乱序，排序交付）

两种通用流水线协议：回退N步（GBN）和选择重传（SR）

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通用：滑动窗口（slide window）协议
发送缓冲区
  • 形式：内存中的一个区域，落入缓冲区的分组可以发送
  • 功能用于存放已发送，但是没有得到确认的分组
  • 必要性：需要重发时可用
发送缓冲区的大小
  • 停止等待协议 = 1
  • 流水线协议 > 1，合理的值，不能太大，链路利用率不能够超100%
发送缓冲区中的分组
  • 未发送的：落入发送缓冲区的分组，可以连续发送出去
  • 已经发送出去的、等待对方确认的分组：发送缓冲区的分组只有得到确认才会删除
发送窗口：发送缓冲区内容的一个范围
  • 已发送但是未经确认的分组序号构成的空间
发送窗口的最大值 <= 发送缓冲区
发送窗口初始值：后沿 = 前沿，尺寸 = 0
每发送一个分组，前沿移动一个单位，前沿不能超过发送缓冲区

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每确认一个后沿分组，后沿移动一个单位，后沿不能超过前沿

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移动过程

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接收窗口 = 接收缓冲区
  • 接收窗口用于控制哪些分组可以接收（只有收到分组序号落入接收窗口内才允许接收，若在接收窗口之外则丢弃）
  • 接收窗口尺寸 = 1，只能顺序接收
  • 接收窗口尺寸 > 1，可以乱序接收（向上层提交时需要排序）
接收窗口的滑动和确认

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另一种情况

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正常情况下两个窗口互动

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异常情况下GBN的两个窗口互动

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异常情况下SR的两个窗口互动

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GBN和SR协议的异同

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总结

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GBN：
发送方的FSM

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接收方的FSM

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运行时

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SR：

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运行时

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对比GBN和SR

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窗口最大尺寸

GBN：2 ^ n - 1

SR: 2 ^ (n - 1)

面向连接的传输：TCP

TCP：概述

  • 点对点（一个发送方，一个接收方）
  • 可靠的、按顺序的字节流（没有报文边界）
  • 管道化（流水线）：TCP拥塞控制和流量控制设置窗口大小
  • 发送和接受缓存

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  • 全双工数据（在同一连接中数据流双向流动；MSS：最大报文段大小）

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  • 面向连接（在数据交换之前，通过握手（交换控制报文）初始化发送方、接收方状态变量）
  • 有流量控制（发送方不会淹没接收方）

TCP报文段结构

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TCP序号、确认号

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TCP往返延时（RTT）和超时

怎样设置超时

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怎样估计RTT

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平均RTT

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设置超时

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可靠数据传输

TCP在IP不可靠服务上建立了rdt
  • 管道化的报文段（GBN or SR）
  • 累积确认（像GBN）
  • 单个重传定时器（像GBN）
  • 是否可以接受乱序的，没有规范
通过下列时间触发重传
  • 超时（只发送最早的未确认的段：SR）
  • 重复的确认
首先考虑简化的TCP发送方
  • 忽略重复的确认
  • 忽略流量控制和拥塞控制
TCP发送方（简化版）

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事件

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代码

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TCP重传

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产生TCP ACK的建议

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快速重传

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算法

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流量控制

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连接管理

在正式交换数据之前，发送方和接收方握手建立通信关系：

  • 同意建立连接
  • 同意连接参数

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同意建立连接
为什么不是两次握手
  • 变化的延迟（连接请求的段没有丢但是可能超时）
  • 由于丢失造成的重传
  • 报文乱序
  • 互相看不到对方
失败场景

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三次握手

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解决的半连接和接受老数据问题

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FSM

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关闭连接

客户端和服务器分别关闭它自己这一侧的连接

  • 发送FIN bit = 1的TCP段

一旦接收到FIN，用ACK回应

  • 接到FIN段，ACK可以和它自己发出的FIN段一起发送

可以处理同时的FIN交换

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拥塞控制原理

拥塞

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拥塞原因/代价

场景1

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场景2

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场景3

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方法

两种拥塞控制方法

端到端的拥塞控制

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网络辅助的拥塞控制

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ATM ABR拥塞控制

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TCP拥塞控制

机制

端到端的拥塞控制机制
  • 路由器不向主机发送有关拥塞的反馈信息（路由器负担较轻、符合网络核心简单的TCP/IP架构原则）
  • 端系统根据自身得到的信息，判断是否发生拥塞，从而采取动作
拥塞控制的几个问题

如何检测拥塞

  • 轻微拥塞
  • 拥塞

控制策略

  • 再拥塞发送时如何动作，降低速率（轻微拥塞如何降低；拥塞时如何降低）
  • 再拥塞缓解时如何动作，增加速率

拥塞感知

某个段超时了（丢失事件）：拥塞
  • 超时时间到，某个段的确认没有来
  • 网络拥塞（某个路由器缓冲区没有空间了，被丢弃）大概率
  • 出错被丢弃了（各级错误，没有通过校验，被丢弃）概率小
  • 一旦超时，就认为拥塞了，有一定的误判，但总体控制方向是对的
某个段的三次重复ACK：轻微拥塞

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速率控制方法

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拥塞控制和流量控制联合

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策略

慢启动（SS）
AIMD：线性增、乘性减少
超时事件后的保守策略

TCP慢启动

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TCP拥塞控制：AIMD

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总结：TCP拥塞控制

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TCP吞吐量

W：发生丢失事件时的窗口尺寸（单位：字节）

  • 平均窗口尺寸：3/4W
  • 平均吞吐量：RTT时间吞吐3/4W

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TCP公平性

目标：k个TCP会话分享一个链路带宽为R的瓶颈，每个会话的有效带宽为R/k

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总结

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网课视频以及资料来源

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    [摘要]人类社会已进入21世纪，科学技术突飞猛进，特别是信息技术和网络技术的迅速发展以及广泛应用，以网络通讯为基础，通过先进的网络应用平台可以建设安全、可靠、开放、高效的网络办公系统。使得很多企事业单位办公实现了网络化，从整体上提高了办公人员的办事效率。本文重点分析了网络在自动化办公中的作用。[关键词]网络办公自动化作用[中图分类号]TP393[文献标识码]A[文章编号]1009-5349(201
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        移动互联网时代来了！     App市场爆发式增长为Web开发程序员带来新一轮机遇，近两年新增创业者，几乎全部选择了移动互联网项目！传统互联网企业中超过98%的门户网站已经或者正在从单一的网站入口转向PC、手机、Pad、智能电视等多端全平台兼容体系。据统计，AppStore中超过85%的App项目都选择了PHP作为后端程
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    在测试Spark Streaming时，大量的日志显示到控制台，影响了Spark Streaming程序代码的输出结果的查看(代码中通过println将输出打印到控制台上)，可以通过修改Spark的日志配置的方式，不让Spark Streaming把它的日志显示在console   在Spark的conf目录下，把log4j.properties.template修改为log4j.p
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    这几天做一个项目，关于路径做如下笔记，有需要供参考。 取工程内的文件，一般都要用相对路径，这个自然不用多说。 在src统计目录建配置文件目录res,在res中放入配置文件。 读取文件使用方式： 1. MyTest.class.getResourceAsStream("/res/xx.properties") 2. properties.load(MyTest.
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