【笔记】《计算机网络 自顶向下方法》第三章 运输层

概述和运输层服务

    运输层解决的问题是，数据传输的问题。数据传输分为不可靠传输和可靠数据传输，分别对应的是UDP协议和TCP协议。  

• 运输层和网络层的关系
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  在发送端，运输层将从发送应用程序接收到的报文（应用层报文）转换成报文段，随后将这些报文段传递给网络层，网络层将其封装为网络层分组（即数据报），并向目的地发送；
  • 在接收端，网络层从数据报中提取运输层报文段，并将该报文段上交给运输层，运输层则处理接收到的报文段，使该报文段中的数据为接收应用程序使用；
  • 运输层协议只工作在端系统中
  • 网络层IP协议为不可靠服务，其服务模型是尽力而为交付服务（best-effort delivery service），这意味着它不确保报文段的交付、不保证报文段的按序交付、不保证报文段中数据的完整性。
• 因特网运输层概述
  • Internet运输层上提供TCP(传输控制协议) 和 UDP(用户数据报协议)两种。
• 多路复用和多路分解
  • 无连接的多路复用和多路分解
    • 在运输层，无连接的网络传输是通过UDP来实现的，一个UDP套接字是由一个含有目的IP地址和目的端口号的一个二元组来全面标识的。
    • 主机收到UDP段后检查段中的目的端口号，并将UDP段导向绑定在该端口号的Socket，因此如果两个UDP报文段有不同的源IP地址/端口号，却有相同的目的端口号，那么两个报文段将通过相同的目的套接字被定向到相同的目的进程。
  • 面向连接的多路复用与多路分解
    • 在运输层中面向连接的网络传输多使用TCP，而TCP套接字和UDP套接字之间有一个细微的差别，TCP套接字是由一个四元组（源IP地址、源端口号，目的IP地址，目的端口号）来标识的。当一个TCP报文段从网络到达一台主机时，主机会使用全部4个值来将报文段定向，即多路分解到相应的套接字。
    • 与UDP不同的是，两个具有不同源IP或源端口号的到达的TCP报文段将被重定向到两个不同的套接字。
  • Web服务器与TCP
    • 当今的高性能Web服务器通常只使用一个进程，但是为每个新的客户连接创建一个具有新连接套接字的新线程。
• 无连接运输：UDP
  • UDP报文段结构
  • UDP检验和
    • 作用
      • 提供了差错检查功能
      • 用于确定当UDP报文段从源到达目的地移动时，其中的比特是否发生了变化（例如，可能由于链路中的噪声干扰或者存储在路由器中时引入问题）
    • 原理
      • 反码（complement）：发送方的UDP对报文段中的所有16bit字的和进行反码运算，就是将所有的0换成1，所有的1换成0；接收端计算校验和但不做反码，将结果与发送方校验码相加，如果得到的结果为16个1，那么说明该分组中没有引入差错。
      • 回卷（wrap around）：遇到最高位进位的时候，就将溢出的那一位与低16位相加。
  • UDP 的几个优点
    • 对于发送什么数据和何时发送数据有更为精细的控制。TCP 因为有拥塞控制使得 TCP 发送速率不能得到保证，而 UDP 没有这种限制
    • 无须事先建立连接。TCP 在发送数据前必须经过 3 次握手，这就引入了非常大的时延
    • 无连接状态。UDP 不需要额外的内存以保存缓存、拥塞控制参数等数据，因此服务器可以有更多的 UDP 连接
    • 分组的首部开销更小。UDP 的首部只有 8 个字节，而 TCP 有 20 个字节。
• 可靠数据传输原理
  • 构造可靠数据传输协议
    • 经完全可靠信道的可靠数据传输：rdt1.0
    • 经具有比特差错信道的可靠数据传输：rdt2.0
    • 经具有比特差错的丢包信道的可靠数据传输：rdt3.0
    • 流水线可靠数据传输协议
    • 回退N步
    • 选择重传
• 面向连接的运输：TCP
  • TCP连接建立三次握手：
    • 客户端的TCP会向服务端的TCP发送一个报文，该报文有一个标志位SYN被置为1，客户端还会随机选择一个初始序号client_isn然后发送给服务端TCP
    • 服务端TCP收到客户端的报文后，会为客户端TCP分配缓存和变量，同时也会发送一个报文给客户端，其中有SYN=1，并加clenet_isn+1处理，服务端也会发送一个自己的初始序号server_isn（有一种典型的SYN泛洪攻击就是利用这个一步骤会分配变量和缓存，导致系统崩溃）
    • 客户端收到服务端的报文后，也会为服务端TCP分配缓存和变量，然后再次发送一个报文给服务端TCP，该报文中，将SYN=0，把server_isn+1处理。
  • 关闭TCP连接：
    • 客户端会向 服务端 发送一个报文，该报文中有个标志为FIN=1，服务端收到会发送一个报文给客户端，该报文中也有一个标识位FIN=1；等客户端收到报文后确认了FIN标识位，就是释放。
  • TCP报文段结构
  • 往返时间的估计与超时
  • 可靠数据传输
  • 流量控制
  • TCP连接管理
• 拥塞控制原理
  • 拥塞原因与代价
  • 拥塞控制方法
  • 网络辅助的拥塞控制例子：ATM ABR拥塞控制
• TCP拥塞控制
  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 快速恢复
  • TCP拥塞控制：回顾
  • 对TCP吞吐量的宏观描述
  • 经高带宽路径的TCP