网络（五） 传输层

第五章 传输层

5.1 传输层与UDP

一. 传输层的功能

1. 传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信
2. 传输层要对收到的报文进行差错检验
3. 传输层需要2种协议
   （1）面向连接的TCP
   （2）无连接的UDP

二. UDP的特点

1. UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
2. UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不实用拥塞控制
3. UDP面向报文，适合多媒体通信需求
4. UDP的首部开销小，只有8字节
   
   校验和字段计算过程：把没32bit作为一项，逐项相加（包括首部和数据），最后不足32bit的项填充0后相加。将这些项的反码求和后再求反码，结果就是校验和字段的值

5.2 TCP

一. TCP的概念

1. TCP是面向连接的传输层协议

2. 每一条TCP连接只能又2个端点
   每一条TCP连接只能是点对点的

3. TCP提供可靠交付物反应

4. TCP提供全双工通信

5. TCP是面向字节流的
   （1）TCP把每个字节都编上了序号
   （2）TCP要求把每个序号都发送回ACK报文

6. TCP报文头
   
   （1）源端口，目的端口占4字节：表示操作系统上的0～(2^{16}端口范围)
   （2）序号：报文第一个字节的序号（4字节）
   （3）确认号：即将收到的对方返回报文中的序号（这个序号由对方主机维护）（4字节）
   【注】：服务端和客户端的区分是用端口来区分的。
   （4）数据偏移：4bit   指出TCP报文段的数据部分距报文段的起始处有多远。单位是32位字
   （5）连续的6bit标记位：
           URG：数据是否需要紧急发送
           ACK：确认字段是否有效。 ACK=1，上面的确认号才有用
           PSH：当收到的报文中PSH=1，接收方不等到缓冲区满就把报文交付到上层。
           RST：当RST=1，表明TCP连接必须先释放再重新建立
           SYN：当SYN=1，表明这是一个连接请求或连接接受
           FIN：用来释放一个连接。
   （6）窗口：2字节   用来让对方设置发送窗口的大小
   （7）紧急指针：16bit   用来指出此报文段中紧急数据站多少字节

二. TCP连接管理

1. 传输连接需要三个过程
   （1）连接建立
   （2）数据传送
   （3）连接释放

2. 连接过程需要解决3个问题：
   （1）使每一方能够确认对方的存在
   （2）允许双方确认一些参数（eg：最大报文段长度，最大发送窗口大小，服务质量等）
   （3）对传输实体资源进行分配（eg：缓存大小，连接表中的项目等）

3. TCP3报文连接过程
   （1）第一条报文：SYN=1，声明自己是测试连接报文。
   （2）第二条报文：SYN=1，ACK=1，并给出自己的seq序号和ack期望对方的序号。表明自己已经接受到了第一条报文。
   （3）第三条报文：ACK=1，设置自己的seq序号和希望对方的序号。自己的seq，说明已经接受到了第二条报文
   （4）开始传输数据 。 。 。
   

4. TCP释放连接
   当乙方请求释放连接时，先声明自己已经没有要传输的数据了，FIN=1；然后对方如果还有数据还能发送，直到发送完毕，对方也把FIN设置为1.连接即可释放
   

三. TCP可靠传输

1. 采用TCP协议连接的双方都要有2个窗口：发送窗口和接收窗口
2. TCP的可靠传输机制：TCP把要传输的报文中的每个字节编上序号。TCP所有确认都是基于序号而不是基于报文
3. TCP两端的4个窗口大小经常处于动态变化。但每时每刻都有 (Size_{发送窗口} leq Size_{接收窗口})。
   此处的窗口大小设置与数据链路层不一样，数据链路层往往是接受窗口小于等于发送窗口，为了尽最大努力交付
4. TCP连接的往返时间RTT也不是固定不变的，因为路由选择的路线不同。这个新RTT是一个估算值。

四. TCP的流量控制和拥塞控制

1. 流量控制：rwnd
   （1）发送窗口的滑动收到接收窗口的制约：
   （2）接收方返回的报文中，会带有rwnd=100。表示接受窗口大小为100，此时发送方接收到报文后，就会调整自己的发送窗口为100

2. 拥塞控制：cwnd（congestion window）
   （1）发送方：根据拥塞窗口cwnd的大小动态改变自己的发送窗口大小
   （2）拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，在动态的改变。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口，考虑到接收方的接收能力，发送窗口的大小可能小于拥塞窗口
   （3）发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没拥塞，拥塞窗口就可以再增大一些，以便把更多的报文发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少发送到网络中的分组数。

3. 慢开始原理
   （1）在主机刚刚开始发送报文段时，先设置拥塞窗口cwnd=1.即设置一个最大报文段MSS。
   （2）随后，每收到一个对新报文段的确认后，拥塞窗口×2，即增加一个MSS的数值
   （3）用这种方法逐步增大发送段的拥塞窗口cwnd，可以使分组诸如到网络的速率更加合理（慢开始并不慢）
   （4）sstresh门限值：
           i. 当 cwnd < sstresh 时,使用慢开始算法
           ii. 当 cwnd >= sstresh 时，使用拥塞避免算法：每次只增加一个MSS
   （5）无论在慢开始还是在拥塞阶段，只要发送方出现拥塞（其根据是没有按时收到确认），就把慢开始门限sstresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半，然后把拥塞窗口cwnd的值设为1，执行慢开始算法。

4. 快重传，快恢复算法
   （1）当发送端连续收到三个重复的确认帧时，就执行“乘法减小”，把慢开始的ssthresh减半，但并不是把拥塞窗口设置为1.因为发送方现在认为网络很可能还没发生拥塞，因此现在不执行慢开始算法，即拥塞窗口cwnd的值设置为慢开始门限sstresh的一半，然后执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢的线性增大。
   （2）发送窗口的值为 Min { cwnd ， rwnd }