第五章 运输层

任务：负责向两台主机中的进程之间的通信提供通用的数据传输服务

一、协议概述

1、进程之间的通信

端对端的通信是应用进程之间的通信

区别：
网络层为主机之间的通信提供服务
运输层则在网络层的基础上，为应用进程之间提供服务

还有就是差错检测

2、两个主要协议

1. 用户数据报协议UDP（无连接）
2. 传输控制协议TCP（面向连接）
   

TCP传送的数据单位协议是TCP报文段
UDP传送的是UDP报文或用户数据报

UDP传送之前不需要先建立连接，目的主机收到UDP报文，也不需要给出确认，提供不可靠连接，简单

TCP提供面向连接的服务，传送之前必须要先建立连接，结束要释放连接，不提供广播和多播，提供可靠的连接

3、端口

复用类似一个收发室，大家通过这个发信息
分用类似一个派发员，把收到的东西分发给大家

端口就是对应主机的应用进程

通信不仅需要知道端口号还需要知道IP地址

服务器端使用的端口号

1. 熟知的端口号：
   
2. 登记的端口号：1024-49151
3. 客户端使用的端口号：49152-65535

二、用户数据报协议UDP

在IP数据报的基础上添加了复用和分用、差错检测

1、UDP概述

主要特点：

1. 无连接：发送之前不需要建立连接
2. 使用尽最大努力交付：不保证可靠交付
3. 面向报文：一次传送完整的报文
4. 没有拥塞控制：网络拥塞不会使主机发送降低
5. 支持一对一、一对多、多对一、多对多
6. 首部开销小，只有8个字节

就添加一个首部

2、UDP首部格式

1. 源端口
2. 目的端口
3. 长度：用户数据报的长度
4. 检验和：检验用户数据报在传输过程有没有问题

检验和：
首先UDP有一个伪首部，这个是IP的信息

检验和一开始为0

然后，每16位（包括伪首部、首部、用户数据报，分成一份份16位）按二进制反码运算求和
先求和，如果最高位有进位，就移到最低位运算
最后再取反

然后接受方，无差错就是相加结果为全1，否则就是有差错

三、TCP传输控制协议

1、主要特点

1. 面向连接：在传输之前要先建立连接
2. 每一条TCP连接两个端点，点对点（一对一）
3. 提供可靠交付
4. 全双工通信
5. 面向字节流
   

TCP不关心应用进程一次把多长的报文发送给TCP缓存

TCP根据窗口值和网络拥塞程度，决定报文段包含多少字节

2、TCP的连接

TCP连接通过套接字socket

TCP连接就是两个套接字

四、可靠传输的工作原理

理想传输的两个特点：

1. 传输不出差错
2. 接收方来得及处理数据

应对方式：

1. 出差错，重发送
2. 来不及就降低发送速率

1、停止等待协议

全双工通信，双方都是发送方也是接收方
就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认

（1）无差错情况

A发送了数据，收到B的确认返回

（2）出现差错

A没有收到确认，超过一段时间依然没有收到确认，就认为刚才发送的丢失了，重新发送
这就是超时重传

三点：

1. A发送完，要保存副本
2. 分组和确认分组要进行编号
3. 超时重传时间比平均往返时间长一点

（3）确认丢失和确认迟到

确认丢失，就是B发送的确认信息，丢失了
处理：

1. B丢失A重复发来的分组
2. 继续向A发送确认

确认迟到
就是B的确定来迟了，A超时重发了

处理：

1. A丢弃这个确认
2. B丢弃重复数据

（4）信道利用率

等于发送时间除于（发送时间+往返时间+B的发送时间）

停止等待的信道利用率太低了

流水线就是发送多个

2、连续ARQ协议

维持一个发送窗口，位于发送窗口的分组都可以连续发送，不需要等待对方的确定

每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置

五、TCP报文段首部格式

分成：首部+数据
功能实现体现在首部
首部固定20字节，后面还有4n字节根据需要而添加

1. 序号：每一个字节的序号，指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号

2. 确认号：期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号
   

3. 数据偏移：指出数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远

4. 保留：保留为今后使用

5. 紧急URG：表明紧急指针字段有效

6. 确认ACK：当ACK=1时确认段才有效

7. 推送PSH：PSH=1表明要尽快交付接收

8. 复位RST：RST=1出现严重差错

9. 同步SYN，表示一个连接请求或连接接受报文
   

10. 终止FIN：释放一个连接，等于1表示发送完毕

11. 窗口：从确认号起，允许对方发送的数据量

12. 检验和：和UDP的计算方式一样，第4字段改为6

13. 紧急指针

14. 选项

六、可靠传输实现

1、以字节为单位的滑动窗口

窗口越大，表明发送发可以在收到对方确认之前连续发送更多的数据，获得更高的传输效率

2、超时重传时间的选择

TCP采用一种自适应算法

几个关键数据

最后的超时重传时间RTO计算

karn算法：减低重传数据对RTT计算的影响
在计算评价往返时间RTT时，只要报文段重传，就不采用其往返时间样本

3、选择确认SACK

解决重传只缺少的数据

七、TCP的流量控制

1、利用滑动窗口实现流量控制

流量控制：让发送方的发送速率不要太快，使得接收方来得及接收

解决问题：
持续计时器
只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知（不可以再发送了），就启动持续计时器，时间到了，就发送一个探测报文段，对方确认这个探测报文段给出现在的窗口值。
如果窗口不为0，就发送，为0继续持续计时器

2、传输效率

如何开工至TCP发送报文段的时机

糊涂窗口综合征：每次仅发送一个字节或很少字节的数据，导致数据传输效率变低的现象

加一个缓冲

八、TCP的拥塞控制

1、拥塞控制的一般原理

资源需求超过资源可用部分，网络性能明显变坏

方法
开环控制：事先考虑周全，避免发生拥塞
闭环控制：发生拥塞后，采用措施控制，消除拥塞

2、拥塞控制方法

四种

1. 慢开始
2. 拥塞避免
3. 快重传
4. 快恢复

拥塞窗口的大小取决网络的拥塞程度，是动态变换

只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口可以增大一点
出现拥塞，拥塞窗口变小一点

（1）慢开始

（2）拥塞避免

拥塞避免是线性增加的

（3）快重传

（4）块恢复

3、主动队列管理AQM

就是不要等到队列到达最大值才不得不丢弃后面的分组，而是当达到某个警惕的数值就开始主动丢弃到达的分组

实现方法：
随机早期检测

最小门限、最大门限

九、TCP的运输连接管理

TCP是面向连接的，用来传送报文

建立连接的过程叫做握手

第三次是通知B建立连接了

2、连接释放

必须等待2MSL的时间：

1. 保证发送的最后一个ACK报文段能够到达B
2. 防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中

3、有限状态机

更好显示TCP连接的各种状态之间的关系