第六章传输层

思维导图：

一、概述

与数据链路层关系

提供可靠的、高效的、性价比高的数据传输
输出实体
- 　　
传输层利用网络层的服务，为它的上层应用层提供服务
-

网络层与传输层不同点：

网络层运行在由承运商操作的路由器上，因此用户无法真正控制到网络层
把另一层放在网络层之上，可以让用户能够控制到服务质量（some control）
传输层原语独立于网络层原语，而网络层原语会因为网络的不同而不同
- 　　
网络层负责把数据从源机送达到目的机（Host to Host）
传输层负责把数据送达到具体的应用进程(End to End：端到端)

与数据链路层关系

数据段（TPDU，传输层协议数据单元）

TPDU（Transport Protocol Data Unit)是从传输实体发到对端传输实体的信息，有的教材叫TPDU为数据段（segment）
TPDU作为数据（载荷）被封装在分组（packet）中，由网络层传输交换
分组作为数据（载荷）被封装在帧（frames）中，由数据链路层传输交换

两个常用的协议：

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议

二、用户数据报协议UDP

UDP提供无连接的连接，可以使用源端口和目的端口

UDP数据段包括4个字段共8字节的头部和数据两个部分
其中第3个字段，长度字段（域）表示；包括头部和数据总共有多少字节
第4个是校验和（checksum）是可选的，如果不计算校验和，则该字段/域置为0
UDP数据段中最独特、最重要的字段是1、2个字段，分别表示源端口和目的端口，都是用16比特表示的

端口被分为三段：

自由端口（Free port）

本地分配
动态的随机端口

UDP校验和计算：

校验和中用到的IP伪头部：（TCP协议值为6）

收到数据进行校验和计算，计算的数据里面包括收到的校验和，计算的结果应该为全1，否则传输过程中发生错误。

通信模型

端点就是套接字（Socket）

包括：

IP地址
端口号

通信五元组：

一些著名的端口号：

传输层的PDU不仅仅送达主机，而且送达端口，即应用进程

三、 TCP数据段（Transmission Control Protocol）

TCP连接上的每个字节都有它自己独有的32位序列号
单收、发双方的TCP实体不是以字节，而是以数据段的形式交换数据
- 　　TCP数据段必须适合IP分组的65515字节（65535-20B）的载荷限制
- 每个TCP数据段必须适合于下层网络的MTU

Sequence number

序列号，表示一个字节的编号
初始序列号ISNs（initial sequence numbers）:随机产生的

Acknowledgement number

确认号，期望接收的字节编号（32位）
TCP的可靠传输保证，采用了肯定确认机制

：

保留字段，和控制比特

URG：紧急数据，即使win = 0，也可以发送。值为1时，马上处理
ACK: =1，确认号有效
PSH：表示这是带有PUSH标志的数据，接受方收到这样的数据，应该立刻送到上层，而不需要缓存它
RST：被用来重置一个已经混乱的连接，如果在连接建立阶段，就直接拒绝建立连接
SYN：用在连接建立的过程
FIN：被用来释放连接，它表示发送方已经没有数据要传输了，但是可以继续接收数据

Window size：

为了避免接收方被大量涌入的数据所淹没，TCP实体进行流控（Flow control）
告诉对方可以发送的数据字节数，即从确认字节号开始，连续发送的字节总数
窗口尺寸的大小，取决于接收方

Checksum(校验和)：

计算方法跟UDP数据段中校验和计算一样，唯一不一样的就是伪头部中的用户协议值取为6

Urgent pointer：

紧急指针，和URG控制位配合使用，指明了紧急数据

Options

如果有选项域，它提供了一种增加基本头没有包含的内容的方法

TCP三次握手

1. 建立过程

一方（server）被动地等待一个进来地连接请求
另一方（client）通过发送连接请求，设置一些参数
服务器回发确认应答
应答到达请求方，请求方最后确认，连接建立
可能地安全问题：SYN泛洪Dos攻击（伪造源IP）

2. 连接释放

任何一方在没有数据要传送地时候，都可以发送一个FIN置位了的TCP数据段
当FIN被确认的时候，该方向的连接被关闭了
当双向的连接都关闭了的时候，连接释放

四次握手正常释放连接：

TCP传输策略

传输的是全双工的字节流

采用Window size 进行流控

策略

当窗口数为0时，发送者不能正常发送数据段，除非：
Urgent数据。比如，用户想杀掉远端机器上的进程的时候，可以发送数据。
发送者可以发送一个字节的数据段，以便让接收者再次发送期待接收的字节号（确认）和窗口数（避免死锁）

优化

1. 优化接收端

接收端可以推迟500ms发送确认分组和窗口更新，以便可以免费搭载在处理后的回显分组内（free ride）
傻瓜窗口综合症

2. 优化发送端：Nagle's algorithm

当数据以一次一字节的速度到达传输实体的时候，只发送第一个字节，然后将后续的字节缓存起来，知道发出的字节得到确认
将缓存起来的字节在一个数据段中发出，在继续缓存，知道发出的数据得到确认
有些情况禁用，如：互联网远程运行

TCP拥塞控制

拥塞检测（Congestion detection）

所有的互联网TCP算法都假定超时是由拥塞引起的，并且通过监视超时的情况来判断是否出现问题

拥塞控制（Congestion control）

当一个连接建立的时候，双方选择一个合适的窗口大侠，接收方根据自己的缓存区大小来指定窗口的大小
如果发送者遵循这个窗口大小的限制，则接收端不会出现缓冲区溢出的问题，但可能由于网络内部的拥塞而发生问题

两个窗口问题

要解决拥塞，应该是认识到这两个潜在的问题：网络容量、接收者容量
为此，每个发送者维护两个窗口
- 　接收者窗口：反映了目前接收者的处理能力（容易获取）
- 　拥塞窗口：大小反应了网络目前的容量（难于获取）
只要发送者发送的数据字节数是两个窗口中小的那个窗口数

慢启动算法（Slow Start）

当连接建立的时候，发送者用当前使用的最大数据段长度初始化拥塞窗口，然后发送一个最大的数据段
如果在定时器超时之前收到确认，则将拥塞窗口翻倍，然后发送两个数据段，直到超时（或达到接收方窗口的大小）

阈值开始，每次传输，线性增长

不断超时，不断重启
重新慢启动的时候，拥塞窗口值不用重置为一个数据段大小，而是可以设置为阈值大小，从这里直接开始线性增长，者就是所谓的快速恢复
任何时候，如果TCP传输实体收到一个ICMP抑制分组（ICMP source quench），则该事件被当作超时对待

TCP定时器

TCP采用了肯定确认重传技术，保证每一个字节的可靠传输
每发一个数据段，都会启动一个定时器——重传定时器（retransmission timer,Positive ackn.with retransmit）
持续定时器（persistence timer） 用来避免如下死锁
保活定时器（keep-alive timer）——用来检查连接是否存活
在关闭时候，处于time-wait中使用的定时器，运行两倍的最大分组生存时间，以确保连接关闭之后，该连接上的所有数据都完全消失

TCP与UDP比较：

- TCP
  - 　可靠传输方式
  - 可让应用程序简单化，程序员可以不必进行错误检查、修正等工作
- UDP
  - 　为了降低对计算机资源的需求（如：DNS）
  - 应用程序本身已提供数据完整性的检查机制，毋须依赖传输层的协议来保证
  - 应用程序传输的并非关键性的数据（如：路由器周期性的路由信息交换）
  - 一对多方式，必须使用UDP（TCP限于一对一的传送）