第五章.運輸層
運輸層的概述
運輸層屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。從運輸層的角度看，通信的真正端點并不是主機而是主機中進程
運輸層有一個很重要的功能， 復用 和 分用 。復用是指發(fā)送方不同的應用進程都可以使用同一個運輸層協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，分用指接收方的運輸層在剝?nèi)笪牡氖撞亢竽軌虬堰@些數(shù)據(jù)正確交付目的應用進程。
運輸層兩大通信協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議） 和 UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議） 。
端口
使用協(xié)議端口號可以達到分用的目的，注意的是，這種在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是 軟件端口 ，和路由器或交換機上的硬件端口是完全不同概念。硬件端口是不同硬件設備進行交互的接口，而軟件端口是應用層的各種協(xié)議進程與運輸實體進行層間交互的一種地址。
16位端口可允許65525個不同的端口，端口分為兩大類，服務器端使用的端口號（0-49151）和客戶端使用的端口號（49152-65535）。其中服務器端使用的端口號又分為兩種：
- 熟知端口號：0-1023，一般給常用軟件分配，讓用戶都知道。
- 登記端口號，1024-49151，為沒有熟知端口號的應用程序使用，需要在IANA登記，以防重復。
UDP
UDP只在IP的數(shù)據(jù)報服務之上增加了很少一點功能，就是復用和分用的功能以及差錯檢測。UDP是無連接，盡最大努力交付，面向報文的（對應用層交下來的報文，添加首部后直接發(fā)送）。UDP沒有擁堵控制，首部開銷很小，只有8個字節(jié)，由于UDP沒有擁堵控制，如果很多主機同時發(fā)送高速率的實時視頻流時，網(wǎng)絡就容易發(fā)生擁堵。
TCP
TCP是面向連接，點對點通信，可靠交付，全雙工通信的，面向字節(jié)流。
可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?/h3>
先從最簡單的停止等待協(xié)議說起
停止等待協(xié)議
每發(fā)送完一個分組就停止發(fā)送，等待對方的確認，在收到確認后再發(fā)送下一個分組。其間如果出現(xiàn)差錯（超過一段時間后沒有收到確認），就 超時重傳 。通過這樣的機制（也叫自動重傳請求ARQ（Automatic Repeat reQuest）），就可以實現(xiàn)可靠通信。
確認丟失和確認遲到
接收方收到重傳分組，需要做兩件事，丟棄這個分組，向發(fā)送方發(fā)送確認，因為A是收不到確認才發(fā)了重傳分組。
發(fā)送方收到遲到的確認，丟棄即可，如果發(fā)送方始終收不到確認，說明線路太差。
信道利用率 U = Td/(Td+RTT+Ta)
- Td:發(fā)送方發(fā)送分組所需要的時間
- RTT往返時間
- Ta:接收方發(fā)送確認所需時間
停止等待的的信道利用率是很低的。
連續(xù)ARQ協(xié)議
發(fā)送方維持一個發(fā)送窗口，每收到一個確認就可以把發(fā)送窗口向前滑動。接收方一般采用累計確認的方式，就是在收到幾個分組后，對按序到達的最后一個分組發(fā)送確認。
TCP可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
TCP的滑動窗口是以 字節(jié) 為單位的，流程跟連續(xù)ARQ協(xié)議很像，窗口的大小是可以改變的。另外TCP發(fā)送方和接收方都有緩存，發(fā)送緩存包含發(fā)送窗口和應用程序傳送給TCP準備發(fā)送的數(shù)據(jù)。接收緩存存放按序到達，但未被應用程序讀取的數(shù)據(jù)和未按序到達的數(shù)據(jù)。對于未按序到達的數(shù)據(jù)，TCP一般臨時存放在接收窗口中，等到缺少的字節(jié)收到后再按序交付給應用程序。
選擇確認SACK
對于收到的報文段無差錯，只是未按序號，中間還缺少一些序號的數(shù)據(jù)，只要求發(fā)送方重傳缺少的數(shù)據(jù)，這時候選擇確認SACK是一種可行的處理方法。
但是由于TCP首部沒有哪個字段可以存放字節(jié)塊的邊界信息，而首部長度限制，所以一般還是重傳所有未被確認的數(shù)據(jù)塊。
TCP的流量控制
所謂流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收。
接收方收到了分組后，可以在確認報文中設置rwnd來要求發(fā)送方窗口大小調整，以此來控制流量。但是如果發(fā)送方收到了零窗口通知后，接收方要增大窗口發(fā)送一個增大窗口報文，但是這個報文丟失會造成死鎖，因此TCP為每一個連接設有一個持續(xù)計時器。
只要TCP連接的一方收到對方的零窗口通知，就啟動持續(xù)計時器，如果計時器的時間到期，就發(fā)送一個 零窗口探測報文段（僅有1字節(jié)的數(shù)據(jù)） ，接收方在確認這個探測報文時給出現(xiàn)在的窗口值，如果還是零，就重新設置持續(xù)計時器，不是零就打破死鎖。
TCP的擁堵控制
所謂擁堵控制就是防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡中，這樣可以使網(wǎng)絡中的路由器或鏈路不致過載。擁堵控制是防止網(wǎng)絡線路中過多的數(shù)據(jù)堵塞，而流量控制是為了讓接收端來得即接收數(shù)據(jù)，當然網(wǎng)絡中有很多主機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，擁堵控制就顯得特別重要。
擁堵控制的四種算法: 慢開始 ，擁堵避免， 快重傳 ， 快恢復 。
相關名詞：
- 擁堵窗口cwnd
- 接收窗口rwnd
- 慢開始門限ssthresh
慢開始和擁堵避免
發(fā)送方維持一個擁堵窗口cwnd的狀態(tài)變量，發(fā)送窗口等于min(擁堵窗口，接收窗口)，當網(wǎng)絡發(fā)送擁堵時，就減小擁堵窗口，反之增大。那么發(fā)送方如何知道網(wǎng)絡發(fā)生了擁堵？我們知道，當網(wǎng)絡發(fā)生擁堵時，路由器就會丟棄分組，因此當發(fā)送方?jīng)]有按時收到應當?shù)竭_的 確認報文 ,就可以認為網(wǎng)絡發(fā)生了擁堵。
慢開始:當主機開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，應當先試探性地往網(wǎng)絡中發(fā)送數(shù)據(jù)。通常一開始先把擁堵窗口cwnd設置為一個最大報文段MSS的數(shù)值，每接收到 一個確認報文 后，就可以把cwnd 增加至多一個 MSS的數(shù)值，也就是翻倍增大cwnd大小。
為了防止擁堵窗口cwnd增長過大引起網(wǎng)絡擁堵，還需要設置一個慢開始門限ssthresh狀態(tài)變量。
- 當cwnd<ssthresh，使用慢開始算法
- 當cwnd>ssthresh，停止使用慢開始算法而改用擁堵避免算法
- 當cwnd=ssthresh，兩者皆可
擁堵避免 就是cwnd每經(jīng)過一個往返時間RRT就把發(fā)送方的擁堵窗口cwnd增加1，而不是加倍，即擁堵避免是線性增長，慢開始是指數(shù)增長。
乘法減小：無論在慢開始階段還是擁堵避免階段，只要出現(xiàn)超時（即可能出現(xiàn)網(wǎng)絡擁堵），就把慢開始門限值ssthresh 設置為當前cwnd的減半，并且cwnd設置為1
加法增大：在執(zhí)行 擁堵避免 算法后，使 擁堵窗口 緩慢增大
乘法減小和加法增大合起來常稱為AIMD算法。
注意的是，上述兩種算法并不能完全避免擁堵，只是使網(wǎng)絡不容易出現(xiàn)擁堵。
快重傳和快恢復
- 快重傳：快重傳算法首先要求接收方每收到一個失序的報文段后就立即發(fā)出重復確認。例如沒有收到M3，卻收到了M4，以后收到M5,M6等都立刻發(fā)出確認M2，讓發(fā)送方及時知道M3丟失?？熘貍魉惴ㄒ?guī)定發(fā)送方只要一連續(xù)收到 三個重復確認 就應當立即重傳對方尚未收到的報文段，而不必繼續(xù)等待為M3設置的重傳計時器到期，這樣整個網(wǎng)絡的吞吐量得到了很大的提升。
- 快恢復：當發(fā)送方連續(xù)收到三個重復確認，把ssthresh和新的cwnd設置為當前cwnd的一半，然后開始執(zhí)行擁堵避免算法（加法增大）。
在采用快恢復算法時，慢開始算法只是在TCP連接建立時和網(wǎng)絡出現(xiàn)超時時才使用。
注意的是，發(fā)送方的發(fā)送窗口一定不能超過接收方在TCP首部中給出的接收窗口rwnd，即發(fā)送窗口上限 = min[rwnd,cwnd]
TCP連接管理
相關TCP報文首部：
- SYN：在建立連接時用來同步序號。當SYN=1而ACK=0時，表明這是一個連接請求報文段。如果對方同意建立連接，在響應報文段SYN=1和ACK=1
- seq：序號，表明該報文段第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號
- ACK：僅當ACK=1時確認號字段才有效。
- ack：確認號，期望收到對方下一個報文段的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號
- FIN：用來釋放一個連接。FIN=1，表明此報文段的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放連接。
TCP連接的建立
關于最后一次確認的作用：
假定A第一次建立連接發(fā)送的請求報文延遲了，A重發(fā)一次建立連接的請求，于是B收到了兩個連接建立請求，錯誤地打開兩個連接。
TCP連接的釋放
TCP連接釋放是雙方都可以主動發(fā)起釋放連接請求。
關于最后主動關閉連接方需要進入TIME-WAIT狀態(tài)等待2MSL時間
為了確保A最后發(fā)送的ACK報文能夠到達B。如果A在TIME-WAIT狀態(tài)下收到了B的FIN+ACK報文的重傳，就可以重傳一次最后的ACK報文。因此TCP連接中被動關閉連接的一方往往是先關閉連接的一方。
另外TCP連接中，除了時間等待計時器外，還有一個保活計時器，其作用是為了防止客戶端的主機出現(xiàn)故障，而長期占用服務器的資源。
第六章.應用層
DNS域名系統(tǒng)
域名系統(tǒng)DNS（Domain Name System），從域名解析出IP地址。因特網(wǎng)的域名系統(tǒng)DNS被設計成為一個聯(lián)機分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使大多數(shù)名字都在本地進行解析，僅少量解析需要在因特網(wǎng)上通信。
當需要解析主機名的時候，主機調用解析程序，用UDP用戶數(shù)據(jù)報方式發(fā)給本地域名服務器，如果本地域名服務器無法解析域名，就向其他域名服務器發(fā)出查詢請求。
域名結構
例子：mail.cctv.com，從左往右，mail是三級域名，cctv是二級域名，com是頂級域名
