傳輸層

傳輸層的基本服務(wù)

一、傳輸層的功能

傳輸層的核心任務(wù)是為應(yīng)用進(jìn)程之間提供\color{blue}{端到端的邏輯通信服務(wù)}。

1. 主要功能包括：

\bullet ?傳輸層尋址

\bullet ?應(yīng)用層報文的分段和重組

\bullet ?報文的差錯檢測

\bullet ?進(jìn)程間的端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸控制

\bullet ?面向應(yīng)用層實現(xiàn)復(fù)用與分解

\bullet ?端到端的流量控制

\bullet ?擁塞控制

2. 傳輸層提供的服務(wù)

傳輸層協(xié)議提供\color{blue}{邏輯通信}服務(wù)；

傳輸層協(xié)議只需在\color{blue}{端系統(tǒng)}中實現(xiàn)；

通信的真正端點并不是主機(jī)，而是主機(jī)中運(yùn)行的\color{blue}{應(yīng)用進(jìn)程}。

二、傳輸層尋址與端口

1. 用統(tǒng)一的尋址方法對應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行標(biāo)識——\color{blue}{端口號}。

2. 在全網(wǎng)范圍內(nèi)利用 "\color{blue}{IP地址+端口號}" 唯一標(biāo)識一個通信端點。(即應(yīng)用進(jìn)程)

3. 傳輸層端口號為16位整數(shù)，包含三類端口：

? ??(1)\color{blue}{熟知端口號}，數(shù)值為 0~1023.

? ? (2)\color{blue}{登記端口號}，數(shù)值為 1024~49151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用。使用這個范圍的端口號必須在IANA登記，以防止重復(fù)。

? ? (3)\color{blue}{客戶端口號或短暫端口號}，數(shù)值為 49152~65535，留給客戶進(jìn)程選擇暫時使用。

提供服務(wù)的人端口號一定要固定，但對于用戶來說無所謂。

三、無連接服務(wù)與面向連接服務(wù)

1. 無連接服務(wù)——數(shù)據(jù)傳輸之間無需與對端進(jìn)行任何信息交換（即 “握手”），直接構(gòu)造傳輸層報文段并向接收端發(fā)送。? ? ? ? ? ?——UDP

2. 面向連接服務(wù)——在數(shù)據(jù)傳輸之前，需要雙方交換一些控制信息，\color{blue}{建立邏輯連接}，然后再\color{blue}{傳輸數(shù)據(jù)}，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后還需要再\color{blue}{拆除連接}。? ? ? ? ? ?——TCP

傳輸層的復(fù)用與分解

多路復(fù)用與多路分解：是傳輸層的一項基本功能，支持眾多應(yīng)用進(jìn)程共用同一個傳輸層協(xié)議，并能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確交付給不同的應(yīng)用進(jìn)程。

一、無連接的多路復(fù)用與多路分解

UDP套接字：<目的IP地址，目的端口號>

UDP套接字的端口號是UDP實現(xiàn)復(fù)用與分解的重要依據(jù)。

通過目的IP地址可以判斷到哪個主機(jī)，通過目的端口可以判斷到哪個應(yīng)用進(jìn)程。

二、面向連接的多路復(fù)用與多路分解

TCP套接字(標(biāo)識一條TCP連接)：

<源IP地址，源端口號，目的IP地址，目的端口號>

當(dāng)一個TCP報文段從網(wǎng)絡(luò)層到達(dá)一臺主機(jī)時，該主機(jī)根據(jù)這 4 個值來將報文段分解到相應(yīng)的套接字。


停-等協(xié)議與滑動窗口協(xié)議

一、可靠數(shù)據(jù)傳輸基本原理

實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇胧?/p>

1. 差錯檢測：利用差錯編碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸過程中的比特差錯檢測。

2. 確認(rèn)：接收方向發(fā)送方反饋接收狀態(tài)。

3. 重傳：發(fā)送方重新發(fā)送接收方?jīng)]有正確接收的數(shù)據(jù)。

4. 序號：確保數(shù)據(jù)按序提交。

5. 計時器：解決數(shù)據(jù)丟失問題。

二、停-等協(xié)議

停-等協(xié)議的主要特點就是每發(fā)送一個報文段后就停下來等待接收方的確認(rèn)。

停-等協(xié)議的基本工作過程：

1. 發(fā)送方發(fā)送經(jīng)過差錯編碼和編號的報文段，等待接收方的確認(rèn)；(\color{blue}{發(fā)送并等待確認(rèn)})

2. 接收方如果正確接收報文段，即差錯檢測無誤且序號正確，則接收報文段，并向發(fā)送方發(fā)送ACK，否則丟棄報文段，并向發(fā)送方發(fā)送NAK；（\color{blue}{接收并確認(rèn)/否認(rèn)}）

3. 發(fā)送方如果收到ACK，則繼續(xù)發(fā)送后續(xù)報文段，否則重發(fā)剛剛發(fā)送的報文段。(\color{blue}{繼續(xù)發(fā)送/重發(fā)})

三、滑動窗口協(xié)議

1. 停-等協(xié)議的主要性能問題：

停止-等待機(jī)制降低了信道利用率。

2.解決方法：

\color{blue}{流水線協(xié)議}或管道協(xié)議——允許發(fā)送方在沒有收到確認(rèn)前連續(xù)發(fā)送多個分組。

3. 流水線協(xié)議的改進(jìn)：

增加分組序號范圍；

發(fā)送方和(或)接收方必須。

4. 典型的流水線協(xié)議：

滑動窗口協(xié)議

停-等協(xié)議發(fā)送端每發(fā)送一個報文就需要停下來等待對方確認(rèn)，相當(dāng)于發(fā)送窗口大小為1；接收端僅接收符合當(dāng)前預(yù)期的一個報文，接收窗口大小為1.

三、滑動窗口協(xié)議

兩種最具有代表性的滑動窗口協(xié)議：

1. 回退N步（Go-Back-N，GBN）協(xié)議：

發(fā)送端窗口大小較大，可以在未得到確認(rèn)前連續(xù)發(fā)送多個分組；但接收窗口大小僅為一，只能接收1個按序到達(dá)的分組，未按序到達(dá)的分組或者某個分組差錯，就會引起發(fā)送方重發(fā)該分組及其之后的所有分組。

2. 選擇重傳（Selective Repeat，SR）協(xié)議：

增加接收方緩存能力（接收窗口>1）,緩存正確到達(dá)但失序的分組，僅要求發(fā)送方重傳未被接收方確認(rèn)的分組，等缺失分組到達(dá)后一并向上層按序提交。


用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP是Internet傳輸層協(xié)議，提供\color{blue}{無連接}、\color{blue}{不可靠}、數(shù)據(jù)報盡力傳輸服務(wù)。

一、UDP數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)

1. 源和目的端口號：用于UDP實現(xiàn)復(fù)用與分解。

2. 長度字段：在UDP報文段中的字節(jié)數(shù)（首部和數(shù)據(jù)的總和）。

3.校驗和：接收方用來檢測該報文段是否出現(xiàn)了差錯。

二、UDP校驗和

計算校驗和：

1. 對所有參與運(yùn)算的內(nèi)容（包括UDP報文段）按16位（16位對齊）求和；

2. 求和過程中遇到的任何溢出（即進(jìn)位）都被回卷（即進(jìn)位與和的最低位再加）；

3. 最后得到的和取反碼。


傳輸控制協(xié)議（TCP）

一、TCP報文段結(jié)構(gòu)

源端口（2字節(jié)）：發(fā)送端應(yīng)用程序的端口號.

目的端口（2字節(jié)）：接收端應(yīng)用程序的端口號.

序號（4個字節(jié)）：TCP是面向字節(jié)流傳輸?shù)模麨槊恳粋€字節(jié)編了一個序號，該報文段中序號為傳輸數(shù)據(jù)第一個字節(jié)的序號。例如：一個報文端的數(shù)據(jù)部分大小為100個字節(jié)，他的序號為400，那么下一次報文段的序號就為500.

確認(rèn)號（4個字節(jié)）：指明了下一個期待接收的字節(jié)序號，表明該序號之前的所有字節(jié)都正確接收到了，只有當(dāng)ACK為 1 的時候確認(rèn)號才有效.

數(shù)據(jù)偏移/首部長度（4個字節(jié)）： 用來表示報文段數(shù)據(jù)的起始處距離報文起始處的長度，也就是TCP報文首部的長度，由于首部含有可選項，所以TCP報頭長度是不確定的.

保留：為了將來定義新的用途保留，現(xiàn)在一般都置為0.

URG緊急控制位：與緊急指針配合使用，當(dāng)URG為1的時候，就是通知系統(tǒng)這個報文段有緊急數(shù)據(jù)，需要優(yōu)先傳輸。

ACK確認(rèn)控制位：當(dāng)它為?1?的時候，確認(rèn)號字段才有效，TCP規(guī)定，在連接建立后，所有ACK都應(yīng)該置為1

PSH推送控制位：當(dāng)報文段的psh為 1 的時候，接收方接到該報文段，就立刻將他交付給接收應(yīng)用進(jìn)程，而不是等緩存已滿的時候再交付。

RST復(fù)位控制位：當(dāng)報文段的RST為1的時候，說明該TCP連接出現(xiàn)錯誤，必須釋放連接，并重新建立連接。

SYN同步控制位：在連接建立時用來同步序列號，當(dāng) SYN=1,ACK=0 時說明這是一個連接請求報文段，如果對方同意建立連接則應(yīng)該在響應(yīng)的報文段中將 SYN=1,ACK=1，表示接受請求

FIN終止控制位：用來釋放連接，當(dāng)FIN=1時表示此報文段發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并要求釋放連接。

窗口（2字節(jié)）：用來告知發(fā)送端，接收端的緩存大小，以此控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，從而達(dá)到流量控制，窗口最大為65536。

校驗和：用CRC來校驗整個TCP報文段，包括tcp頭，tcp數(shù)據(jù)，由發(fā)送端進(jìn)行計算和存儲，接收端進(jìn)行校驗，如果接收方發(fā)現(xiàn)校驗和有差錯，則TCP段會被直接丟棄。

緊急指針（2字節(jié)）：標(biāo)識緊急數(shù)據(jù)在報文段結(jié)束的位置。

選項：長度可變，最大長度40個字節(jié)

二、TCP連接管理

連接建立——三次握手：

1. SYN連接請求（客戶端-->服務(wù)端）

2. SYNACK確認(rèn)（同步確認(rèn)）

3. ACK確認(rèn)（客戶端再次確認(rèn)）

TCP三次握手建立連接過程：

TCP斷開連接的過程——四次揮手：

三、TCP可靠數(shù)據(jù)傳輸

1. TCP的可靠數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)機(jī)制包括差錯編碼、確認(rèn)、序號、重傳、計時器等。

2. TCP的可靠數(shù)據(jù)傳輸是基于滑動窗口協(xié)議，但是發(fā)送窗口大小動態(tài)變化。

? ? (1)封裝TCP報文段

? ? (2)發(fā)出一個報文段后啟動一個計時器

????(3)通過校驗和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯

? ? (4)通過序號重新排序，丟棄重復(fù)的報文段

????(5)流量控制

四、TCP流量控制

1. TCP協(xié)議利用\color{blue}{窗口機(jī)制}實現(xiàn)流量控制，但不是簡單的滑動窗口協(xié)議。

2. TCP連接建立時，雙方都為之分配了固定大小的緩沖空間；TCP的接收端只允許另一端發(fā)送其緩沖區(qū)所能接納的數(shù)據(jù)。

? ? (1)接收端在給發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)段時，通告接收窗口大小。

? ? (2)發(fā)送端在接下來發(fā)送數(shù)據(jù)段時，確保未確認(rèn)段的應(yīng)用層數(shù)據(jù)總量不超過接收端通告的接收窗口大小，從而確保接收端不會發(fā)生緩存溢出。

五、TCP擁塞控制

1. 窗口機(jī)制：

通過調(diào)節(jié)窗口的大小實現(xiàn)對發(fā)送數(shù)據(jù)速率的調(diào)整。

2. 窗口調(diào)整的基本策略：

AIMD（Additive Increase，Multiplicative Decrease）加性增加，乘性減小；

網(wǎng)絡(luò)未發(fā)送擁塞時，逐漸 “加性” 增大窗口大小，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時 “乘性” 快速減小窗口大小。

3. TCP的擁塞控制算法：

包括了慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)4部分。

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