传输层协议

传输层协议是端到端的协议。仅在主机上实现。
两种常见的传输层协议：

• UDP

  • 面向数据报（Datagram oriented）：基于数据报的传输方式，不建立连接。
  • 不可靠，无连接（Unreliable, connectionless）：不保证数据的可靠性，也没有连接建立过程。
  • 简单（Simple）：协议设计较为轻量化，开销小。
  • 支持单播和多播（Unicast and multicast）：适合多种网络通信场景。
  • 常用于网络控制信令服务：
    • 如网络管理（SNMP）、路由（RIP）、域名解析（DNS）等。
  • 适用于交互式多媒体应用：
    • 如视频流、音频流等需要快速传输的场景。

• TCP

  • 面向流（Stream oriented）：数据以字节流的形式传输。
  • 可靠，面向连接（Reliable, connection-oriented）：通过握手机制建立连接，确保数据可靠传输。
  • 复杂（Complex）：实现了流量控制、拥塞控制等功能。
  • 仅支持单播（Unicast only）：只支持点对点通信。
  • 广泛用于大多数互联网应用：
    • 如网页（HTTP）、邮件（SMTP）、文件传输（FTP）、终端（Telnet）等。
  • 许多基于HTTP/TCP的应用程序依赖它。

How demultiplexing works in transport layer（传输层如何进行分用）

分用（Demultiplexing）的定义：

分用是传输层的重要功能，用于将接收到的IP数据报分发到正确的应用程序（或套接字）。
具体分用过程：

主机接收到IP数据报，其中包含：

• 源IP地址和目标IP地址（来自网络层）。
• 源端口号和目标端口号（来自传输层）。

每个数据报包含一个传输层段（TCP或UDP段）。
传输层通过IP地址和端口号将数据分配到正确的套接字（socket）。

TCP/UDP段格式：

UDP

UDP的特点：

• 不可靠传输：UDP不会确认数据是否正确到达。
• 功能简单：
  • 基本功能是将IP数据报的主机到主机传递扩展为应用程序到应用程序的传递。
• UDP的主要附加功能是多路复用（multiplexing）和分用（demultiplexing）。
• UDP的传输过程：
  • 应用程序通过UDP协议向目标发送数据报。
  • IP层负责数据报的路由和传递。
  • 接收主机的UDP层根据端口号将数据分发到目标应用程序。

UDP Format

端口号

• 动态/私有端口（Dynamic/private ports）：
  • 范围：49152-65535。
  • 供客户端随机选择使用。
• 注册端口（Registered ports）：
  • 范围：1024-49151。
  • 普通用户进程使用。
• 知名端口（Well-known ports）：
  • 范围：0-1023。
  • 保留给系统或服务器使用，例如HTTP（80端口）和DNS（53端口）。

Trivial File Transfer Protocol (TFTP)

• TFTP会话过程：

  • 客户端通过UDP端口69向服务器发送读/写请求（RRQ/WRQ）。
  • 如果是读请求，服务器返回一个长度为512字节的数据包，编号为1。
  • 客户端发送ACK，确认收到数据块1。
  • 服务器发送下一个数据块2。
  • 重复以上步骤，直到最后一个数据块的长度小于512字节，传输结束。

• TFTP数据包结构：

  • opcode：操作码（读、写、数据、ACK等）。
  • block number：数据块编号。
  • data：数据字段，最大长度512字节。

File Transfer Protocol (FTP)

• 连接类型：
  • 控制连接：
    • 服务器的控制端口为21。
    • 用于发送命令和响应。
  • 数据连接：
    • 服务器的数据端口为20。
    • 用于传输文件数据。

FTP Replies

Typical FTP replies
● 125 Data connection already open; transfer starting
● 200 Command OK
● 331 Username OK, password required
● 425 Can’t open data connection
● 452 Error writing file
● 500 Syntax error (unrecognized command)
● 501 Syntax error (invalid arguments

TCP

TCP简介：

• TCP是传输层的另一个主要协议，与UDP相比，TCP提供可靠的、面向连接的服务。
  常用于需要高可靠性的应用，例如HTTP、FTP、Telnet等。

TCP的特性：

• 可靠性：
  提供错误控制、确认机制和数据重传功能。
• 流量控制：
  基于接收方缓冲区的反馈，动态调整发送速度。
• 拥塞控制：
  根据网络的拥塞状态调整数据传输速率。

端口号的作用：

源端口号和目标端口号用于唯一标识发送方和接收方的套接字。

TCP Header Fields（TCP头部字段）

• 源端口号（Source Port Number）：
  标识发送方应用程序。
• 目标端口号（Destination Port Number）：
  标识接收方应用程序。
• 序列号（Sequence Number）：
  标识数据段在整个传输流中的位置，用于数据重组。
• 确认号（Acknowledgment Number）：
  用于确认接收到的数据段。
• 窗口大小（Window Size）：
  表示接收方允许的最大数据量，用于流量控制。
• 校验和（Checksum）：
  用于检测TCP头部和数据是否有错误。

Connection-Oriented Demultiplexing

TCP套接字通过**四元组（4-tuple）**唯一标识：

• 源IP地址。
• 源端口号。
• 目标IP地址。
• 目标端口号。

TCP Connection Establishment & Termination TCP连接的建立与终止

连接建立

使用三次握手（Three-Way Handshake）：

1. 客户端发送SYN。
2. 服务器返回SYN-ACK。
3. 客户端发送ACK，连接建立成功

连接终止：

使用四次挥手（Four-Way Handshake）：

1. 一方发送FIN，表示完成数据发送。
2. 另一方发送ACK确认。
3. 第二方发送FIN。
4. 第一方发送ACK，连接终止。

TCP状态图

客户端

1. CLOSED：初始状态，客户端准备建立连接。
2. SYN_SENT：客户端发送SYN，等待服务器响应。
3. ESTABLISHED：三次握手完成，连接建立。
4. FIN_WAIT_1：客户端发送FIN，启动关闭过程。
5. FIN_WAIT_2：客户端等待对方发送FIN。
6. TIME_WAIT：客户端发送ACK后进入等待状态，确保数据可靠传输。

服务器端

1. CLOSED：服务器未开启。
2. LISTEN：服务器等待客户端连接。
3. SYN_RCVD：收到客户端SYN，发送SYN-ACK。
4. ESTABLISHED：三次握手完成，进入数据传输状态。
5. CLOSE_WAIT：收到客户端的FIN，等待应用程序关闭。
6. LAST_ACK：发送FIN并等待客户端的ACK。
   CLOSED：连接完全关闭。

TCP Timers（TCP定时器）

TCP定时器的作用：

• 连接建立定时器（Connection Establishment Timer）：
  控制建立连接的最大时间。
• 重传定时器（Retransmission Timer）：
  如果数据段未被确认，则重传。
• 延迟ACK定时器（Delayed ACK Timer）：
  在交互式数据流中延迟ACK以提高效率。
• 保持活动定时器（Keepalive Timer）：
  检查连接是否仍然存活。
• 坚持定时器（Persist Timer）：
  在接收窗口为零时避免死锁，周期性地探测窗口大小。
  使用指数回退算法（Exponential Backoff）。
• TIME_WAIT定时器：
  在连接关闭后保持一段时间，防止旧的延迟数据段被误解为新连接的一部分

Selective Acknowledgement（选择性确认）

SACK（选择性确认）的用途：

在TCP中，如果接收方发现多个数据段丢失，可以使用SACK选项通知发送方哪些数据段已成功接收。
SACK允许发送方仅重传丢失的数据段，而不是重传整个窗口的数据，从而提高效率。

实现方式：

TCP的SACK功能通过两个选项实现：

• SACK-Permitted：连接建立时协商是否允许使用SACK。
• SACK Option：在数据传输中实际使用，提供丢失和接收数据段的信息。

TCP Congestion Control Parameters（TCP拥塞控制参数）

主要参数：

• 广告窗口大小（rwnd）：
  接收方通知发送方的缓冲区可用空间。
• 最大分段大小（MSS）：
  每个TCP数据段的最大字节数。
• 拥塞窗口（cwnd）：
  发送方根据网络状况调整的窗口大小。
• 慢启动阈值（ssthresh）：
  用于分界慢启动和拥塞避免的阈值。

Streaming Multimedia: UDP or TCP?

UDP 特性：

• 发送速率固定，忽略网络拥塞。
• 播放延迟短（2-5秒），以补偿网络延迟抖动。
• 错误恢复能力弱：丢包可能导致数据损失。
• 典型应用：多媒体服务（如交互式应用）。

TCP 特性：

• 不适用于多播，但适用于单播。
• 通过拥塞控制调节速率，但可能导致波动。
• 播放延迟较大，但能提高可靠性。
• 支持穿越防火墙。
• 典型应用：与 HTTP 结合的流媒体服务。

HTTP Adaptive Streaming (HAS)

HAS 的特点：

• 基于 TCP 实现，具备高可靠性。
• 与现有 Web 技术集成：能利用 HTTP，适配现有网络基础设施。
• 自动适应可用带宽。
• 标准化支持（如 MPEG-DASH）。

常见变体：

• Microsoft Silverlight
• Apple HLS
  选择比特率：根据当前和先前下载速率动态调整每段视频的比特率。

HAS 的分段传输机制：

• 视频分片：视频文件被划分为2-10秒的视频片段。
• 多码率编码：每个片段被编码为多个可选比特率。
• Manifest 文件：
  • 提供可供客户端选择的比特率列表。
• 客户端算法：
  • 起始选择较低的比特率。
  • 根据传输时间动态调整比特率。
  • 尝试维持播放缓冲区的正常水位。