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第五章 传输层

考点

• 常用熟知端口考不考都应该知道
• UDP主要考与其他协议之间的关系，比如路由传输协议，应该不会单独考（UDP校验和计算不考）
• TCP套接字不会考
• TCP报文段的首部格式是重点，首部长度需要熟知（校验和，紧急指针，伪首部都不会考）
• 最大报文段MSS和MTU不要弄混，可能会有计算（时间戳补考）
• 超时重传时间计算比较难一般不会考
• 选择确认SACK记住是什么
• 四种拥塞控制四种方法是重点，容易出现大型题目
• TCP三次握手四次挥手是重点，特别是序号

1. 传输层概述

1.1 传输层概述

传输层的功能：

1. 传输层提供进程和进程之间的逻辑通信，靠**套接字Socket=(主机IP地址，端口号)**找到应用进程。

   常用的端口号为：0~1023

   

2. 传输层对收到的**报文（报文段）**进行差错检测。

   物理层：比特

   数据链路层：帧

   网络层：分组

   运输层：报文段

3. 传输层的两种协议。

   • 面向连接的传输控制协议TCP： 传送数据之前必须建立连接，数据传送结束后要释放连接。不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的面向连接的传输服务，因此不可避免增加了许多开销：确认、流量控制、计时器及连接管理等。可靠，面向连接，时延大，适用于大文件。
   • 无连接的数据报协议UDP： 传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认。不可靠，无连接，时延小，适用于小文件。

1.2 TCP连接

1. TCP是面向连接（虚连接）的传输层协议。
2. 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。
3. TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。可靠有序，不丢不重。
4. TCP提供全双工通信。
   • 发送缓存：准备发送的数据&已发送但尚未收到确认的数据
   • 接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据&不按序到达的数据

TCP报文段首部内容：

• 序号： 在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
• 确认号： 期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
• 数据偏移（首部长度）： TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B位单位，即1个数值是4B。

选择确认 SACK

若收到的报文段无差错，只是未按序号，中间还缺少一些序号的数据；

通过选择确认，可以只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接受方的数据。

1.3 TCP连接管理

TCP连接传输三个阶段：

三次握手：

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

假设运行在一台主机（客户）上的一个进程想与另一台主机（服务器）上的一个进程建立一条连接，客户应用进程首先通知客户TCP，他想建立一个与服务器上某个进程之间的连接，客户中的TCP会用以下步骤与服务器中的TCP建立一条TCP连接：

1. 客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。

   SYN=1，seq=x(随机)

2. 服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。

   SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+1

3. 客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据。

   SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

四次挥手：

参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的“资源”（缓存和变量）将被释放。

1. 客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。

   FIN=1，seq=u

2. 服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了——半关闭状态。

   ACK=1，seq=v，ack=u+1

3. 服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接。

   FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

4. 客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。

   ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

1.4 TCP和UDP的特点

UDP的特点：

• UDP是无连接的；
• UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态（这里面有许多参数）；
• UDP是面向报文的；
• UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）；
• UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信；
• UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

TCP的特点：

• TCP是面向连接的。（就好像打电话一样，通话前需要先拨号建立连接，通话结束后要挂机释放连接）；
• 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）；
• TCP提供可靠交付的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达；
• TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双方通信的数据；
• 面向字节流。TCP中的“流”（stream）指的是流入进程或从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义是：虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流。

2. 可靠传输、流量控制和拥塞控制

2.1 可靠传输

可靠： 保证接收方进程从缓存区读出的字节流与发送方发出的字节流是完全一样的。

确认重传不分家，TCP的发送方在规定的时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段。

2.2 流量控制

流量控制： 让发送方慢点，要让接收方来得及接收

TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。

在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值（拥塞窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映网络当前容量）。

2.3 拥塞控制

出现拥塞的条件： 对资源需求的总和 > 可用资源

网络中有许多资源同时呈现供应不足 -> 网络性能变坏 -> 网络吞吐量将随输入负荷增大而下降

拥塞控制： 防止过多的数据注入到网络中。全局性

拥塞控制和流量控制的区别：

拥塞控制是发送方自己根据现实情况做出的调整，而流量控制是接收方对发送方进行的调整。

2.4 拥塞控制四种方法

慢开始 拥塞避免

快重传 快恢复