计算机网络复习笔记——运输层

概述

在计算机网络中进行通信的真正实体是位于通信两端主机中的进程
运输层的不同端口对应不同的进程
根据应用需求不同，运输层为应用层提供两种不同的运输协议，面向连接的TCP和无连接的UDP协议

运输层端口号、复用与分用

运行在计算机上的进程使用进程标识符PID来标志
不同操作系统使用不同格式的进程标识符
为了使不同操作系统的计算机应用进程之间能够进行网络通信，必须使用统一方法对TCP/IP体系应用进程进行标识

TCP/IP体系运输层使用端口号来区分应用层的不同应用进程

1. 端口号使用16比特表示，取值范围为0~65535
   - **熟知端口号**：0~1023，IANA把这些端口号指派给了TCP/IP体系中最重要的一些应用协议，例如：FTP使用21/20，HTTP使用80，DNS使用53
   - **登记端口号**：1024~49151，为没有数值端口号的应用进程使用，使用这类端口号必须在IANA按照规定的手续登记，以防止重复，例如：Microsoft RDP微软远程桌面使用的端口号是3389
   - **短暂端口号**：49152~65535，留给客户进程选择暂时使用，当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。
2. **端口号只具有本地意义**，即端口号只是为了**标识本计算机应用层中的各进程**，在因特网中，不同计算机中的**相同端口号是没有联系**的

发送方的复用和接收方的分用

TCP/IP体系的应用层常用协议所使用的运输层熟知端口号

UDP和TCP的对比

用户数据报UDP	传输控制协议TCP
无连接	面向连接
支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	每一条TCP只能有两个端点EP，只能是一对一通信
对应用层交付的报文直接打包	面向字节流
尽最大努力交付，也就是不可靠；不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节

TCP流量控制

流量控制是让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收
利用滑动窗口机制来在TCP连接上实现对发送方的流量控制
- TCP接收方利用自己的接收窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小
- TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器，持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文

TCP拥塞控制

在某段时间中，**若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。**这种情况就叫做拥塞
- 在计算机网络中的链路资源（即带宽）、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源
若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降

发送方维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化
- 拥塞窗口cwnd的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些；但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些
- 判断出现网络拥塞的依据：没有按时收到应当到达的确认报文(即发生超时重传)
发送方将拥塞窗口作为发送窗口swnd，即swnd=cwnd
维护一个慢开始门限ssthresh状态变量
- 当 $c w n d < s s t h r e s h$ 时，使用慢开始算法
- 当 $c w n d > s s t h r e s h$ 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法
- 当 $c w n d = s s t h r e s h$ 时，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法

慢开始算法

拥塞窗口按指数规律增大

拥塞避免算法

拥塞窗口按线性加一规律增大。

超时重传

当网络中出现超时重传时，要将ssthresh更新为发生超时重传时拥塞窗口的一半，并更新拥塞窗口cwnd的值为1

快重传

有时，个别报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞
- 这将导致发送方超时重传，并误认为网络发生了拥塞
- 发送方把拥塞窗口cwnd又设置为最小值1，并错误地启动慢开始算法，因而降低了传输效率
采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失
快重传是指让发送方尽快进行重传，而不是等超时重传计时器超时再重传
- 要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认
- 即时收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认
- 发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的超时重传计时器超时再重传

快恢复

发送方一旦收到3个重复确认，就知道现在知识丢失了个别的报文段，于是不启动慢开始算法，而执行快恢复算法；
- 发送方将慢开始门限ssthresh值和拥塞窗口cwnd值调整为当前窗口的一半；开始执行拥塞避免算法

TCP超时重传时间的选择

不能直接使用某次测量得到的 $R T T$ 样本来计算超时重传时间 $R T O$
利用每次测量得到的 $R T T$ 样本，计算加权平均往返时间 $RTT_s$ （又称为平滑的往返时间）
有如下的计算公式

$RTT_{S1}=RTT_1$

$新的RTT_S=(1-\alpha)\times旧的RTT_S+\alpha\times新的RTT样本$

在上式中， $0\le\alpha\le1$

已成为建议标准的RFC6298推荐的 $\alpha$ 值为1/8，即0.125
超时重传时间RTO应略大于加权平均往返时间 $RTT_S$
RFC6298建议使用下式计算超时重传时间RTO

$RTO=RTT_S+4\times RTT_D$

$RTT_{D1}=RTT_1\div2$

$新的RTT_D=(1-\beta)\times旧的RTT_D+\beta\times |RTT_s-新的RTT样本|$

$\beta$ 的值建议为0.25

若出现超时重传, $新 R T O = 2 倍的旧 R T O$

TCP可靠传输的实现

TCP基于以字节为单位的滑动窗口来实现可靠传输
发送窗口的移动情况如下
- 后沿移动情况
  - 不动(没有收到新的确认)
  - 前移(收到了新的确认)
- 前沿移动情况
  - 通常向前移动
  - 不动(没有收到新的确认，对方通知的窗口大小也不变)
  - 不动(收到新确认但对方通知的窗口缩小，使发送窗口前沿正好不动)
  - 向后收缩(对方通知的窗口缩小了，一般不会发生)

TCP的连接建立

TCP是面向连接的协议，它基于运输连接来传送TCP报文段
TCP运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程
TCP运输连接有以下三个阶段
- 建立TCP连接
- 数据传送
- 释放连接

TCP“三报文握手”建立连接

TCP"四报文挥手"释放连接

TCP保活计时器

TCP服务器进程每收到一次TCP客户进程的数据，就重新设置并启动包活计时器(2小时)
若保活计时器定时周期内未收到TCP客户进程发来的数据，则当保活计时器到时后，TCP服务器进程就向TCP客户进程发送一个探测报文段，以后则每隔75秒发送一次，若一连发送10个探测报文段后仍无TCP客户进程响应，TCP服务器进程就认为TCP客户进程所在主机除了故障，接着就关闭这个连接

TCP报文段的首部格式

为了实现可靠传输，TCP采用了面向字节流的方式
但在TCP发送数据时，是从发送缓存取出一部分或全部字节并给其添加一个首部使之成为TCP报文段后进行发送
- 一个TCP报文段由首部和数据载荷两部分构成
- TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用

源端口：占16比特，写入源端口号，用来标识发送该TCP报文段的应用进程
目的端口：占16比特，写入目的端口号，用来标识接收该TCP报文段的应用进程
序号：占32比特，取值范围 $0,2^{32}-1]$ ，序号增加到最后一个后，下一个序号就又回到0，指出本TCP报文段数据载荷的第一个字节的序号
确认号：占32比特，取值范围 $0,2^{32}-1]$ ,确认号增加到最后一个后，写一个确认号就又回到0。指出期望收到对方下一个TCP报文段的数据载荷的第一个字节的序号，同时也是对之前收到的所有数据的确认。若确认号=n，则表明到序号n-1为止的所有数据都已正确接收，期望接收序号为n的数据。
标志确认位ACK：取值为1时确认号字段才有效；取值为0时确认号字段无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的TCP报文段都必须把ACK置1
数据偏移：占4比特，并以4字节为单位。用来指出TCP报文段党的数据载荷部分的起始处距离TCP报文段的起始处有多远。这个字段实际上指出了TCP报文段的首部长度。
- 首部固定长度为20字节，因此数据偏移字段的最小值为 $0101)_2$
- 首部最大长度为60字节，因此数据偏移字段的最大值为 $1111)_2$
窗口：占16比特，以字节为单位。指出发送本报文段的一方的接收窗口。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。这是以接收方的接收能力来控制发送方的发送能力，称为流量控制。
校验和：占16比特，检查范围包括TCP报文段的首部和数据载荷两部分。在计算校验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
同步标志位SYN：在TCP连接建立时用来同步序号。
终止标志位FIN：用来释放TCP连接。
复位标志位RST：用来复位TCP连接。当RST=1时，表明TCP连接出现了异常，必须释放连接，然后再重新建立连接。RST置1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个TCP连接。
推送标志位PSH：接收方的TCP收到该标志位为1的报文段会尽快上交应用进程，而不必等到接收缓存都填满后再向上交付。
紧急标志位URG：取值为1时紧急指针字段有效；取值为0时紧急指针字段无效。
紧急指针：占16比特，以字节为单位，用来指明紧急数据的长度。当发送方有紧急数据时，可将紧急数据插队到发送缓存的最前面，并立刻封装到一个TCP报文段中进行发送。紧急指针会指出本报文段数据载荷部分包含了多长的紧急数据，紧急数据之后是普通数据。
扩展首部部分：
- 最大报文段长度MSS选项：TCP报文段数据载荷部分的最大长度。
- 窗口扩大选项：为了扩大窗口(提高吞吐率)。
- 时间戳选项：
  - 用来计算往返时间RTT
  - 用于处理序号超范围的情况，又称为防止序号绕回PAWS
- 选择确认选项
- 填充：由于选项的长度可变，因此使用填充来确保报文段首部能被4整除(因为数据偏移字段，也就是首部长度字段，是以4字节为单位的)