第三章传输层

传输层服务：在两个不同的主机的运行应用程序之间提供逻辑通信

在接收主机多路分解

将接收到的数据段传递给正确的套接字【多路分解】

在发送主机多路复用

从多个套接字收集数据，用首部封装数据，然后将报文段传递到网络层【多路复用】

TCP和UDP套接字的不同之处

TCP套接字是由源IP地址，源端口号，目标IP地址，目标端口号唯一标识的

UDP套接字是由目标IP地址和目标端口号标识的

为什么TCP四元组，UDP二元组

UDP二元组
首先，UDP使用二元组（目标IP和目标端口号）即可确定一个套接字，这其中的理由是非常直观的，因为我们至少在IP地址的基础上还需要一个端口号才能实现运输层功能，而更多的内容对于UDP套接字来说也无必要。这也符合UDP的设计理念，即在网络层上附加尽可能少的功能。

为什么TCP不能用二元组
那么，为什么TCP需要使用四元组（目标IP，目标端口号，源IP，源端口号）呢？其中的区别就是TCP是面向连接的。
所谓面向连接，是指数据在发送之前要在两台主机之间先建立好连接，在整个过程中要维护连接，最后要释放连接。

如果TCP协议也使用二元组来标识套接字，那么就无法实现面向连接的特点。

假设A和B两台主机同时请求一台服务器上的80端口，如果只使用目标IP和目标端口号，那么在服务器端只会创建一个套接字。显然TCP协议就无法维护A和B各自的序号、确认号、拥塞窗口等连接参数，这就违背了面向连接的设计。

另外，面向连接使得TCP可以进行全双工通信，服务端只要将想发送的数据放入套接字即可向客户端发送信息。如果仅使用二元组来标识连接套接字，那么服务端就无法主动向客户端发送信息。

TCP实现的协议

HTTP,FTP,SMTP,POP3,IMAP、Telnet

UDP实现的协议

DNS，SNMP、RIP

UDP用户数据报协议

无连接运输，发送数据报文前发送方和接收方的运输层实体没有握手

优点：

应用层能更好的控制要发送的数据和发送时间
无需建立连接
无连接状态
分组首部开销小
没有拥塞控制，能用尽快的速度发送

在IP数据报服务上增加了端口功能和差错检测功能
无连接、最大努力交付、没有拥塞控制
首部开销小
面向报文的。发送方UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文既不合并也不拆分，而是保留报文的边界，一次发送一个报文
接收方UDP对IP交上来的UDP用户数据报，去除首部后就原封不动的交付上层应用程序

UDP头部包含

源端口
目标端口
如果接收方UDP发现收到报文的目的端口不正确，就丢弃该报文，并由ICMP发送端口不可达差错报文

长度
校验和
计算校验和的时候临时加上伪首部。伪首部包含了IPv4头部的一些信息，如源IP、目标IP，只是用来计算校验和而已。接收主机收到UDP报文后从IP首部获悉IP的地址构造伪首部进行校验和运算。
伪首部的作用：
第一，通过伪首部的IP地址检验，UDP可以确认该数据报是不是发送给本机IP地址的；
第二，通过伪首部的协议字段检验，UDP可以确认IP有没有把不应该传给UDP而应该传给别的高层的数据报传给了UDP。

UDP差错检测

从“伪头部”开始，按每16位当作一个数，逐次求和，最终得出一个32位的数；
如果这个32位的数的高16位不为0，则进行“回卷”操作。也就是，将其高16位与低16位相加，又得到一个32位的数；
重复第2步直到高16位为0。
最终，将低16位取反，得到校验和，填入checksum字段中

可靠数据传输原理

从rdt1.0一直到rdt3.0

rdt1.0：接收方无返回确认信息
rdt2.0：接收方进行检错，并发送ACK或NAK反馈给发送方
rdt2.1：防止重复发送方给每个分组加上序号0、1
rdt2.2：接收方不使用NAK，而是在ACK中加上序列号
rdt3.0：发送方引入定时器，超时重发

以上都是停等协议：发送方发送一个报文，然后等待接收方的响应

信道利用率很低

流水线技术

解决停等协议低效的问题，允许发送方可以在等待接收方的ACK之前连续发送多个分组

流水线技术对可靠数据传输协议的影响：

更大的序列号范围。连续发送的并且还没有得到ACK的多个分组必须要有唯一的序列号，否则引起混乱
发送方和接收方需要缓冲区。对于发送方来说，需要缓存已经发出去但是还没有得到ACK的分组；为了实现按序递交，接收方一般也需要存储空间

流水线的差错恢复有两种基本办法

GBN 回退N步（Go-Back-N)

允许发送方发送N个分组无需确认，流水线中最多有N个正在等待确认消息的分组，允许使用的序列号范围可以看作是一个大小为N的窗口。随着协议进行，这个窗口在序列号空间内向前滑动，也称为滑动窗口协议

累计确认：接收方不一定要对收到的数据分组逐个发送确认，而可以在收到几个数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。ACKn表示序号为n之前的所有数据分组都已经正确接收

发送方收到重复的确认就知道之前发送的数据分组出现了差错，于是可以不等超时计时器就立刻重传

优点：即使确认分组丢失，发送方也不必重传

如果发送方窗口大小大于编号上限，会导致接收方无法分辨新旧数据分组

SR 选择性重传

可靠数据传输机制及用途总结

机制	用途和说明
检验和	用于检测在一个传输分组中的比特错误。
定时器	用于检测超时/重传一个分组，可能因为该分组（或其ACK）在信道中丢失了。由于当一个分组被时延但未丢失（过早超时），或当一个分组已被接收方收到但从接收方到发送方的ACK丢失时，可能产生超时事件，所以接收方可能会收到一个分组的多个冗余拷贝。
序号	用于为从发送方流向接收方的数据分组按顺序编号。所接收分组的序号间的空隙可使该接收方检测出丢失的分组。具有相同序号的分组可使接收方检测出一个分组的冗余拷贝。
确认	接收方用于告诉发送方一个分组或一组分组已被正确地接收到了。确认报文通常携带着被确认的分组或多个分组的序号。确认可以是逐个的或累积的，这取决于协议。
否定确认	接收方用于告诉发送方某个分组未被正确地接收。否定确认报文通常携带着未被正确接收的分组的序号。
窗口、流水线	发送方也许被限制仅发送那些序号落在一个指定范围内的分组。通过允许一次发送多个分组但未被确认，发送方的利用率可在停等操作模式的基础上得到增加。我们很快将会看到，窗口长度可根据接收方接收和缓存报文的能力或网络中的拥塞程度，或两者情况来进行设置。

面向连接传输TCP

TCP 传输控制协议

是一种面向连接的协议，即数据传输之前要经过三次握手建立一条全双工连接，然后才能进行真正的数据传输

还提供可靠按序的字节流传输、流量控制、拥塞控制、面向字节流、全双工数据：同一个连接上的双向数据

面向字节流

面向字节流，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把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

面向连接

在数据交换前握手
连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态
TCP连接包括：两台主机的缓存、连接状态变量、socket

TCP报文段首部格式

序号字段-占4字节，TCP连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

确认号字段-占4字节，期望收到对方下一个报文段数据的第一个字节的序号

数据偏移（即首部长度）-占4位，指出TCP报文段的数据起始距离TCP报文段的起始处有多远。单位为32位字

紧急URG 为1表示高优先级、紧急数据

确认ACK 只有当ACK=1时确认号字段才有效

同步SYN =1 表示一个连接请求或连接接收报文

终止FIN 用来释放一个连接。FIN-1表示此报文段的发送端的数据已经发送完毕，要求释放运输链接

UDP和TCP对比

UDP无连接、TCP面向连接
UDP支持单播、多播和广播，TCP仅支持单播
UDP是面向应用报文的，TCP是面向字节流的
UDP向上层提供无连接不可靠传输服务，TCP向上层提供面向连接可靠传输服务
UDP用户数据报首部只有8字节，TCP报文段首部最小20字节，最大60字节

TCP往返时延估计和超时

如何估计RTT：

样本RTT：测量从报文段发送到收到确认的时间

样本RTT均值：

EstimatedRTT = (1 - α) x EstimatedRTT + α x sampleRTT(指数加权移动平均，α = 0.125)

设置超时

EstimatedRTT + 安全余量

样本偏离均值的估计：DevRTT = (1 - β) x DevRTT + β x |sampleRTT - EstimatedRTT| (β = 0.25)

设置超时时间间隔：

TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 x DevRTT

第一个样本RTT获得后，样本RTT均值 = 样本RTT，DevRTT=样本RTT/2