传输层

计算机网络传输层导图及其细节，包括提供的服务、UDP、TCP、连接管理、可靠传输、流量控制、拥塞控制。

六顶思考帽

• 传输层
  • 提供的服务
    • 功能
      • 进程之间的，端到端的通信，网络层提供的是主机之间的逻辑通信
      • 传输层复用是指各进程都可使用同一传输协议传输数据；分用指接收方传输层能将报文正确交付到目的进程  
      • 网络层复用是指不同协议数据都可封装成IP数据报；分用时指接收方网络层能将IP数据报交付给个协议
      • 对报文进行差错检测。网络层只检测IP首部
      • 提供TCP和UDP两种传输协议，而网络层只
    • 寻址与端口
      • 各进程通过端口将数据交付给传输层，或者从端口接收传输层的数据
      • 不同于交换机路由器上的硬件端口，传输层端口是软件端口，只用来标识本计算机上的一个进程
      • 端口号
        • 长度16位，共65536个端口
        • 服务端使用端口：0~1023分配给熟知的程序，1024~49151为登记端口号，要在IANA登记以防重复
        • 客户端端口号：49152~65535，客户进程运行时动态选择
      • Socket
        • Socket=(主机IP地址，端口号)，用来唯一标识网络中一台主机上的一个进程
        • A发送给B的报文段包含目的端
    • 面向连接服务
      • 通信时要先建立连接，通信过程中连接被实施监控管理，通信结束后释放连接 TCP。
      • 主要用于FTP，HTTP，TELNE
    • 面向无连接服务
      • 通信时无需建立连接，通信时直接将数据发送到网络 UDP。
      • 主要用于TFTP，DNS，SNMP，RTP
  • UDP
    • UDP数据报
      • 只提供基本的复用，分用和差错检测。常用于一次性传输比较少量的网络应用
      • 优点
        • 无建立连接的延时
        • 无连接状态管理，可支持更多的活动客户机
        • 分组首部开销小，仅有8B
        • 方便应用层控制发送的数据和发送时间
      • UDP不保证可靠交付，其可靠性由应用层完成
      • UDP是面向报文的，对应用层提交的报文不做任何修改，直接添加上首部后提交给网络层
      • UDP长度最少是8（仅有首部），UDP报文有错就丢弃。若接收方发现报文中目的端并由ICMP发送“端口不可达”的差错报文给发送方口号不正确，则丢弃报文 并由ICMP发送“端口不可达”的差错报文给发送方 
    • UDP校验
      • 计算校验和时，在UDP报文前面添加12B的伪首部做成临时UDP报文，对这个临时UDP报文进行校验和计算
      • UDP校验对首部和数据都校验，而IP校验只校验数据报的首部
      • 计算过程
        • 先把全0放入校验和字段，添加伪首部，此时若报文大小不是偶数个字节，则填充为偶数个字节
        • 计算时以16位字为单位，所有16位字以反码形式相加，对和取反得到校验字段。
        • 接收方收到UDP报文后添加伪首部，填充，按二进制反码计算16位字的和，若无差错则结果应全为
  • TCP
    • 在不可靠的IP层上实现可靠的传输协议，解决传输的可靠，有序，无丢失，不重复问题
    • 特点：面向连接的，全双工的，可靠的，面向字节流的
    • TCP段
      • TCP段包括首部和数据两部分，称为TCP报文。整个报文作为数据部分封装在IP的数据报中。   <TCP首部，数据>，<IP首部，<TCP首部，数据>（数据）>
      • TCP头部
        • 源端口和目的端口
        • 序号：数据中每个字节占一个号（非头部）.如序号是301,数据100B,则尾号就是400,下个报文就从401开始
        • 确认号：期望收到的序号。确认号为N，则表示已收到N-1号的报文
        • 数据偏移：以4B为单位，如15表示数据在首部的60B之后。
        • 保留字段
        • 紧急位URG：相当于优先级高
        • 确认位ACK：ACK=1时确认号才有效，ACK=0时确认号无效
        • 推送位PSH：不用缓存填满请尽快交付
        • 复位位RST：连接出错，重新连接
        • 同步位SYN：SYN=1表示这是连接请求或连接接收报文
        • 终止位FIN：FIN=1表示传输完毕，释放连接
        • 窗口字段：单位字节，如序号701，窗口1000，表示可接收701-1700的报文
        • 校验和：和UDP一样添加伪首部计算校验和
        • 其他（了解）
  • 连接管理
    • 连接建立（三次握手）
      • 客户机发送请求报文，设置初始序号，SYN=1，序号=X
      • 服务机接受连接后，为其分配资源，发送确认报文。SYN=1,ACK=1,确认号=x+1,序号=y
      • 客户机收到确认报文，为连接分配资源，发送确认。SYN=1,ACK=1,序号=x+1,确认号=y+1
      • 若客户机不给出第三次的确认，服务器上分配的资源会保持一段时间，容易造成SYN洪水
    • 连接释放（四次握手）
      • 客户端发送释放连接报文，停止发送数据。FIN=1,序号=u
      • 服务器接收结束报文返回确认，此时是半连接状态，ACK=1，确认号是u+1,序号是v
      • 服务器数据传输结束后，发送结束报文，关闭连接。ACK=1,FIN=1,确认号是u+1,序号是w(不是v+1是关闭前可能又传输若干数据)  
      • 客户机收到结束报文返回确认，ACK=1,序号=u+1,确认号=w+1。等待2
  • 可靠传输
    • 校验：和UDP一样的校验机制
    • 序号：首部的序号字段能保证数据有序提交给应用层
    • 确认：首部的确认号是期望下次收到的报文的序号，使用累计确认。即若B收到了0~2和6~7，则B发的确认号还是3
    • 重传
      • 超时
        • TCP给每个报文段设置计时器，若超时还未收到确认则重传
        • TCP计算从发出到确认的时间差RTT，通过计算加权平均值更新RTT。设置超时时间略大于RTT
    • 冗余ACK
      • 超时机制问题是超时时间往往过长，发送方可通过冗余ACK检测丢包情况
      • 冗余ACK表示再次收到已确认报文段的ACK。如A发送号1,2,3,4,5，其中2丢失。B收到3,4,5后返回的是 3个ACK=1,确认号=2的报文（已收到1，期望2，是对1号的确认）。A收到1号的冗余
  • 流量控制
    • 基于滑动窗口协议的流量控制
    • 接收方根据自己接收缓存大小，动态更新发送方窗口，即窗口字段。表示接收方能接收的最大字节数。发送方根据窗口字段限制自己发送窗口大小。发送窗口实际大小取拥塞窗口中的最小值  
  • 拥塞控制
    • 拥塞控制是控制整个网络的负荷，是全局的，涉及所有主机和路由器。流量控制是点对点的通信控制，限制发送方速率
    • 发送方维持拥塞窗口，动态变化，只要未拥塞，窗口就增大，只要拥塞，窗口就减小
    • 控制算法
      • 慢开始
        • 开始发送时令拥塞窗口=1.每收到一个对新的报文的确认就让窗口+1
        • 窗口大小成指数增长，达到上限（阀值）后使用拥塞避免算法
      • 拥塞避免
        • 拥塞窗口每经过一个RTT后+1，而不是加倍，变成线性增长。当出现拥塞时，令阀值=当前窗口/2  然后设置拥塞窗口=1，再次用慢开始
        • 当窗口<阀值时，使用慢增长。当拥塞窗口>阀值时，改用拥塞避免
      • 快重传：即可靠传输中的冗余ACK可用于拥塞检测。检测到冗余ACK时直接快速重传
      • 快恢复
        • 当发送端收到连续三个冗余ACK后，就把阀值=当前窗口/2
        • 与慢开始不同的是不是把拥塞窗口=1，而是将拥塞窗口=当前窗口/2，然后用拥塞避免算法，因而是快恢复
      • 拥塞处理
        • 无论是满开始还是拥塞避免阶段，只要出现拥塞就把阀值=当前拥塞窗口/2，然后把拥塞窗口=1，再执行满开始算法
        • 可以迅速减少网络分组数，使路由将积压分组快速处理
        • 发送窗口的实际大小由接收窗口和拥塞窗口共同控制，取其最小值
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