計算機網絡原理-網絡七層-傳輸層

一、傳輸層的基本服務

1、傳輸層功能

1. 傳輸層的核心任務：應用進程之間提供端到端的邏輯通信服務
2. 只有主機纔有傳輸層，網絡核心中的：路由器、交換機、集線器，只有下三層
3. 傳輸層的功能
   1. 對應用層報文進行分段重組
   2. 面向應用層實現復用與分解
   3. 實現端到端的流量控制
   4. 擁塞控制
   5. 傳輸層尋址
   6. 對報文進行差錯檢測
   7. 實現進程間端到端的可靠數據控制傳輸

2、傳輸層尋址與端口

1. 一臺計算機中，不同應用進程用進程標識符（進程ID）區分
2. 在全網範圍內利用ip地址+端口號唯一標識一個通訊端點
3. 傳輸層端口號爲16位整數，可以編號65536個（2的16次方）：常用端口號：小於256的端口號

3、無連接服務與面向連接服務

二、 傳輸層的複用與分解

1、複用與分解

1. 多路複用：在源主機，傳輸層協議從不同的套接字收集應用進程發送的數據塊，併爲每個數據塊包裝上首部信息（包括用於分解的信息）構成報文段，然後將報文段傳遞給網絡層
2. 多路分解：在目的主機，傳輸層讀取報文段中的數據，標識出接收套接字，進而通過該套接字，將傳輸層的報文段數據交付給正確的套接字
3. 多路複用與多路分解（複用與分解/複用與分用）：支持衆多應用進程公用一個傳輸層協議，並能夠將接收到的數據準確的交付給不同的應用進程

2、無連接的多路複用與多路分解

1. UDP（用戶數據報協議）：無連接服務的傳輸層協議
2. UDP套接字二元組：<目的ip地址，目的端口號>

3、面向連接的多路複用與多路分解

1. TCP（傳輸控制協議）：面向連接服務的傳輸層協議
2. TCP套接字四元組：<源ip地址，源端口號，目的ip地址，目的端口號>

三、停-等協議與滑動窗口協議

1、可靠數據傳輸基本原理

基於不可靠信道實現可靠數據傳輸的採取的措施

1. 差錯檢測：利用編碼實現數據包傳輸過程中的比特錯誤檢測
2. 確認：接收方向發送方反饋接收狀態（ACK：成功；NCK：失敗）
3. 重傳：發送方重新向接收方發送接收方沒有收到的數據
4. 序號：確保數據按序提交
5. 計時器：解決數據丟失問題

2、停-等協議（自動重傳協議（ARQ））

停-等協議工作流程：發送方經過報文段等待接收方確認，接收方校驗通過接收後返回ACK，校驗不通過返回NCK，發送方接收到ACK後繼續發送後續報文，否則重發剛剛發送的報文

3、滑動窗口協議

流水線協議（管道協議）：允許發送方在沒有收到確認前連續發送多個分組；最典型的流水線協議：滑動窗口協議

根據窗口大小，可具體分爲：

1. 回退N步協議：GBN協議：發送窗口Ws ≥1 ，接收窗口Wr =1。
2. 選擇重傳協議：SR協議：發送窗口Ws ＞1，接收窗口Wr ＞1。

四、用戶數據報協議（UDP）

UDP：傳輸層協議，提供無連接、不可靠、數據報盡力傳輸協議

1、UDP特點

1. 應用進程容易控制發送什麼數據何時發送，會出現分組的丟失和重複
2. 無需建立連接
3. 無連接狀態
4. 首部開銷小，只需8個字節

2、UDP數據報結構

UDP首部四個字段：每個字段2字節，共8個字節

1. 源端口號、目的端口號：UDP實現複用與分解
2. 長度：UDP報文中的字節數（首部和數據的總和）
3. 校驗和：接收方用來校驗數據報是否有差錯

3、UDP校驗和

UDP校驗和計算規則

1. 所有參與計算的內容按16位對齊求和
2. 計算過程中如有溢出則進行反捲（進位與和的最低位再進行相加）
3. 最後得到的和取反碼，就是UDP校驗和，填入數據報的校驗和字段

UDP校驗和參與計算的內容包含3部分：僞首部（只參與計算，不傳輸）、首部、應用數據

五、傳輸控制協議（TCP） 

傳輸控制協議（TCP）：傳輸層協議，提供面向連接、可靠、有序、字節流傳輸服務

1. 應用進程先建立連接
2. 每條TCP連接只有兩個端點
3. 可靠交付：無差錯、不丟失、不重複、按序到達
4. 全雙工通訊
5. 面向字節流

1、TCP報文結構

TCP首部分爲：固定首部（20字節）、選項（0-40字節） 

1. 序號字段：對每個應用層數據的每個字節進行編碼
2. 確認序號字段：期望從對方接受數據的字節序號，即還未接收到的數據，用ack_seq表示
3. TCP首部長度最短20字節，最長60字節
4. 首部長度的單位是4字節，所以首部長度=首部長度字段值*4

URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN各佔1位。爲標誌位字段；
各佔1位，值爲0或1；

1. 緊急URG=1，緊急指針字段有效，優先傳送。
2. 確認ACK=1，確認序號字段有效；ACK=0時，確認序號字段無效。
3. 推送PSH=1，儘快將報文段中的數據交付接收應用迚程，丌要等緩存滿了再交付。
4. 復位RST=1，TCP連接出現嚴重差錯，釋放連接，再重新建立TCP連接。
5. 同步SYN=1，該TCP報文段是一個建立新連接請求控制段或者同意建立新連接的確認段。
6. 終止FIN=1，TCP報文段的發送端數據已經發送完畢，請求釋放連接。

2、連接管理

三次握手

解釋：

1. 期初客戶端和服務器都處於CLOSED（關閉階段），第一步首先服務器啓動，服務器進入LISTEN（監聽狀態）
2. 第一次握手：客戶端向服務器發送請求（SYN=1（建立連接請求）,seq=x（該報文段的序號x）），此時客戶端進入SYN_SENT（同步發送）
3. 第二次握手：服務端接收到客戶端請求後給客戶端返回應答（SYN=1（響應建立連接請求）ACK=1（同意建立連接響應）seq=y（響應報文的序列號y）ack_seq=x+1（下次請求需要的報文序列號）），此時服務端進入SYN_RCVD（同步收到）
4. 第三次握手：客戶端對服務端的同意連接進行確認（ACK=1（正常響應）seq=x+1（本次報文序列號）ack_seq=y+1（客戶端希望下次接收到服務端的序列號）），此時客戶端進入ESTABLISHED（已建立連接），服務端接收到ACK後進入ESTABLISHED（已建立連接）（注意：第三次握手可攜帶數據）

解釋：

1. 拆除連接之前客戶端和服務端都處於（ESTABLISHED：已建立連接傳輸數據狀態）
2. 第一次揮手：客戶端發送釋放連接報文（FIN=1（數據發送完畢請求釋放連接）seq=u（本次報文的序列號）），此時客戶端從ESTABLISHED進入到FIN_WAIT_1（終止等待1）
3. 第二次揮手：服務端接收到客戶端釋放連接請求後響應客戶端（ACK=1（確認請求）seq=v（本次請求報文序列號）ack_seq=u+1（服務端希望下次接收到的報文序列號）），服務端進入到CLOSE_WAIT（關閉等待），客戶端接收到響應後進入FIN_WAIT_2（終止等待2）
4. 第三次揮手：服務端發送完數據後給客戶端發送釋放連接報文（FIN=1（終止請求）ACK=1（確認響應）seq=v+1（本次報文序列號）ack_seq=u+1（下次希望收到的序列號）），服務端進入到LAST_ACK（最後應答）
5. 第四次揮手：客戶端接收到服務端釋放連接請求後響應服務端（ACK=1,seq=u+1,ack_seq=v+1+1）此時客戶端進入TIME_WAIT，等待2MSL時間進入到CLOSED狀態，服務端接收到響應後進入到CLOSED狀態

 3、TCP可靠數據傳輸工作機制

1. 應用層數據被分割成TCP認爲最合適發送的數據塊
2. 序號，發送方對發送的數據進行編號，確保數據按照編號提交跟接收方
3. 確認，接收方向發送方反饋接收狀態，確認是否正確接收數據（TCP採用累積確認）
4. 差錯檢測，利用差錯編碼實現數據包傳輸過程中的比特差錯檢測
5. 重傳，發送發重新發送沒有被接收方正在接收的數據
6. 計時器，在發送方引入計時器，解決數據丟失問題

4、TCP流量控制

流量控制：協調接收方和發送方的數據發送接收速度

TCP報文結構中，接收窗口字段用於實現TCP的流量控制

5、TCP擁塞控制

擁塞控制：通過合理調度、規範、調整向網絡中發送數據的主機數量、發送速率、數據量，以避免擁塞或消除已發生的擁塞

概念：

1. 擁塞窗口（CongWin）：連接開始爲1MSS（一個報文段最大長度）
2. 閾值（Threshold）：臨界值

TCP擁塞控制算法：

1、慢啓動：在TCP建立連接時，每經過1個RTT時間，擁塞窗口增大1倍

2、擁塞避免：當擁塞窗口大於等於閾值時，每經過1個RTT時間，擁塞窗口加1

3、快速重傳：收到3次重複確認，則推斷該報文段已丟失，於是立即重傳被重複確認的報文段

4、快速恢復：當發生3次重複確認時，不再從慢啓動開始而是從新的閾值開始直接進入擁塞避免階段（網絡擁塞程度並不嚴重）

怎麼算報文丟失？

1. 收到3次重複確認（網絡擁塞並不是很嚴重）：觸發快速恢復算法，計算新的閾值（新的閾值=當前擁塞窗口/2），新擁塞窗口調整爲新閾值，從新的閾值直接進入擁塞避免階段
2. 計時器超時（網絡擁塞嚴重）：新的閾值=當前擁塞窗口/2；新的擁塞窗口調整爲1MSS，然後從1MSS進入到慢啓動階段，到達新閾值後進入到擁塞避免階段