計算機網絡基礎--傳輸層

網絡層：提供主機之間的邏輯通信機制
傳輸層：提供應用進程之間的邏輯通信機制

Internet 傳輸層協議
可靠、按序的交付服務(TCP)
 擁塞控制
 流量控制
 連接建立

不可靠的交付服務(UDP)
 基於“盡力而爲(Best-effort)”的網絡層，沒有做（可靠性方面的）擴展

兩種服務均不保證
 延遲
 帶寬

多路複用/分用

多路分用原理

主機接收到IP數據報(datagram)
 每個數據報攜帶源IP地址、目的IP地址
 每個數據報攜帶一個傳輸層的段(Segment）
 每個段攜帶源端口號和目的端口號
 主機收到Segment之後，傳輸層協議提取IP地址和端口號信息，將Segment導
向相應的Socket（TCP做更多處理）

UDP

UDP提供的功能
 複用/分用
 簡單的錯誤校驗

“Best effort”服務，UDP段可能
 丟失
 非按序到達

無連接
 UDP發送方和接收方之間不需要握手
 每個UDP段的處理獨立於其他段

UDP爲什麼存在?
 無需建立連接 ( 減少延遲)
 實現簡單 ： 無需維護連接狀態
 頭部開銷少
 沒有擁塞控制: 應用可更好地控制發送時間和速率

常用於流媒體應用（容忍丟失、速率敏感），還用於DNS、SNMP。

在UDP上實現可靠數據傳輸？
 在應用層增加可靠性機制
 應用特定的錯誤恢復機制

UDP 校驗和(checksum)

發送方
 將段的內容視爲16-bit 整數
 校驗和計算：計算所有整數的和，再與進位相加，再按位求反，得到校驗和

接收方
 計算所收到段的校驗和
 將其與校驗和字段進行對比
• 不相等 ： 檢測出錯誤
• 相等 ： 沒有檢測出錯誤 （ 但可能有錯誤 ）

可靠數據傳輸原理

什麼是可靠？不錯、不丟、不亂。可靠數據傳輸（RDT）

下面將漸進地設計可靠數據傳輸層協議，從簡到繁不斷提出更完善的版本！

Rdt 1.0（可靠信道上的可靠數據傳輸）

Rdt 2.0（產生位錯誤的信道）

Rdt 2.1（應對ACK/NAK被破壞）

如果ACK/NAK壞掉，發送方就識別不了了，但也不能簡單地重傳，否則可能產生重複分組。如何解決重複分組問題 ？序列號(Sequence number)，發送方給每個分組分配序列號0或1，交替發送0號和1號分組。

Rdt 2.2（相比Rdt 2.1去掉NAK）

給發送方發ACK的時候帶上分組序號0或1。

Rdt 3.0（信道既可能發生錯誤 ，也可能丟失分組）

“校驗和 + 序列號 + ACK + 重傳”夠用嗎？
發送方等待“合理”時間（需要定時器），如果沒收到ACK，重傳。如果分組或ACK只是延遲而不是丟了，重傳會產生重複，序列號機制能夠處理，接收方需在ACK中顯式告知所確認的分組。

Rdt 3.0能夠正確工作，但性能很差。以上各個版本的設計都是發一個等一個，可以使用流水線滑動窗口機制改進（滑動窗口協議Go-Back-N 、Selective Repeat ）。

TCP

點對點（一對一， 一個發送方，一個接收方）
可靠的、按序的字節流
流水線機制（TCP擁塞控制和流量控制機制，設置窗口尺寸）
發送方/接收方緩存

全雙工(full-duplex)（同一連接中能夠傳輸雙向數據流）
面向連接
通信雙方在發送數據之前必須建立連接。
連接狀態只在連接的兩端中維護，在沿途節點中並不維護狀態。
TCP連接包括：兩臺主機上的緩存、連接狀態變量、socket等
流量控制機制（緩衝區大小限制）
TCP使用單一重傳定時器，觸發重傳的事件（超時、收到重複ACK）
擁塞控制（使網絡不那麼擁塞，具有公平性）

TCP連接的建立和關閉

參考資料

[1] 中國大學MOOC《計算機網絡》 李全龍 聶蘭順