6.1傳輸層概述
傳輸層提供高效、可靠的數據傳輸服務。
完成傳輸層任務的硬件或軟件叫傳輸實體
傳輸實體
- 傳輸實體可以在操作系統的內核
- 可以以一個鏈接庫的形式綁定到網絡應用中
- 可以以一個獨立的用戶進程運行
- 甚至可以實現在網絡接口卡(網卡)上
傳輸層利用網絡層的服務，爲它的上層應用層提供服務
與網絡層提供的服務相似，傳輸層提供的服務也分爲 面向連接的服務和無連接的服務
網絡層運行在由承運商操作的路由器上，因此用戶無法真正控制到網絡層
把另一層放在網絡層之.上，可以讓用戶能夠控制到服務質量(some control)
傳輸層原語獨立於網絡層原語，而網絡層原語會因爲網絡的不同而不同
傳輸層服務和網絡層服務的作用範圍不同：
網絡層負責把數據從源機送達到目的機（主機到主機），而傳輸層負責把數據送達到具體的應用進程（端到端）
傳輸層協議數據單元
數據段（TPDU）：是從傳輸實體發到對端傳輸實體的信息。
TPDUs 作爲數據（載荷）被封裝在分組（packet）中，由網絡層傳輸交換。
分組作爲數據（載荷）被封裝在幀（frames）中，由數據鏈路層傳輸交換。
傳輸層的兩個常用協議
- 用戶數據報協議UDP
- 傳輸控制協議TCP
6.2用戶數據報協議UDP
UDP是一個無連接的傳輸層協議。
UDP數據段頭：
- UDP數據段包括4個字段共8字節的頭部和數據兩個部分
- 其中第3個字段，長度字段(域)表示:包括頭部和數據總共有多少字節
- 第4個是校驗和(checksum)是可選的，如果不計算校驗和，則該字段/域置爲0
- UDP數據段中最獨特、最重要的字段是第1、2個字段，分別表示源端口和目的端口，都是用16比特表示的
校驗和計算方法：
2^16=65536 端口範圍0-65536
端口（port）被分成了三段：
定義一個自由端口：本地分配，動態的隨機端口。
UDP提供端點標識，端到端的數據傳輸，不提供差錯檢測和可靠傳輸，但簡潔高效
6.3通信模型
端點就是套接字（Socket），包括IP地址和端口號，可以寫成（IP,Port）
通信5元組：
端點之間的傳輸協議可以使UDP，也可以是TCP
另一種說法：
6.4.TCP數據段
傳輸控制協議
支持TCP的機器都有一個TCP實體，或者是用戶進程或者是操作系統內核，都可以管理TCP流和跟IP層的接口
發方：封裝
TCP實體接收本地進程的用戶數據流，將其分割成不超過64KB的分片(實踐中，通常分割成1460個字節，以通過以太網傳輸)
收方：解封裝
當包含TCP數據段的報文到達某臺機器的時候，被提交給傳輸實體，傳輸實體將其重構出原始的字節流
TCP協議
》TCP連接上的每個字節都有它自己獨有的32位序列號
》但收、發雙方的TCP實體不是以字節，而是以數據段的形式交換數據
兩個因素限制了數據段的長度:
- TCP數據段必須適合IP分組的65515字節(65535B-20B)的載荷限制
- 每個TCP數據段必須適合於下層網絡的MTU
TCP數據段（TPDU）格式
第3個字段：
第4個字段：
第5個字段：
4比特，TCP段頭長度單位32位（4字節）
第6個字段：
保留字段，也逐步啓用，比如用來做擁塞控制等
第7個字段：
都是1比特的6個字段（控制比特）：URG,ACK,PSH,RST,SYN和FIN
URG：
當緊急指針使用的時候，URG被置爲1。緊急指針是一個對於當前序列號的字節偏移量，標明緊急數據從哪裏開始。
即使win=0 (是告訴對方不可以發送數據)，也可以發送這樣的緊急數據段。比如，用戶發出ctrl+c中斷命令。
當URG=1時，表明有緊急數據，必須首先處理;收方收到這樣的數據後，馬上處理，處理完後恢復正常操作。
ACK：
可設爲1和0.當爲1時，表明確認號有效；爲0則無效。
PSH：
表示這是帶有PUSH標誌的數據，接收方收到這樣的數據，應該立刻送到上層，而不需要緩存它。
RST：
被用來重置一個已經混亂的連接，如果在連接建立階段，就直接拒絕建立連接。
SYN：
用在連接建立過程。若SYN=1且ACK=0，則表示連接請求；若SYN=1且ACK=1，則表示連接接受。
FIN：
被用來釋放連接，它表示發送方已經沒有數據要傳輸了，但是可以繼續接收數據。
窗口尺寸（Window size）：
16位，告訴對方可以發送的數據字節數，即從確認字節號開始，連續發送的字節總數。窗口尺寸的大小，取決於接收方。
校驗和（Checksum）：
計算方法跟UDP數據段中校驗和計算一樣，唯一不一樣的就是僞頭部中的用戶協議值取爲6。
緊急指針（Urgent pointer）：
和URG控制位配合使用，指明瞭緊急數據。
6.5 TCP三次握手建立連接
TCP數據段傳送之前，一定要建立TCP連接。
通過三次握手建立TCP連接
》一次: SYN=1，ACK=0
》二次: SYN=1，ACK=1
》三次: SYN=0， ACK=1
三次握手建立連接是一個同步的過程，交換初始序列號，保證後續的每一個字節的可靠傳輸。
6.6 TCP連接釋放
- 任何一方在沒有數據要傳送的時候，都可以發送一個FIN置位了的TCP數據段
- 當FIN被確認的時候，該方向的連接被關閉
- 當雙向連接都關閉了的時候，連接釋放
解決確認問題：
》一方發送連接釋放請求DR (Disconnect Request)，且期待對方的確認ACK
》當DR到達接收端，它回發ACK， 並且也發送一個DR
》ACK到達發送端的時候，連接釋放；同時，它回發確認ACK,當這個ACK到達接收端，反方向的連接也釋放了
爲了避免兩軍對壘問題，或者爲了避免DR和ACK丟失而引發的問題，採用定時器
任何時候，發出DR的同時，都啓動一個定時器
》如果一方發送了FIN置位了的DR數據段出去，卻在定時器超期之時都沒有收到應答，釋放連接
》另一方最終會注意到連接的對方已經不在了，超時後連接釋放
半開放連接：發送者將因超時放棄發送且釋放連接，但是，另外一 端卻不知道這些情況，仍然處於活躍的狀態
殺死半開放連接方式：
》如果在一定的時間內，沒有TPDUs 到達的話，連接自動釋放
》如果這樣，傳輸實體在發送一個TPDU的時候必須啓動定時器，定時器超期，將發動一個啞TPDU(dummy TPDU)，以免被斷掉
四次握手正常釋放連接：
6.7 TCP傳輸策略
當窗口數爲0時，發送者不能正常發送數據段，除非:
》Urgent數據。 比如，用戶想殺掉遠端機器上的進程的時候， 可以發送數據
》發送者可以發送一個字節的數據段，以便讓接收者再次發送期待接收的字節號(確認)和窗口數(避免死鎖)
傳輸優化：
發送方（Nagle算法）：
》儘量不發送數據含量小的數據段
》緩存應用層的數據，達到一定量再發送
接收方（Clark解決方案）：
》不請求對方發送短數據段(window size)
》延遲窗口變更信息，使接收緩衝區足夠大
6.8 TCP擁塞控制
（遵循分組守恆定律）
擁塞檢測：
所有的互聯網TCP算法都假定超時是由擁塞引起的，並且通過監視超時的情況來判斷是否出現問題
擁塞控制：
》當一個連接建立的時候，雙方選擇一個合適的窗口大小，接收方根據自己的緩衝區大小來指定窗口的大小
》如果發送者遵守這個窗口大小的限制，則接收端不會出現緩衝區溢出的問題，但可能由於網絡內部的擁塞而發生問題
擁塞的兩種情形：1.接收方容量不夠 2.網絡內部瓶頸
（接受者容量，網絡容量）
每個發送者維護兩個窗口：
接受者窗口：反映了目前接收者的處理能力(容易獲取)
擁塞窗口(CWND)：大小反映了網絡目前的容量(難於獲取)
（保證發送者發送的數據字節數是兩個窗口中小的那個窗口數）
決定擁塞窗口的大小（慢啓動算法）：
》當連接建立的時候，發送者用當前使用的最大數據段長度初始化擁塞窗口，然後發送一個最大的數據段
》如果在定時器超期之前收到確認，則將擁塞窗口翻倍，然後發送兩個數據段，直到超時或達到接收方窗口的大小)
例如：如果試圖發送4096字節沒有引發超時，但是發送8192字節的時候，超時沒有收到確認，則擁塞窗口設爲4096個字節
（設定閾值，到達閾值就變爲線性增長，超時後閾值降爲獲得的擁塞窗口的一半，重新從1開始慢啓動算法）
注意：
- 線性增長，可以將越來越粗放的窗口嘗試粒度變小，以獲得更準確的擁塞窗口值；
- TCP慢啓動算法就是這樣不斷超時、不斷重啓，嘗試出的擁塞窗口值也隨着網絡狀況的變化而發生變化，達到擁塞控制的目的；
- 重新慢啓動的時候，擁塞窗口值不用重置爲一個數據段大小，而是可以設置爲閾值大小，從這裏直接開始線性增長，這就是所謂的快速恢復。（呈現出鋸齒形狀）
- 任何時候，如果TCP傳輸實體收到一個ICMP抑制分組，則爲超時。
6.9 TCP定時器等
死鎖現象：接收方發送一個窗口數爲0的確認（窗口更新），告訴對方等待；稍後，接收方空出緩存，發送更新窗口的數據段，但是該分組丟失。於是收發雙方都在等待的現象。
解決死鎖的方法：發送方在收到win=0時，啓動一個持續定時器，如果定時器超期沒有收到更新窗口，則發送一個探測數據段，引發對方重新發出更新窗口!
保活定時器：用來檢測連接是否存活。當連接空閒時間超過保活定時器時間則被殺掉。
肯定確認定時器：用來保證數據段的可靠傳輸。
TCP：
1.可靠傳輸方式
2.可讓應用程序簡單化，程序員可以不必進行錯誤檢查、修正等工作
UDP：
1.爲了降低對計算機資源的需求（DNS）
2.應用程序本身已提供數據完整性的檢查機制，毋須依賴傳輸層的協議來保證
3.應用程序傳輸的並非關鍵性的數據（路由器週期性的路由信息交換）
4.一對多方式，必須使用UDP (TCP限於一對一的傳送)