计算机网络(五) 运输层

1. 运输层协议概述

运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部份的最高层，也是用户功能中的最低层

端到端的通信：进程之间的通信。主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信

网络层和运输层的区别：网络层是为主机之间提供逻辑通信，运输层是为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

2. 运输层的两个主要协议

• 用户数据报协议 UDP：传送的数据单位协议是UDP 报文或用户数据报
• 传输控制协议 TCP：传送的数据单位协议是TCP 报文段

2.1 用户数据报协议 UDP

UDP 在 IP 的数据报服务之上增加的功能·

• 复用和分用的功能
• 差错检测的功能

2.1.1 UDP 的主要特点

• UDP 是无连接的：减少了开销和发送数据之前的时延
• UDP 尽最大努力交付：不保证可靠交付
• UDP 是面向报文的：UDP 一次交付一个完整的报文
• UDP 没有拥塞控制
• UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信
• UDP 的首部开销小，只有 8 个字节(由 4 个字段组成，每个字段都是 2 个字节)，比 TCP 的 20 个字节的首部要短

2.2 传输控制协议 TCP

2.2.1 TCP 最主要的特点

• TCP 是面向连接的运输层协议

• 每一条 TCP 连接只能由两个端点，每一条 TCP 连接都只能是一对一的

• TCP 提供可靠交付的服务

• TCP 提供全双工通信

• 面向字节流：流指的是流入或流出进程的字节序列

  应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据当成一连串无结构的字节流。(接收方应用程序收到的数据块和发送方应用程序发出的数据块不一定具有对应大小的关系，但是收到的字节流完全一样)

2.2..2 TCP 的连接

• 每一条 TCP 连接有两个端点

• TCP 连接的断点叫做套接字(socket)或插口

• 端口号拼接到 IP 地址就构成了套接字，即套接字 socket=(IP 地址:端口号)

  例如，套接字 socket=(127.0.0.1:8080)

  每一条 TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点(即两个套接字)所确定。

  例如：TCP 连接::= {socket1, socket2} = {(IP1:port1), (IP2, port2)}

TCP 连接、IP 地址、套接字

• TCP 连接是由协议软件提供的一种抽象
• TCP 连接的端点是个抽象的套接字，即(IP 地址:端口号)
• 同一个 IP 地址可以有多个不同的 TCP 连接
• 同一个端口号可以出现在多个不同的 TCP 连接中

2.3 可靠传输的工作原理

2.3.1 停止等待协议

停止等待就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个分组

出现差错：

• 接收方 B 接收 M1 时检测出了差错，就丢弃 M1，不通知发送方 A 收到有差错的分组
• M1 在传输过程中丢失了

在上面两种情况下，B 都不会发送任何信息，但是 A 必须重发分组，直到 B 正确接收为止，这样才可以实现可靠通信

问题：A 如何知道 B 是否 1 正确收到了 M1?

解决方法：超时重传

1. A 为每一个已发送的分组都设置了一个超时计时器
2. A 只要在计时器到期之前收到了相应的确认，就撤销该超时计时器，继续发送下一个分组 M2
3. 如果 A 在超时计时器规定时间内没有收到 B 的确认，就认为分组错误或丢失，所以需要重发该分组

问题：如果分组正确到达 B 但是 B 回送的确认丢失或延迟了，A 会超时重传，B 可能会受到重发的 M1，B 如何知道收到了重复的分组，需要丢弃。

解决方法：编号

1. A 为每一个发送的分组都进行编号。如果 B 收到了编号相同的分组，则认为收到了重复分组，丢弃重复的分组，并回传确认
2. B 也为发送的确认进行编号，指示是对哪一个分组的确认
3. A 根据确认以及它的编号，可以确定它是对哪一个分组的确认，避免重发。如果是重复的确认，则将其丢弃

停止等待协议的要点：

• 停止等待：发送方每次只发送一个分组，在收到确认后 1 再发送下一个分组
• 编号：对发送的每个分组和确认都进行编号
• 自动重传请求：发送方为每个发送的分组设置一个超时计时器。如果发送方没有在超时计时器到期之前收到确认，则会自动重传分组
• 简单，但信道利用率低

2.3.2 连续 ARQ 协议

• 发送方一次可以发送多个分组
• 使用滑动窗口协议控制发送方和接收方所能发送和接收的分组的数量和编号
• 每收到一个确认，发送方就把发送窗口向前滑动
• 采用回退 N方法进行重传

接收方一般采用累计确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，即到这个分组为止的所有分组都已经正确收到了

优点：容易实现，即使确认丢失也不必重传

缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息(如发送 1, 2, 3, 4, 5, 接收方收到 1, 2, 4, 5，只能向发送方反映接收到了 1, 2 分组，不能像发送方确认正确收到 4, 5 分组)

如果发送方发送 1, 2, 3, 4, 5 分组，而中间的第三个分组丢失了，接收方只能对前两个分组发出确认，而发送方无法知道后面三个分组是否发送成功，所以只能把后面的三个分组都在重传一次，这就叫做回退 N，表示需要回退， 去重传已经发送过的 N 个分组

滑动窗口协议：ppt(p88)

2.4 TCP 报文段的首部格式

TCP 是面向字节流的，但是 TCP 传送的数据单元却是报文段。

一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分。TCP 首部的最小长度是 20 字节

2.5 TCP 可靠传输的实现

2.5.1 以字节为单位的滑动窗口

TCP 使用流水线传输和滑动窗口协议实现高效、可靠的传输

TCP 的滑动窗口以字节为单位，发送方 A 和发送方 B 分别维持一个发送窗口和一个接收窗口。

发送窗口在没有收到确认时，可以连续把窗口内的数据全部发送出去；接收窗口只允许接收落入窗口内的数据。

例子：

如果 A 的发送窗口内的序号都已用完，但没有收到确认，则必须停止发送。

发送方的应用进程把字节流写入 TCP 的发送缓存，接收方的应用进程从 TCP 的接收缓存中读取字节流。

发送缓存暂时存放：

• 准备发送的数据
• 已发送出但并未收到确认的数据

接收缓存暂时存放：

• 按序到达的但还没被读取的数据
• 不按序到达的数据

A 的发送窗口并不总是和 B 的接收窗口一样大。

TCP 针对不按序到达的数据的处理：

• 先临时存放在接收窗口中
• 缺少的数据到达后，再按序交付给上层的应用进程

2.5.2 超时重传时间的选择

TCP 每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。

如果计时器设置的重传时间到了，但是还没有收到确认，就要重传这一报文段。

加权平均往返时间、超时重传时间 RTO、Karn 算法

2.5.3 选择确认 SACK

场景：收到的报文段没有差错，只是没按序号，中间还缺少某些序号的数据。选择确认 SACK 可以只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接收方的数据。

2.6 TCP 的拥塞控制(PPT P158)

慢开始、拥塞避免算法、快重传

2.7 TCP 的连接

TCP 是面向连接的协议

TCP 连接有三个阶段：

1. 连接建立
2. 数据传送
3. 连接释放

TCP 连接的建立采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户端(client)，被动等待连接建立的应用进程叫做服务器(server)

2.7.1 TCP 的连接建立

TCP 建立连接的过程叫做握手。握手需要在客户端和服务器之间交换三个 TCP 报文段，称为三报文握手

采用三报文握手的目的：防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了。

2.7.2 TCP 的连接释放

TCP 连接释放过程是四报文握手