運輸層

運輸層協(xié)議概述

進(jìn)程之間的通信

運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。
網(wǎng)絡(luò)層為主機之間的通信提供服務(wù)，而運輸層則在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上，為應(yīng)用進(jìn)程之間的通信提供服務(wù)。

運輸層向高層用戶屏蔽了下面網(wǎng)絡(luò)核心的細(xì)節(jié)（如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、所采用的路由選擇協(xié)議等），它使應(yīng)用進(jìn)程看見的就是好像在兩個運輸層實體之間有一條端到端的邏輯通信信道當(dāng)運輸層采用面向連接的 TCP 協(xié)議時，盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的（只提供盡最大努力服務(wù)），但這種邏輯通信信道就相當(dāng)于一條全雙工的可靠信道。但當(dāng)運輸層采用無連接的UDP 協(xié)議時，這種邏輯通信信道仍然是一條不可靠信道。

運輸層的兩個主要協(xié)議

(1) 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP (User Datagram Protocol)
(2) 傳輸控制協(xié)議 TCP (Transmjssion Control Protocol)

運輸層的端口

每一個端口用一個稱為端口號(port number) 的正整數(shù)來標(biāo)志。主機的操作系統(tǒng)提供了接口機制，使得進(jìn)程能夠通過這種機制找到所要找的端口。
這種在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是軟件端口，和路由器或交換機上的硬件端口是完全不同的概念。硬件端口是不同硬件設(shè)備進(jìn)行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進(jìn)程與運輸實體進(jìn)行層間交互的地點。

(I) 服務(wù)器端使用的端口號 這里又分為兩類，最重要的一類叫作熟知端口號(wellknown port number)或全球通用端口號.

另一類叫作登記端口號，數(shù)值為 1024~49151 。這類端口號是為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。要使用這類端口號必須存 IANA 按照規(guī)定的手續(xù)登記，以防止重復(fù)。
(2) 客戶端使用的端口號 數(shù)值為 49152~65535 。由于這類端口號僅在客戶進(jìn)程運行時才動態(tài)選擇，因此又叫作短暫端口號°。這類端口號就是臨時端口號，留給客戶進(jìn)程選擇臨時使用。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶進(jìn)程的報文時，就知道了客戶進(jìn)程所使用的端口號，因而可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶進(jìn)程。通信結(jié)束后，剛才已使用過的客戶端口號就被系統(tǒng)收回，以便給其他客戶進(jìn)程使用。

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP

UDP 概述

(1) UDP 是無連接的，因此減少了開銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時延。
(2) UDP 使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，因此主機不需要維持復(fù)雜的連接狀態(tài)表。
(3) UDP 是面向報文的。發(fā)送方的 UDP 對應(yīng)川程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付 IP 層。

(4) UDP 沒有擁塞控制，因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會使源主機的發(fā)送速率降低。
(5) UDP 支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。
(6) UDP 的首部開銷小，只有8個字節(jié)，比 TCP 20 個字節(jié)的首部要短。
復(fù)用示意圖

UDP 的首部格式

UDP 用戶數(shù)據(jù)報首部中檢驗和的計算方法有些特殊。在計箕檢驗和時，要在 UDP 用戶數(shù)據(jù)報之前增加 12 個字節(jié)的偽首部。所謂“偽首部”是因為這種偽首部并不是 UDP 用戶數(shù)據(jù)報真正的首部。只是在計算檢驗和時，臨時添加在 UDP 用戶數(shù)據(jù)報前面，得到一個臨時UDP 用戶數(shù)據(jù)報。檢驗和就是按照這個臨時的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報來計算的。偽首部既不向下傳送也不向上遞交，而僅僅是為了計算檢驗和。

傳輸控制協(xié)議 TCP 概述

TCP 最主要的特點

(I) TCP 是面向連接的運輸層協(xié)議。這就是說，應(yīng)用程序在使用TCP 協(xié)議之前，必須先建立 TCP 連接。在傳送數(shù)據(jù)完畢后，必須釋放已經(jīng)建立的 TCP 連接。
(2) TCP 連接只能有兩個端點。
(3) TCP 提供可靠交付的服務(wù)。通過過 TCP 連接傳送的數(shù)據(jù)，無差錯、不丟失、不重復(fù)，井且按序到達(dá)。
(4) TCP 提供全雙工通信。
(5) 面向字節(jié)流。 TCP 中的“流”(stream)指的是流入到進(jìn)程或從進(jìn)程流出的字節(jié)序列?！懊嫦蜃止?jié)流”的含義是：雖然應(yīng)用程子和 TCP 的交互是一次幾個數(shù)據(jù)塊（大小不等），但TCP 把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)僅僅看成是一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。

TCP 的連接

TCP 連接的端點叫作套接字(socket)或插口
套接字 socket = (IP 地址:端號）
每一條 TCP 連接唯一地被通信兩端的兩個端點（即套接字對 socket pair) 所確定。

可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?/h3>

停止等待協(xié)議

1. 無差錯情況
   停止等待協(xié)議是最簡單的無差錯情況。
   

2. 出現(xiàn)差錯
   第一， 在發(fā)送完一個分組后，必須暫時保留已發(fā)送的分組的副本（在發(fā)生超時直傳時使用）。只有在收到相應(yīng)的確認(rèn)后才能消除暫時保衍的分組副本。
   第二,分組和確認(rèn)分組都必須進(jìn)行編號。。這樣才能明確是哪一個發(fā)送出去的分組收到了確認(rèn)，而哪一個分組還沒有收到確認(rèn)。
   第二，超時計時器設(shè)置的重傳時間應(yīng)當(dāng)比數(shù)據(jù)在分組傳輸?shù)钠骄禃r間更長一些。

3. 確認(rèn)丟失和確認(rèn)遲到
   

4. 信道利用率
   停止等待協(xié)議的優(yōu)點是簡單，但缺點是信追利用率太低.
   

U=Td/Td+RTT+Ta

連續(xù) ARQ協(xié)議

示發(fā)送方維待的發(fā)送接口，它的意義是：位于發(fā)送窗口內(nèi)的5個分組都可連續(xù)發(fā)送出去，而不需要等待對方的確認(rèn)。這樣，信道利用率就提高了。

TCP 報文段的首部格式

TCP 報文段首部的前 20 個字節(jié)是固定的，后面有 4n字節(jié)是。因此 TCP 首部的最小長度是 20 字節(jié)。
首部固定部分各字段的意義如下：
(1) 源端口和目的端口 各占2個字節(jié)，
(2) 序號 4字節(jié)。TCP向字節(jié)流的。在一個 TCP 連接中傳送的字節(jié)流中的每一個字節(jié)都按順序編號。整個要傳送的字節(jié)流的起始序號必須在連接建立時設(shè)置。首部中的序號字段們則指的是本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。
(3) 確認(rèn)號 4字節(jié)，是期望收到對方下一個報文段的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號。
(4) 數(shù)據(jù)偏移 4位，它指出 TCP 報文段的數(shù)據(jù)起始處距離 TCP 報文段的起始處有多遠(yuǎn)。。這個字段實際上是指出 TCP 報文段的首部長度.
(5) 保留 6位，保留為今后使用，但目前應(yīng)設(shè)為0下面打6個控制位，用來說明木報文段的性質(zhì)它們的，意義見下面的(6)~(11)
(6) 緊急 URG (URGent) URG = 1時，表明緊急指針字段有效。它告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快傳送（相當(dāng)干高優(yōu)先級的據(jù)），而不要按原來的排隊順序傳送。
URG 時，發(fā)送應(yīng)用進(jìn)桯就告訴發(fā)送方的 TCP 有緊急數(shù)據(jù)婓傳送。于是發(fā)送方TCP 就把緊急數(shù)據(jù)插入到本報文段數(shù)據(jù)的最前面，而在緊急數(shù)據(jù)后面的數(shù)據(jù)仍是普通數(shù)據(jù)。這時要與首部中緊急指針(Urgent Pointer)字段配合使用。
(7) 確認(rèn) ACK (ACKnowledgment) TCP 規(guī)定，在連接建立后所有傳送的報文段都必須把 ACK 置為
(8) *推送 PSH (PuSH)*當(dāng)兩個應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行交互式的通信時，有時在一端的應(yīng)用進(jìn)程希望在鍵入一個命令后守即就能夠收到對方的響應(yīng)。
(9) 復(fù)位 RST (ReSeT) 表明 TCP 連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯（如主機崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運輸連接。
(10) 同步 SYN (SYNchronization) 在連接建立時用來同步序號。表明這是一個連接諸求報文段。
(11) 終止 FIN (FINish) 用來釋放一個連接。
(12) 窗口 2字節(jié)。窗口值是[0, 2^16- l] 之間的整數(shù)。窗口指的是發(fā)送本報文段的一方的接收窗口（而不是自己的發(fā)送窗口）。接收方的緩存容量單位字節(jié)。
(13) 檢驗和 2字節(jié)。檢驗和字段檢驗的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。和 UDP用戶數(shù)據(jù)報一樣，在計算檢驗和時，要在 TCP 報文段的前面加上 12 字節(jié)的偽首部。
(14) 緊急指針 2字節(jié)。它指出本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)（緊急數(shù)據(jù)結(jié)束后就是普通數(shù)據(jù)）。
(15) 選項 長度可變，最長可達(dá) 40 字節(jié)。

TCP 可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

以字節(jié)為單位的滑動窗口

第一，緩存空間和序號空間都是有限的，并且都是循環(huán)使用的
第二，由于緩存或窗口中實際的字節(jié)數(shù)可能很大

發(fā)送緩存用來暫時存放：
(1)發(fā)送應(yīng)用程序傳送給發(fā)送方 TCP 準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)；
(2) TCP 已發(fā)送出但尚未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)。

接收緩存用來暫時存放：
(1)按序到達(dá)的、但尚未被接收應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)；
(2)未按序到達(dá)的數(shù)據(jù)。

超時重傳時間的選擇

TCP 采用了一種自適應(yīng)算法，它記錄一個報文段發(fā)出的時間，以及收到相應(yīng)的確認(rèn)的時間。這兩個時間之差就是報文段的往返時間 RTT TCP 保留了 RTT 的一個加權(quán)平均往返時間 RTTs
新的 RTTs = (1- a) （舊的 RTTs) + a*新的 RTT 樣本）

選擇確認(rèn) SACK

描述邊界，防止重傳，只傳輸未被確認(rèn)的

TCP的流量控制

利用滑動窗口實現(xiàn)流量控制

流量控制(flowcontrol)就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收。

![TCP 連接的一方收到零窗口通知，啟動持續(xù)計時器(persisence timer)，就發(fā)送一個零窗口探測報文段（僅攜帶1字節(jié)的數(shù)據(jù)），而對方就在確認(rèn)這個探測報文段時給出了現(xiàn)在的窗口值。

TCP 的傳輸效率

第一種機制是 TCP 維持一個變量，它等于最大報文段長度 MSS 心嚇
只要緩存中存放的數(shù)據(jù)達(dá)到 MISS 字節(jié)時，就組裝成一個 TCP 報文段發(fā)送出去。第二種機制是發(fā)送方的應(yīng)用進(jìn)程指明要求發(fā)送報文段，即 TCP 支持的推送（push)橾作。第三種機制是發(fā)送方的一個計時器期限到了，這時就把當(dāng)前已有的緩存數(shù)據(jù)裝入報文段（但長度不能超過
MSS) 發(fā)送出去。

TCP 的擁塞控制

擁塞控制的一般原理

若對網(wǎng)絡(luò)中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞。這種情況就叫作擁塞（congestion) 。

擁塞控制就是防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不至于過載。擁塞控制所要做的都有一個前提，就是網(wǎng)絡(luò)能夠承受現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。流量控制往往是指點對點通信量的控制。

TCP 的擁塞控制方法

TCP 進(jìn)行擁塞控制的算法有四種，即慢開始(slow-start)、擁塞避免(congestion avoidance) 、快重傳(fast retransmit)和快恢復(fù)(fast recovery)

1. 慢開始和擁塞避免
   作基于窗口的擁塞控制。為此，發(fā)送方維持一個叫作擁塞窗
   cwnd (congestion winndow) 的狀態(tài)變量。擁塞餅口的大小取決千網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且是動態(tài)變化著的。發(fā)送方自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口。
   只要為在超時時間內(nèi)收到確認(rèn)消息就可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞。
   慢開始算法的思路是這樣的：當(dāng)主機在已建立的 TCP 連接上開始發(fā)送數(shù)由小到大逐漸增大注入到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)字節(jié)，也就是說，由小到大逐漸增大擁塞窗口數(shù)值。
   為了防止擁塞窗口 cwnd 增長過大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需要設(shè)置一個慢開始門限 ss hresh狀態(tài)變量（可以把門限 ss hresh 的數(shù)值設(shè)置大些，

采用快重傳算法可以讓發(fā)送方盡早知道發(fā)生了個別報文段的丟失。

接收方窗口又稱為通知窗口(advertised ndow) 。因此，從接收方對發(fā)送方的流護(hù)控制的角度考慮，發(fā)送方的發(fā)送窗口一定不能超過對方給出的接收方窗口值 rwnd

主動隊列管理AQM

網(wǎng)絡(luò)層的策略對 TCP 擁塞控制影響最大的就是路由器的分組丟棄策略。在最簡單的情況下，路由器的隊列通常都按照“先進(jìn)先出 “FIFO (First In First Out)的規(guī)則處理到來的分組。

應(yīng)當(dāng)在隊列長度達(dá)到某個值得警惕的數(shù)值時（即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞有了某些擁塞征兆時），就主動丟棄到達(dá)的分組。這樣就提醒了發(fā)送方放慢發(fā)送的速率，因而有可能使網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度減輕，

TCP 的運輸連接管理

TCP 的連接建立

三次握手

TCP 的連接釋放

TCP 還設(shè)有個保活計時器keepalive timer) 。設(shè)想有這樣的情況：
客戶已啟動與服務(wù)器建立CP 連核。但后來客戶端的主機突然出故障。

TCP 的有限狀態(tài)機