计算机网络——传输层

一、传输层的基本服务

  1. 传输层的核心任务是 为应用进程之间提供端到端的逻辑通信服务。

  2. 传输层主要功能包括：

    • 传输层地址
    • 应用层报文的分段和重组
    • 报文的差错检测
    • 进程间的端到端可靠数据传输控制
    • 面向应用层实现复用与分解
    • 端到端的流量控制
    • 拥塞控制
    • 传输层协议提供逻辑通信服务
    • 传输层协议只需要在端系统中实现
    • 通信的真正断点并不是主机，而是主机中运行的应用进程

  3. 传输层地址与端口号

    • 用统一的寻址方法对应用程序进行标识——端口号
    • 在全国范围内利用“IP地址+端口号”唯一标识一个通信端点
    • 传输层端口号为16位整数，包含三类端口：
    • POP3：110端口、 SMTP：25端口、HTTP：80端口
    端口类型 数值特性 备注
    熟知端口号 0——1023
    登记端口号 1024——49151 使用这个范围端口号必须在IANA登记以防止重复
    客户端口号或短暂端口号 49152——65535 留给客户进程选择使用

  4. 无连接服务与面向连接服务

    • 无连接服务：数据传输之前无需与对端进行任何信息交换（即“握手”），直接构造传输层报文段并向接收端发送。（UDP）
    • 面向连接服务：在数据传输之前，需要双方交换一些控制信息，建立逻辑连接，然后再传输数据，数据传输结束后还需要拆除连接。（TCP）

二、传输层的复用与分解

  1. 多路复用与多路分解：是传输层的一项基本功能，支持众多应用进程共用同一个传输层协议，并能够将接受到的数据准确交付给不同的应用进程。
  2. 无连接的多路复用与多路分解
    • UDP套接字：<目的IP地址，目的端口号>
    • UDP套接字的端口号是UDP实现复用与分解的重要依据
  3. 面向连接的多路复用与多路分解
    • TCP套接字（标识一条TCP连接）：<源IP地址，源端口号，目标的P地址，目的端口号>
    • 当一个TCP报文段从网络层到达一台主机时，该主机根据这4个值来将报文分段到相应的套接字。

三、停—等协议与滑动窗口协议

  1. 实现可靠传输的措施：
    • 差错检测：利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检测。
    • 确认：接收方向发送方反馈接收状态。
    • 重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。
    • 序号：确保数据按序提交。
    • 计时器：解决数据丢失问题。
  2. 停——等协议：主要特点就是每发送一个报文段后就停下来等待接收方的确认
  3. 停——等协议的基本工作原理：
    • 发送方发送经过差错编码和编码的报文段，等待接收方确认；（发送等待确认）
    • 接收方如果正确接收报文段，即差错检测无误且序号正确，则接收报文段，并向发送方发送ACK，否则丢弃报文段，并向发送端发送NAK；（接收并确认/否认）
    • 发送方如果收到ACK，则继续发送后续报文，否则重发刚刚发送的报文段。（继续发送/重发）
  4. 滑动窗口协议（典型的流水线协议）
    • 流水线协议或管道协议——允许发送方在没有收到确认前连续发送多个分组。
    • 流水线协议的改进：增加分组序号范围、发送方和（或）接收方必须缓存多个分组。
    • 两种具有代表性的滑动窗口协议：回退N步（GBN）协议、选择重传（SR）协议。

四、用户数据报协议（UDP）

  1. UDP的数据结构
    • 源和目的端口号：用于UDP实现复用与分解。
    • 长度字段：在UDP报文段中的字节数（首部和数据的总和）。
    • 校验和：接收方用来检测报文段是否出现了差错。
  2. 计算校验和
    • 对所有参数与运算的内容（包括UDP报文段）按16位（16位对齐）求和
    • 求和过程遇到的任何溢出（即进位）都被回卷（即进位与和的最低为相加）
    • 最后得到的和取反码

五、传输控制协议（TCP）

  1. TCP报文段结构

    • TCP首部和TCP数据部分

  2. TCP连接管理

    • 连接建立——三次握手
      • SYN连接请求
      • SYNACK确认
      • ACK确认

  3. TCP断开连接的过程——四次挥手

    • 可以是客户端先发送请求，也可以是服务端先发送请求。

  4. TCP可靠数据传输

    • TCP的可靠数据传输实现机制包括差错编码、确认、序号、重传、计时器等。
    • TCP的可靠数据传输是基于滑动窗口协议，但是发送窗口大小动态变化。
      • 封装TCP报文
      • 发送一个报文后启动一个计时器
      • 通过校验和发送数据差错
      • 通过序号重新排序，丢弃重复的报文段
      • 流量控制

  5. TCP流量控制

    • TCP协议利用窗口机制实现流量控制，但不是简单的滑动窗口协议。
    • TCP连接建立时，双方都为之分配固定大小的缓冲空间；TCP的接收端只允许另一端发送其缓冲区所能接纳的数据。
      • 接收端在给发送端发送确认段时，通告接收端口大小；
      • 发送端在接下来发送数据段时，确保未确认段的应用层数据总量不超过接收端通告的接收窗口大小，从而确保接收端不会发生缓存溢出。

  6. TCP拥塞控制

    • 窗口机制：通过调节窗口的大小实现对发送数据速率的调整。
    • 窗口调整基本策略：AIMD（Additive Incease,Multiplicative Decrease）加性增加，乘性减少；网络未发生拥塞时，逐渐“加性”增大窗口大小，当网络拥塞时“乘性”快速减小窗口大小。
    • TCP的拥塞控制算法：包括了慢启动，拥塞避免，快速重传和快速恢复4个部分。