计算机网络之传输层

江南才子

为应用层提供服务，负责总体数据传输与数据控制。

运输层与网络层的作用范围

前言

TCP：
采用虚电路交换方式，面向字节流，高可靠，全双工通信，端到端，面向连接。
TCP连接的接口也称为套接字（socket = IP地址：端口号）。
TCP功能：
多路复用多种应用数据
测试所接数据的完整性
顺序化乱序接收的数据
确认重传机制
流量控制
计时机制

ARQ协议
停止等待ARQ协议

连续ARQ协议

滑动窗口协议：接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认

TCP可靠传输的实现

通过使用连续ARQ协议（ARQ协议：自动重传请求）和滑动窗口协议，保证数据的正确性。

未收到确认之前都必须保留，以便超时重传。
没收到确认，滑动窗口不动。只有收到确认，窗口才可以向前滑动。

发送窗口可发送序号用完，必须停止发送，等待确认。超时就重传已发送但未确认的这部分数据。

UDP 和 TCP 的特点

用户数据包协议 UDP（User Datagram Protocol）
传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）

UDP：
是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部）。
TCP：
是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流
（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块）。

UDP 首部格式：
首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。
12 字节的伪首部是为了计算检验和而临时添加的。

TCP 首部格式：
序号 ：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，
如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。
确认号 ：期望收到的下一个报文段的序号。
因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。
当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。
若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。
终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
窗口 ：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

UDP首部

TCP首部

TCP 的三次握手

假设 A 为客户端，B 为服务器端。
首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
1. A 向 B 发送连接请求报文段，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
2. B 收到连接请求报文段，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文段，SYN=1，ACK=1，
确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
3. A 收到 B 的连接确认报文段后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
B 收到 A 的确认后，连接建立。

第三次握手：
  防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

  client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。
  本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。
  于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。

  假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。
  由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。
  但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

TCP 的四次挥手

ACK 在连接建立之后都为 1。
1. A 发送连接释放报文段，FIN=1；
2. B 收到之后发出确认，此时 TCP 属于半关闭状态，B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据；
3. 当 B 要不再需要连接时，发送连接释放请求报文段，FIN=1；
4. A 收到后发出确认，此时连接释放。

TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，
此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间。这么做有两个理由：
1. 确保最后一个确认报文段能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文段，那么就会重新发送连接释放请求报文段，
A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
2. 可能存在“已失效的连接请求报文段”，为了防止这种报文段出现在本次连接之外，需要等待一段时间。

TCP 流量控制（滑动窗口技术）

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收（防止接收方缓冲溢出）。

TCP 拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。
因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。
这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接受，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制：
慢开始、
拥塞避免、
快重传、
快恢复。