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传输层

传输层的功能

  • 在优化网络层的服务的基础上,为源主机上的进程和目的主机的进程提供可靠的,透明的数据传输
  • 使高层用户可以在相互通信的时候不必关系通信子网的实现细节.

传输层的运输单元(PDU): TCP/UDP段(segment)

传输层基本原理

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传输层地址

一个应用程序和另一个应用程序进行通信的时候,必须知道两个地址

  • TSAP地址(传输访问服务点,即端口号)
  • NSAP地址(网络服务访问点, IP地址)

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熟知端口号 0 ~ 1023 分配给特定的服务或者协议

注册端口号 1024 ~ 49151 可有用户或组织申请使用

动态/私有端口号 49152 ~ 65535 由用户随机分配

传输层复用

  • 向上复用 多个传输层共同使用同一个网络层连接
  • 向下复用 一个传输层连接使用多个网络层连接

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可靠传输

传输提供四方面的服务来保证可靠传输: 差错控制 顺序控制 丢失控制(序号) 丢失控制

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数据链路层的差错检测仅仅检查链路开始到链路结束,而端点内(路由器内)的产生的错误无法控制;运输层提供端到端全过程的错误检测.

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流量控制

大题和数据链路层的流量控制一样,采用滑动窗口协议.但在通信过程中窗口的大小由双方协商确定.一般由接收方通知发送方,窗口可以开多大.

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用户数据报协议(UDP)

  • 简单的无连接传输层协议
    • 可靠性由应用层提供
  • 不提供数据报分段,组装的功能
    • 若超出网络的最大传输单元(MTU,例如以太网的1500B),则会在网络层进行分片和在网络层进行组装
  • 不能对数据报进行排序
  • 延迟小,传输效率高
  • 网络层协议只能是IP
  • 支持一对一和一对多两种通信模式

UDP数据报的格式

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  • 必须封装在IP数据报中
  • 总共为8字节
  • 16位的UDP源端口号 作为接受数据返回时候的端口号
    • 可选字段,若不选则为0
  • 16位的UDP目标端口号
  • UDP数据报长度 UDP首部和UDP数据的字节(IP数据报减去IP首部的长度)长度和. 最小为8字节
  • UDP校验和 UDP校验和覆盖伪首部,UDP首部和UDP数据.

为了计算UDP校验和,会包含一个12字节的伪首部计算.具体如下

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  • 32位的源IP地址,32位的目的IP地址
  • 8位全0的填充字段
  • 8位值为17的协议字段
    • 表明是UDP
  • 16位的UDP数据报的长度

只用于计算校验和, 传输时不应该封装在IP数据报中

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  • 若启用校验和但校验和计算出来为全0,应该在校验和字段写入全1
  • 若不启用校验和,则只需要在校验和字段写入全0即可

传输控制协议 TCP

  • 提供可靠的面向连接的 字节六传输服务
  • 提供端到端的流量控制,并计算和验证一个强制性的端到端校验和
  • 全双工通信
  • 字节流控制
    • TCP本身不对字节流做出任何解释
    • TCP若采用字节流服务则不区分字节的发送间隔
      • 例如发送方按 10B, 30B, 40B发送,接受方可以分多次接受这总的80B,例如四次,每次20B
  • 可靠的连接建立(三次握手建立)
  • 友好的连接关闭(四次挥手关闭)
  • 只支持一对一连接
  • 网络层使用IP协议
  • TCP协议没有选择确认和否定机制

TCP报文格式

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  • 20字节的TCP报文头, 不记选择字段
  • 16位的源端口号和16位的目的端口号
    • 常用协议的端口号(知名端口号) HTTP(80),FTP(21/20), telnet(23) SMTP(25)
  • 4字节的序号字段 序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号
    • 按字节编号,循环编号
  • 4字节确认号 期望收到的对方下一个报文端的第一个字节的序号
  • 数据偏移字段(首部长度) 4位 单位为4字节 指明TCP首部的长度从(20B到60B)
  • 标志位 8个标志位
    • CWR 拥塞窗口减少
    • ECE 拥塞发生回应
    • URG 紧急指针有效
    • ACK 确认序号有效
    • PSH 接收方应该尽快把这个报文端交给应用层
    • RST 重建TCP连接
    • SYN 同步序号,用来发起一个连接
    • FIN 发送方完成任务
  • 窗口 2字节 用来让对方设置发送窗口的依据,单位为字节
  • 校验和 2字节 校验首部和数据两部分
    • 计算机校验和的时候要加上12字节的伪首部
  • 紧急指针 要与URG同时使用,用于指明紧急数据有多少个字节
  • 选项字段
    • 常见的有 MSS-最大报文短长度

TCP超时重传时间的选择

保留一个RTT的加权平均往返时间 \(RTT_S\), 按如下公式计算新的RTT

\[ 新的RTT_S=(1-\alpha)\times(旧的RTT_S) + \alpha\times(新的RTT样本) \]

其中 \(\alpha\) 的推荐值0.125

超时重传时间应该大于上述的 \(RTT_s\), 通常采用 \(RTO=RTT_s + 4\times RTT_D\)

其中

\[ 新的RTT_D=(1-\beta)\times(旧的RTT_D)+\beta\times\left|RTT_S-新的RTT样本\right| \]

其中 \(\beta\) 的推荐值为0.25

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Karn算法 在计算 \(RTT_s\) 时候,不采用重传报文段的往返时间样本.

Karn算法的修正 报文段每重传依次,就将RTO增大一些.典型的做法是将RTO增大一倍.当不发送重传的时候,才按照上面的公式计算重传时间.

TCP连接的建立与释放

三次握手的建立过程

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  • 用户发送一个 SYN报文端指明想要连接的端口号,以及初始序号(seq=x).
    • 这个报文不携带数据
    • 这个报文会消耗一个序号
  • 服务器返回包含服务器的初始序号的SYN+ACK报文段(报文段2)作为答应,并期待下一个报文序号为(x+1)
    • 这个报文不携带数据
    • 这个SYN-ACK报文回消耗一个序号(seq=y)
  • 客服返回一个ACK报文端,对服务发送的SYN-ACK报文进行确定
    • 若这个报文不携带数据,则不消耗序号

四次挥手释放连接的过程

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  • 主动终止连接的主机(一般为客户)发送一个 FIN报文,并进入 FIN-WAIT-I
    • 该报文不携带数据
    • 消耗一个序号
  • 服务器通知应用层客户想要结束本次TCP连接,发送一个确认报文
    • 此时 A->B方向的连接已经关闭
    • 但 B->A方向仍然可以发送数据,A还要接受B的数据
  • 一段时间后,B向A发送 FIN报文,进入 LAST-ACK阶段
  • A接受到B的FIN报文后,发送确认报文,并等待2MSL后才能释放TCP连接.B只要接受到确认报文就可以立即释放.
    • MSL 最长报文段寿命, 保证网络中的所有有关的报文段都从网络中消失;保证B能接受到最后一个ACK报文

TCP连接与释放的有限状态机模型

TCP计时器管理

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  • 重传计时器 数据包超时未被确认的时候,到时重传数据包
  • 持久计时器 防止死锁问题发生
  • 保活计时器 长连接场景
  • 关闭状态计时器 关闭连接时使用

TCP连接的拥塞控制

拥塞 网络的吞吐量随着输入复杂的增长反而减少的过程.

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慢启动

  • 将发送方初始的cwnd(拥塞窗口)设置为一个SMSS(发送端最大数据尺寸)字节
  • 在第一个超时周期没有丢失报文的情况下,将cwnd设置为2个SMSS字节
  • 在第二个超时周期没有报文丢失的情况下,将cwnd设置为4个SMSS字节
  • 依次方法,指数增长,直到cwnd超过ssthresh(慢启动阈值)

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拥塞避免

  • 当cwnd超过或者达到ssthresh的时候进入拥塞避免阶段
  • 在没有丢失报文的情况下,cwnd以线性的方式增长,每收到一个ACK,cwnd的大小增加一个SMSS字节
  • 检测到报文丢失的时候,设置ssthresh为当前cwnd的一半 重新启动慢启动算法
    • 乘法减少 只要出现报文丢失,就把慢开始门限值设置为当前拥塞窗口的一半
    • 当频分丢失报文的时候,ssthresh下降的很快,此时往网络中注入的分组数也将很快减少

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快速重传

  • 要求接收方每收到一个失序的报文后立刻发出重复确认
  • 发送方只要一收到三个重复的确认就立即重传对方尚未收到的报文段

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快速恢复

  • 发生快速重传后,将当前门限值设置为窗口数的一半
  • 将当前窗口设置为门限值
    • 有时候也设置为 ssthresh+3xMSS
    • 因为此时接收方至少接受了3个其他报文段
  • 并且执行拥塞避免算法,线性增加窗口大小

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