计算机网络入门基础篇——运输层

Posted 2022-11-28 敲代码的xiaolang

参考视频教程：计算机网络微课堂.

文章目录

• 一、运输层概述
• 二、运输层端口号、复用与分用的概念
• • 1.端口号
  • 2.复用和分用的概念
• 三、UDP和TCP的对比
• 四、TCP的流量控制
• 五、TCP的拥塞控制
• 六、TCP超时重传时间的选择
• 七、TCP可靠传输的实现
• 八、TCP的运输连接管理
• • 1.TCP的连接建立
  • 2.TCP的连接释放
• 九、TCP报文段的首部格式

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一、运输层概述

在计算机网络中进行通信的真正实体是位于通信两端主机中的进程。
为运行在不同主机上的应用进程提供直接的通信服务是运输层的任务，运输层协议又称为端到端协议。

运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节(如网络拓扑、所采用的路由选择协议等)，它使应用进程看见的就好像是在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。根据应用需求的不同，因特网的运输层为应用层提供了两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。

二、运输层端口号、复用与分用的概念

1.端口号

1.运行在计算机上的进程使用进程标识符PID来标志。
因特网上的计算机并不是使用统一的操作系统，不同的操作系统(windows, 2.Linux, Mac OS)使用不同格式的进程标识符。
3.为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程之间能够进行网络通信,就必须使用统一的方法对TCP/IP体系的应用进程进行标识。

TCP/IP体系的运输层使用端口号来区分应用层的不同应用进程。

2.复用和分用的概念

1.对于收发双方的应用进程，发送方的某些应用进程所发送的不同应用报文，在运输层使用UDP协议进行封装，称为UDP复用。
2.另一些应用进程所发送的不同应用报文，在运输层使用TCP协议进行封装，称为TCP复用。
3.运输层使用端口号来区分不同的应用进程，不管是使用运输层的UDP协议封装成的UDP用户数据报，还是使用TCP协议封装成的TCP报文段，在网络层都需要使用IP协议封装成IP数据报，称为IP复用。

(1)IP数据报首部中协议字段的值用来表明IP数据报的数据载荷部分封装的是何种协议数据单元，取值为6，表示封装的是TCP报文段；取值为17，表示封装的是UDP用户数据报。
(2)接收方的网络层收到IP数据报后进行IP分用，若IP数据报首部中协议字段的值为17，则把IP数据报的数据载荷部分所封装的UDP用户数据报上交运输层的UDP；若协议字段的值为6，则把IP数据报的数据载荷部分所封装的TCP报文段上交运输层的TCP。
(3)运输层对UDP用户数据报进行UDP分用，对TCP报文段进行TCP分用，也就是根据端口号将它们交付给上层相应的应用进程。

TCP/IP体系的应用层常用协议所使用的运输层的端口号

三、UDP和TCP的对比

下图所示的是TCP/IP体系结构，运输层有两个非常重要的协议UDP和TCP。
TCP/IP体系结构应用层中的某些协议需要使用运输层的TCP提供的服务，而另一些协议需要使用运输层的UDP提供的服务，UDP是用户数据报协议的英文缩写词，TCP是传输控制协议的英文缩写词。

对比1：UDP是无连接的，而TCP是面向连接的。

对比2：UDP支持一对一、一对多以及一对全的通信。TCP仅支持单播，也就是一对一的通信。

对比3：UDP是面向应用报文的。TCP是面向字节流的。

对比4：UDP适用于实时应用，例如IP电话视频会议等。TCP适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输。

对比5： UDP不提供可靠传输服务，它仅仅在网际层的基础上添加了用于区分应用进程的端口，因此它的首部非常简单，仅有8个字节。TCP要实现可靠传输、流量控制拥塞控制等服务，其首部自然会比较复杂，首部中的字段比较多，首部长度也比较长。

小结：

四、TCP的流量控制

一般来说，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。
所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。

1.TCP接收方利用自己的接收窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小。
2.TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器。持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文。

seq是TCP报文段首部中的序号字段
seq的值表示TCP报文段数据载荷的第一个字节的序号
ACK是TCP首部中的标志位
ACK = 1 表示这是一个TCP确认报文段
ack是TCP报文段首部中的确认号字段 取值表示此序号之前的数据已经全部正确接收
rwnd是TCP报文段首部中的窗口字段 取值表示自己的接受窗口大小

当发送窗口被调控为0时就不能发送数据了，这时候如果接受方发送的非零窗口的通知丢失了，就会发生死锁问题。使用持续计时器解决TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器。持续计时器超时后，向接收方 TCP发送零窗口探测报文。

即使接受窗口为0，也必须接收零窗口探测报文段、确认报文段、携带有紧急数据的报文段。当零窗口探测报文段丢失时，也会有重传计时器，若超时则重传。

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（TCP流量控制详细分析：https://blog.csdn.net/HUAI_BI_TONG/article/details/118651119）

五、TCP的拥塞控制

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞。
若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

TCP拥塞控制四种算法

拥塞窗口cwnd，发送窗口swnd，慢开始门限ssthresh

当重传计时器超时，则判断网络可能出现了拥塞，进行如下工作：

1.个别报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞，这个时候执行拥塞避免算法，重新把拥塞窗口cwnd设置为1，会降低传输效率。
2.采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失所谓快重传，就是使发送方尽快进行重传，而不是等超时重传计时器超时再重传。
3.要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。
4.发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的超时重传。
5.对于个别的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误以为出现了拥塞，使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

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（TCP拥塞控制详细分析：https://blog.csdn.net/HUAI_BI_TONG/article/details/118651119）

六、TCP超时重传时间的选择

假设主机A和B是因特网上的两台主机，它们之间已经建立了TCP连接，纵坐标为时间。现在，主机A给主机B发送TCP数据报文段0，并记录下当前的时间，主机B收到后给主机A发送相应的确认报文段，主机A收到确认报文段后记录下当前的时间。主机A记录下的这两个时间，它们的差值就是报文段的往返时间RTT。由于这是第0个报文段的RTT，我们就用RTT0来表示。

如果我们将超时重传时间RTO的值设置的比RTT0的值小，这会引起报文段不必要的重传，使网络负荷增大。

如果将超时重传时间RTO的值设置的远大于RTT0的值，这会使重传推迟的时间太长，使网络的空闲时间增大，降低了传输效率。

我们能得到下面的理解，超时重传时间RTO的值应该设置为略大于报文段往返时间RRT的值。

RFC6298建议使用下式计算超时重传时间RTO：
由上我们可以发现，不管是RTT_S 还是RTT_D都是基于所测量到的RTT样本进行计算的。如果所测量到的RTT样本不正确，那么所计算出的RTT_S和RTT_D自然就不正确，进而所计算出的超时重传时间RTO也就不正确。

七、TCP可靠传输的实现

八、TCP的运输连接管理

TCP连接有三个阶段：
1.建立TCP连接
2.数据传送
3.释放TCP连接
TCP的运输连接管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行。

1.TCP的连接建立

使用两报文握手是否可以建立连接？

不能，因为假如一个失效的TCP连接请求延迟与TCP服务器建立连接，而此时TCP客户主机是处于连接关闭状态不会理会，则TCP服务器会一直处于连接已建立状态会浪费资源。

2.TCP的连接释放

FIN终止位。
第三个报文段的ack = u+1是对第一个报文段的重复确认，seq=w说明第二个报文段可能还有数据进行传输。

保活计时器

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（TCP的运输连接管理详细分析：https://blog.csdn.net/HUAI_BI_TONG/article/details/118672369）

九、TCP报文段的首部格式

为了实现可靠传输，TCP采用了面向字节流的方式。
但TCP在发送数据时，是从发送缓存取出一部分或全部字节并给其添加一个首部使之成为TCP报文段后进行发送。
一个TCP报文段由首部和数据载荷两部分构成；
TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。

TCP报文段的首部格式：

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链接: 湖南科技大学《计算机网络》配套课件（PDF版）