计算机网络之传输层

Posted 2021-03-25 loveer

传输层提供了应用进程间的逻辑通信。
传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看见的好像在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。
传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。
传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。

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。

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 滑动窗口

窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口：

    接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

    发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。

    如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，
    直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态；
    接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。


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:

    例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 32, 34, 35}，其中 {31, 32} 按序到达，而 {34, 35} 就不是，
    因此只对字节 32 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

TCP 可靠传输

TCP 使用超时重传来实现可靠传输：
    如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

TCP 流量控制

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。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。
例如将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

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。