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传输层

传输层服务​

功能​

向应用层提供通信服务，属于面向通信部分的最高层，也是用户功能中的最底层；为不同主机上的进程提供了逻辑通信，而网络层为主机之间提供逻辑通信，即使网络层协议不可靠（分组丢失、混乱或重复），传输层也能为应用程序提供可靠的服务。

功能如下：

  1. 端到端的逻辑通信，逻辑通信是指逻辑上是同层直接的传输；
  2. 复用和分用（网络层也有），发送方的不同进程可以使用同一个传输层协议，接收方剥去报文首部后可以将数据交付给正确的目的进程；
  3. 差错检验，而网络层只检查 IP 首部；
  4. 提供面向连接的 TCP 和无连接的 UDP，网络层要么提供虚电路，要么提供数据报；

寻址和端口​

tip

端口能够让应用层的各种应用进程将数据通过端口交给传输层，以及让传输层知道端口与应用的对应；端口是传输层服务访问点（TSAP），类似于 IP 地址在网络层或 MAC 地址在数据链路层的作用，但端口标识应用进程，后两者标识主机。

端口号长 16bit，能够标识 65536 个不同的端口号，只具有本地意义，可以分为两类：

  1. 服务器端使用的端口号，一种是 熟知端口号，0∼10230\sim 1023，由 IANA（互联网地址指派机构）指派给 TCP/IP 的重要应用，另一类为 登记端口号，1024∼491511024\sim 49151，必须在 IANA 登记，防止重复；
  2. 客户端使用的端口号，49152∼6553549152\sim 65535，仅在客户进程运行时才动态选择，又称为 短暂/临时端口号，通信结束后就释放；

熟知端口号

FTPTELENTSMTPDNSFHTPHTTPSNMP
212325536980161

套接字，由 IP 地址和端口号组成，唯一标识一台主机上的一个应用进程。

UDP 协议​

UDP 数据报​

tip

仅在 IP 数据报服务上增加了两个最基本的服务：复用和分用，差错检测，由如下优点：

  1. 无须建立连接；
  2. 无连接状态，消耗更小；
  3. 分组首部开销小；
  4. 应用层能更好控制发送的数据和时间，UDP 没有拥塞控制；
  5. 支持一对一、一对多、多对一和多对多。

比较适合于一次传输较少数据的应用，如 DNS、SNMP 等，或者一些多媒体（IP 电话、实时视频会议、流媒体等）。

首部格式​

长 8B，四个字段均分，分别为：

  1. 源端口，需要对方回信时才用，不需要时全为 0；
  2. 目的端口，终点交付报文时必须用到；
  3. 长度，UDP 数据报的长度（包括首部和数据），最小是 8，即仅有首部；
  4. 校验和，可选，不选全为 0；

校验​

计算校验和时要向 UDP 数据报（包含真实的首部）前增加 12B 的伪首部，单纯用于计算校验和，伪首部有 4B 的源 IP 地址、目的 IP 地址、1B 的 0 和 17（标识使用 UDP 协议），以及 2B 的 UDP 长度。

若数据部分长度不是偶数字节，则填充 0，将数据报视为很多 16 位的字串，通过二进制反码求出这些 16 位字的和，将和写入校验和字段；接收方检验也是相同操作。

TCP 协议​

特点​

解决传输的可靠、有序、无丢失和不重复问题，主要特点有：

  1. 面向连接，是一条逻辑连接；
  2. 点对点、是一对一的；
  3. 提供可靠交付服务；
  4. 提供全双工通信，TCP 连接的两端都有发送和接收缓存；
  5. 面向字节流；

UDP 长度由发送报文决定，而 TCP 报文长度根据接收方 窗口值 和 网络拥塞程度 控制；

TCP 报文段​

首部前 20B 是固定的，有一些可选项，数据部分为 4B 的整数倍。首部包括：

  1. 2B 的源端口和目的端口；
  2. 4B 的序号；
  3. 4B 的确认号，期望对方下一个报文段的序号，若确认号为 N，则表示 N-1 及之前的报文都正确收到；
  4. 4 位的数据偏移，表示数据段距离报文段的起始处有多远；单位是 32 位 4B，因此 TCP 首部的最大长度为 60B；
  5. 6 位的保留，为今后使用，置零；
  6. 紧急位 URG，1 位，表示应该尽快传送；
  7. 确认位 ACK，1 位，连接建立后的所有 ACK 都是 1；
  8. 推送位 PSH（push），1 位，表示应该尽快交付给接受应用，而不是等缓存满了再上交；
  9. 复位位 RST（reset），表示连接出现严重差错，需要重新连接；
  10. 同步为 SYN，表示这是一个连接请求或连接接受报文；
  11. 终止位 FIN，释放连接；
  12. 窗口，2B，表示现在允许对方发送的数据量；单位字节；
  13. 校验和，2B，包括首部和数据两部分，计算时同样要加上 12B 的伪首部，只需要将协议字段的 17 改为 6，长度改为 TCP 长度，其余和 UDP 一致；
  14. 紧急指针，2B，指出紧急数据有多少字节，紧急数据在数据段的最前面，因此相当于指针；
  15. 选项，可变长度，最初只规定了一种选项，最大报文段长度（MSS），表示数据字段的最大长度；
  16. 填充，使整个首部的长度是 4B 的整数倍。
tip

一般 MSS 不能太小也不能太大，因为首部会占用一部分，太小了利用率低，太大了 IP 传输时会分片。

TCP 连接管理​

分为三个阶段：

  1. 连接建立，要确保双方感知对方存在，允许双方协商参数，如最大窗口值等，能够对运输实体资源进行分配，如缓存大小等；
  2. 数据传送；
  3. 连接释放。

TCP 把连接作为最基本的抽象，其连接的断电不是主机、IP 地址也不是应用，而是 套接字，每条 TCP 线路被两个端点套接字确定；

连接的建立采用客户服务器模型，主动发起连接建立的是 客户。

三次握手，服务器进程需要始终保持监听状态，等待用户连接请求

  1. 客户向服务器发送 连接请求 报文，其中同步位 SYN 置 1，同时选择一个初始序列号 x；TCP 规定，该协议不能携带数据，但要消耗掉一个序号；
  2. 若服务器同意连接，则发回确认，同时为该 TCP 连接分配缓存和变量；确认报文中 SYN 和 ACK 都为 1，确认号则是 x+1，同时为自己选择一个序号 y，同样不能携带数据以及需要消耗序号；
  3. 当客户受到确认时，还要向服务器发送确认，并且分配缓存和变量；ACK 为 1，确认号 y+1，需要 x+1，可以携带数据，如不携带数据则不消耗序号。
caution

由于服务器端的资源在第二次握手分配资源，容易遭到 SYN 洪泛攻击。

三次握手可以防止失效的请求到达服务器，如第一次连接请求在某个结点长时间滞留，客户超时重发，建立连接后关闭，此时第一次的连接请求到达服务器，服务器将会一直等待。

若使用相同固定的序号建立连接，在频繁建立连接的双方中会出现问题。

四次挥手：

  1. 客户向服务器发送 释放报文 段，FIN 为 1，序号为 u，等于前面已传送过的数据的最后一个字节序号加 1，即使不带数据，也消耗序号；
  2. 服务器回复确认，ack 为 u+1，seq 为 v，等于前面已传送过的数据的最后一个字节序号加 1，此时处于半关闭状态，但服务器若要发送数据，客户仍要接收，因为服务器到客户的 TCP 连接还未关闭；
  3. 若服务器没有向客户机发送的数据，就通知 TCP 释放连接，FIN 为 1，序号为 w（因为中间可能服务器又发送了一些数据），确认号仍然是上次的 u+1；
  4. 客户还必须返回确认，ack 为 w+1，序号为 u+1 ，再等待 2MSL（最长报文段寿命）后才进入连接关闭状态。
tip

等待 2MSL 的原因是确保返回的确认报文段到达服务器，否则客户关闭而服务器一直不能关闭；

可靠传输​

TCP 为每个传输的字节都编上序号，序号是数据段第一个字节的序号；发送方会缓存已发送但还未受到确认的数据，若传输出现问题，只需要让确认号为丢失的字节序号即可。

当超时未受到确认帧时，重传该报文；采用自适应算法，记录 RTT 往返时间（数据报和收到相应确认的时间差），并进行加权求平均 RTTsRTT_{s}；RTO 超时重传时间应该稍微大于 RTTsRTT_{s}。

当接受到比期望序号更大的数据段时，发送三个 冗余 ACK 表示 后一个 序号的字节丢失，会重传丢失的字节；属于选择重传，

流量控制​

基于滑动窗口协议的流量控制机制，基本原理 见，并且允许在通信过程中调整窗口大小。

拥塞控制​

发送窗口的上限取拥塞窗口和接收窗口中的较小者。

慢开始：先令拥塞窗口为 1，每受到一个确认则窗口加倍；

拥塞避免：当拥塞窗口达到一个门限值时，就开始线性增长，直到发生拥塞，此时门限值减小为出现拥塞时拥塞窗口的一半，并重新从慢开始增大窗口大小。

caution

慢开始增长的拥塞窗口也不能超过门限值。

快重传：当受到冗余 ACK 时，不必等待重传计时器超时，直接重传；

快恢复：当受到冗余 ACK 时将门限值设为当前拥塞窗口的一半，同时拥塞窗口也折半而不是从 1 开始，并开始线性增长。

caution

后面两种是接收到冗余 ACK 才会使用，因为虽然此时网络拥塞导致丢失数据，但是至少 3 个冗余 ACK 仍然被正确交付了，因此网络拥塞没有太严重，所以直接从门限开始。