Chapter3 传输层¶

3.1 简介¶

运输层协议为运行在不同主机上的应用进程之间提供了逻辑通信。

逻辑通信，不相连的主机像仿佛相连一样，可以直接通信。

运输层协议实现在端系统中。运输层将从发送应用程序进程收到的报文转换成运输层分组（报文段），网络层将报文段封装称数据报，向目的地发送。网络路由器仅作用于该数据报的网络层字段。

3.1.1 运输层与网络层的关系¶

网络层提供了主机之间的逻辑通信。

运输层为运行在不同主机上的进程之间提供了逻辑通信。

3.1.2 因特网运输层概述¶

运输层协议¶

UDP（用户数据报协议）

不可靠、无连接

TCP（传输控制协议）

可靠、面向连接

TCP¶

TCP服务可以提供：

1。面向连接的服务

建立TCP连接在两个通信进程的套接字之间。
该连接全双工，报文发送结束拆除连接。

2。可靠数据传输服务

传输保证
无差错
按适当顺序交付
无字节的丢失和冗余

3。拥塞控制

网络出现拥塞时，抑制发送端发送数据，改善网络环境

UDP¶

仅提供了最小服务的轻量级运输协议，提供无连接、不可靠、不保证顺序的数据传输服务，且没有拥塞控制机制。

UDP可以选定任何速率向网络层注入数据。

网络层协议¶

IP（网际协议）

服务模型：尽力而为交付服务，IP尽其最大努力，在通信的主机之间交付报文段，但不做任何确保：
不确保报文段是否能交付
不确保按序交付
可靠性：不可靠
唯一性：每台主机只有一个IP地址

3.2 多路复用&多路分解¶

UDP和TCP的基本职责：

将端系统之间（主机之间）IP的交付服务拓展为运行在端系统上的两个进程之间的交付服务，这个又被称为运输层的多路复用&多路分解。

多路复用&多路分解即一种职责，是运输层协议的基本责任。

多路分解：将运输层报文段中的数据交付到正确的套接字的工作。

多路复用：

从源主机的不同套接字中收集数据块
并为每个数据块封装上首部信息，从而生成报文段
再传递至网络层

如果要满足多路复用&多路分解则需要：

套接字有唯一标识符
每个报文段要能指出被交付到的套接字

于是在报文中，我们通过增加源端口号、目的端口号来进行标识，每个字段16bits，大小在0-65535。

无连接的多路复用&多路分解¶

一个UDP的套接字是由一个二元组来标识的，这个二元组包含目的IP地址和目的端口号，不同的源端口发送的信息，只要目的IP地址与端口一致，将会被送到同一进程。

源端口号用于回传信息，是返回地址的一部分。

面向连接的多路复用&多路分解¶

TCP的套接字是一个四元组，包括目的IP地址，目的端口号，源IP地址和源端口号。

两个不同源相同目的地址的报文段将被定位到不同的套接字，除非TCP报文段携带了初始创建连接的请求。

3.3 无连接运输：UDP¶

相比较于IP协议，UDP提供了多一点的复用分解服务，以便网络层与正确的应用进程之间传递数据（可以定位到给那个应用程序）。

使用过程：

从应用程序获得数据
封装上源、目的端口号
将报文段交给网络层

UDP优点：

可以较为精细的控制传输传输时间，相比较于TCP而言
无需建立连接
不需要维护连接状态
首部开销小（TCP报文段首部开销20字节，UDP报文段首部开销8字节）

3.3.1 报文段结构¶

UDP首部四个字段，每个字段2个字节。

源端口号
目的端口号
长度

长度字段指示了UDP报文段中的字节数（首部+数据）

检验和

检验是否出现差错

3.3.2 检验和¶

略

3.4 可靠数据传输原理¶

这里研究，如何借助不可靠的协议构建一个可靠的传输信道。《计算机网络》书提出了几种协议，逐步推导出一个可靠的传输协议。该书上使用代码进行表示，《自顶向下》使用FSM（有限状态机）表示。

《计算机网络》（即教材中）总共构建了6种协议，这里都会涉及。

3.4.1 构建可靠数据传输协议¶

协议1：理想状态下完全可靠的数据传输¶

在这个协议中,数据只能单向传输。发送方和接收方的网络层总是处于准备就绪状态。数据处理的时间忽略不计。可用的缓存空间无穷大。最强的一个条件是数据链路层之间的通信信道永远不会损坏帧或者丢失帧。这个完全不现实的协议我们给它一个昵称“乌托邦”( Utopia)

协议2：无错信道上的单工停-等式协议¶

处理这样的问题:

发送方以高于接收方能处理到达帧的速度发送帧，导致接收方被淹没。这种情形实际上很容易出现，因此协议是否能够防止它非常重要。

然而, 我们仍然假设通信信道不会出错，并且数据流量还是单工的。

解决方案：

建立足够强大的接收器,使其强大到能处理一个接着一个帧组成的连续流。
让接收方给发送方提供反馈信息。接收方将数据包传递给网络层之后给发送方返回一个小的哑帧，实际上这一帧的作用是给发送方一个许可，允许它发送下一帧。发送方在发出一帧之后，根据协议要求，它必须等待一段时间直到短哑帧（即确认）到达。

发送方发送一帧，等待对方确认到达后才能继续发送,这样的协议称为停·等式协议

协议3：有错信道上的单工停-等式协议¶

常见问题的情形：

通信信道可能会出错。帧可能会被损坏，也可能完全被丢失。然而，我们假设，如果一帧在传输过程中被损坏，则接收方硬件在计算校验和时能检测出来。

如果一帧被损坏了之后校验和仍然是正确的（数据错误但是没能检测出），那么这个协议（以及所有其他的协议）将会失败（即给网络层递交了一个不正确的数据包）。

重申：

数据链路层目标：

机器A上的网络层将数据交给A的数据链路层，想要把数据传递给机器B。

数据链路层A必须将数据包丝毫不差地传递给数据链路层B，并由它传递给机器B的网络层。

丝毫不差：

错包
重复
丢失

协议待解决问题

包完整性确认

采用接收端返回确认帧进行确认的方式。

确认帧的防丢失处理

解决方案：

在一个协议中，发送方在发送下一个数据之前必须等待一个肯定确认。

这样的协议称为自动重复请求( ARQ , Automatic Repeat reQuest)或带有重传的肯定确认( PAR, Positive Acknowledgement with Retransmission)。

帧序号

帧序号只有0和1。原因是，发送一个帧是建立在前一个帧已经发送的情况下的，比如目前已经接收到了序号为0的帧，目标接收是序号为1的新帧，此时传来序号为0的帧即认为是重复帧。

event

协议3中有三种事件

frame_arrival

一帧数据到达接收方然后出发此事件。

cksum_err
timeout
定时器timer

3.4.2 流水线可靠数据传输协议¶

协议三的性能瓶颈在于它是一个停等协议。解决方式是改造成流水线的模式，不再等待一个响应。

需要解决的问题：

必须增加序号的范围
协议的发送接收方必须可以缓存多个分组
所需序号范围和对缓冲的要求取决于数据传输协议如何处理丢失、损坏和延时打的分组。

解决流水线的差错恢复，有两种办法：

回退N步
选择重传

协议4：1位滑动窗口协议¶

和协议三效果相同。

协议5：回退N协议¶

概念¶

回退N步（GBN）协议中，允许发送方发送多个分组而不需等待确认，流水线中未确认的分组数不能超过某个最大的允许值N。

一个窗口大小为4的例子：

GBN中，接收方丢弃所有失序分组。
滑动窗口指的是发送方窗口的滑动，当发送方接收到连续的ACK时，窗口进行滑动。
超时之后发送所有分组。

窗口大小¶

窗口大小w选择多大合适呢？

即。

协议6：选择重传协议¶

概念¶

解决GBN的性能问题，因为一个分组的失效，必须重传其后所有的分组，效率很低。

选择重传仅重传了有错的分组。

注意：《计算机网络第五版》 P181页配图有误。
图b表示选择重传。
接收3分组到后返回NAK是对2分组丢失的回应。在接收到NAK之后，发送方立即重传有问题的分组。接收到分组2之后，返回ACK5的原因是，之前的已经排序好了，发送ACK5提示发送方之前传送的已经没有问题。
这是一种SR的策略。

一个例子。

这里我们认为，发送方和接收方都有一个窗口，发送方只有接收到ACK回应，才会移动发送窗口；接收方只有最小序号接收到分组，才会向后滑动。
这是另一种SR策略。
值得注意的是，《自顶向下》和《计算机网络》关于SR的论述有不一样的地方，《计算机网络》引入NAK的概念，这也是这一节第一个图的来源原因。

窗口长度¶

窗口长度必须小于等于序号空间大小的一半。

在这个栗子中，如果只看中间竖面的右侧部分，发现结果是一样的，然而造成这样结果的发送方传递方式却存在歧义。
所以窗口长度不宜过大。

3.5 面向连接的运输：TCP¶

3.5.1 TCP连接¶

TCP连接需要进行相互“握手”，目的是为了确保数据传输的参数。TCP连接提供点对点的全双工服务。

TCP可以从缓存中取出并放入报文段中的数据数量，受限于最大报文段长度（MSS）。TCP连接的组成包括：

两台主机上的缓存
变量
与进程连接的套接字

MSS和MTU各是什么，二者是什么关系？
答案：MSS是TCP最大报文段长度，就是TCP发送数据需要对数据分段时，最大的段的字节数。MTU是最大传输单元，通常由网卡的硬件特性规定，表示通过该网卡传输的数据单元最大的字节数。 MSS要受同一台机器上的MTU限制。比如MTU为1500字节，那么MSS就只能是1460字节，这是因为1460字节的数据在通过网卡向外传输时，会加上20字节的ip头和20字节的tcp头。

3.5.2 TCP报文段结构¶

TCP首部一般为20字节。

32bits序号字段，确认号字段

实现可靠数据传输服务。

TCP将数据看成一个无结构的、有序的字节流。

假设主机A通过TCP给主机B发送数据流。

A隐式的对数据流中的每一个字节编号
假设MSS为1000字节
数据流的首字节为0号

这个号码就是序号字段。

主机A填充进报文段段确认号，是主机A期望从主机B收到的下一字节的序号。一个例子：

16bits接收窗口

用于流量控制，表示接收方愿意接受的字节数量。

3.5.3 时间估计¶

略

3.5.4 可靠数据传输¶

由序号字段和确认字段衍生出来的几个传输确认的例子：

3.5.5 流量控制¶

TCP通过让发送方维护一个成为接受窗口的变量，来提供流量控制的效果。

3.5.6 TCP连接管理¶

建立一个TCP连接¶

1.

客户端TCP向服务器端TCP发送一个特殊的TCP报文段（被称为SYN报文段）

该报文段中不包含应用层数据（实际传输的数据），在首部的一个标识位（即SYN比特）被置为1。

客户随机选择一个初始序号（client_isn），将此编号放置于该其实的TCP SYN报文段的序号字段中。

2.

TCP SYN报文段到达服务器主机，服务器从数据报中提取出TCP SYN报文段，并为其分配TCP缓存与变量（TCP连接建立前分配资源，容易受到SYN洪泛攻击）
向该TCP客户端发送允许连接的报文段（被称作SYNACK报文段），报文段中：
SYN比特被置为1
TCP报文首部确认号字段被置为 client_isn + 1
服务器选择自己的序号server_isn，放入序号字段中。

3.

收到SYNACK报文段后，客服端分配TCP缓存与变量
客户端主机向服务器发送一个报文段
将server_isn + 1 作为确认号字段
SYN比特置为0
序号字段为 client_isn + 1
可携带需要传输的数据

拆除一个TCP连接¶

参与TCP连接的两端都可以选择终止连接。

客户应用进程想要关闭连接，于是发送一个特殊的TCP报文段。
报文段中首部有一个FIN比特标识位，被设置为1
服务器收到报文段后，返回一个确认报文段
服务器发送自己的终止报文段
报文段中首部有一个FIN比特标识位，被设置为1
客户端对终止报文段进行确认

3.6-3.7 拥塞控制¶

详见《RDMA...》那篇论文的解读