计算机网络 - 传输层

骑猪看日落 2022-12-02 15:23 301阅读 0赞

# 一、传输层 #

为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议：传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。

## UDP和 TCP的特点 ##

### 1. UDP ###

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）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），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

### 2. TCP ###

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）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），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

### 3. UDP 和 TCP 的比较和区别 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>UDP</th> 
   <th>TCP</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>是否连接</td> 
   <td>无连接</td> 
   <td>面向连接</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>是否可靠</td> 
   <td>不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制</td> 
   <td>可靠传输，使用流量控制和拥塞控制</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>连接对象个数</td> 
   <td>支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信</td> 
   <td>只能是一对一通信</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>传输方式</td> 
   <td>面向报文</td> 
   <td>面向字节流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>拥塞控制</td> 
   <td>没有</td> 
   <td>有</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>首部开销</td> 
   <td>首部开销小，仅8字节</td> 
   <td>首部最小20字节，最大60字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>适用场景</td> 
   <td>适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）</td> 
   <td>适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## UDP 首部格式 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
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临时添加的。

## TCP 首部格式 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

*  **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。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，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。

## TCP 的三次握手 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

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。
 *  （第一次握手）A 向 B 发送连接请求报文，同部位 SYN=1，选择一个初始的序号 seq=x。此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。  
    `（TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。）`
 *  （第二次握手）B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态  
    `（这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。）`
 *  （第三次握手）A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，ACK=1，确认号为 y+1，序号为 x+1。此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。  
    `（TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。）`
 *  B 收到 A 的确认后，也进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，此后双方就可以开始通信了。

### 1. 三次握手的原因 ###

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留，那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后，就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器，如果不进行三次握手，那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手，客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，不进行第三次握手，因此就不会再次打开连接。

## TCP 的四次挥手 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

*  （第一次挥手）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。  
    `（TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。）`
 *  （第二次挥手）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。`TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。`这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
 *  客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文`（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）`。
 *  （第三次挥手）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
 *  （第四次挥手）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。`注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。`
 *  服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。`可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。`

### 1. 为什么客户端最后还要等待2MSL？ ###

MSL（Maximum Segment Lifetime，报文段最大生存时间），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

### 2. 四次挥手的原因 ###

关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

## 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。

### 1. 报文段往返时间 RTT ###

一个报文段从发送再到接收到相应的确认所经过的时间称为往返时间 RTT。

### 2. 加权平均往返时间 RTTs ###

当第一次测量到 RTT 样本时，RTTs = RTT，但后面每测量到一个新的RTT，就按以下公式重新计算一次RTTs  
![在这里插入图片描述][20200924172747825.png_pic_center]

其中，0 ≤  α \\alpha α＜ 1，RTTs 随着  α \\alpha α 的增加更容易受到 RTT 的影响，（RFC 6298 推荐的  α \\alpha α 值为 0.125）。

### 3. 超时重传时间 RTO ###

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，第一次的超时重传时间 RTO 一般设置为 6秒左右，后面的 RTO 按照以下公式来计算：

![在这里插入图片描述][20200901193217504.png_pic_center]  
RTTd 是 RTT 的偏差的加权平均值，它与 RTTs 和新的 RTT 样本之差有关。  
`当发生超时重传时，将不采用超时重传返回的 RTT。若数据被重发后还是收不到确认应答，则进行再次发送。此时的 RTO 将以2倍、4倍的指数函数延长。一旦不再发生超时重传的情况，才重新根据上面的公式来继续计算超时重传时间 RTO。`

### 4. RTTd ###

当第一次测量时，RTTd为测量到的 RTT 样本值的一半。在以后的测量中，则使用以下公式来计算加权平均的RTTd：

![在这里插入图片描述][20200901194333586.png_pic_center]

β \\beta β 的推荐值为0.25

## 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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

发送窗口内的字段都允许被发送，接收窗口内的字段都允许被接收。如果发送窗口左部的字段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，直到左部第一个字段不是已发送并且已确认的状态；接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字段已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。

## TCP 窗口控制与重发控制 ##

### 1. 考虑确认应答未能返回的情况 ###

在这种情况下，数据已经到达对端，是不需要再进行重发的。然而，在没有使用窗口控制的时候，没有收到确认应答的数据都会被重发。

使用了窗口控制，就如图6.17所示，某些确认应答即便丢失也无需重发，可以通过下一个确认应答进行确认。如下图的红色方框是没有接收到的应答，但是可以通过绿色方框的应答来进行确认。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

### 2. 考虑某个报文段丢失的情况 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
如图6.18所示，接收主机如果收到一个自己应该接收的序号以外的数据时，会针对当前为止收到数据返回确认应答（不过即使接收端主机收到的包序号并不连续，也不会将数据丢弃而是暂时保存至缓冲区中。） 。

如图6.18所示，当某一报文段丢失后，发送端会一直收到序号为1001的确认应答，在窗口比较大，又出现报文段丢失的情况下，同一个序号的确认应答将会被重复不断地返回。而发送端主机如果连续3次收到同一个确认应答（之所以连续收到3次而不是两次的理由是因为，即使数据段的序号被替换两次也不会触发重发机制。），就会将其所对应的数据进行重发。这种机制比之前提到的超时管理更加高效，因此也被称作高速重发控制。

# 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。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收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

*  接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；
 *  虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 1. 慢开始与拥塞避免 ##

发送的最初执行慢开始，令 cwnd = 1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 …

注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。

如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd / 2，然后重新执行慢开始。

## 2. 快重传与快恢复 ##

在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。

在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。

在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd / 2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。

慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

![(https://camo.githubusercontent.com/92094f367b0ad3247baead0b7b8e2e9f66dd6cc4/68747470733a2f2f63732d6e6f7465732d313235363130393739362e636f732e61702d6775616e677a686f752e6d7971636c6f75642e636f6d2f66363162353431392d633934612d346466312d386434642d6165643961653863633664352e706e67)][https_camo.githubusercontent.com_92094f367b0ad3247baead0b7b8e2e9f66dd6cc4_68747470733a2f2f63732d6e6f7465732d313235363130393739362e636f732e61702d6775616e677a686f752e6d7971636c6f75642e636f6d2f66363162353431392d633934612d346466312d386434642d6165643961653863633664352e706e67]

参考文献：  
[两张动图-彻底明白TCP的三次握手与四次挥手][-_TCP]  
[TCP的三次握手四次挥手][TCP]  
[面试官，不要再问我三次握手和四次挥手][Link 1]  
[CS-Notes/notes/计算机网络 - 传输层][CS-Notes_notes_ -]  
[一文搞懂TCP与UDP的区别][TCP_UDP]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW9uaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/ed6f2c494e5b4754a381fea70c510b9e.png
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[-_TCP]: https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891
[TCP]: https://juejin.im/post/6844903510119546887
[Link 1]: https://yuanrengu.com/2020/77eef79f.html
[CS-Notes_notes_ -]: https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C%20-%20%E4%BC%A0%E8%BE%93%E5%B1%82.md
[TCP_UDP]: https://blog.fundebug.com/2019/03/22/differences-of-tcp-and-udp/