【计算机网络】运输层

计算机网络运输层

• 1、运输层
• 2、用户数据报协议 UDP
• 3、传输控制协议 TCP
• 4、TCP数据报
• • 4.1 格式
  • 4.2 字段
• 5、TCP发送窗口机制
• • 5.1 以字节为单位
  • 5.2 发送缓存
  • 5.3 接收缓存
  • 5.4 超时重传
• 6、TCP确认机制
• 7、TCP运输连接
• • 7.1 连接建立（三次握手）
  • 7.2 数据传送
  • 7.3 连接释放（四报文握手）
• 8、TCP的拥塞控制算法及应用
• • 8.1 拥塞控制算法
  • 8.2 拥塞的判断
  • 8.3 拥塞控制流程图

1、运输层

功能：负责两个进程之间的通信（TCP、UDP）；复用、分用
数据单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）
运输层只存在于分组交换网外面的主机中
地位

• 面向通信部份的最高层
• 用户功能中的最底层

网络层为主机之间提供逻辑通信
运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信
运输协议

• 面向连接的TCP
  ｜ 全双工的可靠通信
• 无连接的UDP
  ｜ 不可靠信道
• 对比

2、用户数据报协议 UDP

提供无连接服务
在传送数据之前不需要先建立连接
数据单位：UDP报文或用户数据报
不可靠交付
UDP特点
    （1）UDP是无连接的
    （2）UDP使用尽最大努力交付
    （3）UDP是面向报文的
    （4）UDP没有拥塞控制
    （5）UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
    （6）UDP的首部开销小

3、传输控制协议 TCP

提供面向连接的服务
数据单位：TCP报文段
不提供广播或多播服务
提供可靠的、面向连接的运输服务
TCP特点
    (1) TCP是面向连接的运输层协议
    (2) 每一条TCP连接只能有两个端点（点对点）
    (3) TCP提供可靠交付的服务
    (4) TCP提供全双工通信
    (5) 面向字节流

4、TCP数据报 4.1 格式

首部（最小长度为20字节）

4.2 字段

• 源端口、目的端口：各占2字节
• 序号：4字节，给传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号
  ｜ 值为本报文段所发送的数据报的第一个字节的序号
• 确认号：4字节，期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号
• 确认ACK：只有当ACK=1时确认字段才有效
• 数据偏移：4字节，单位为32位字（4字节）
• 保留：6位
• 紧急URG：当URG=1时，表明紧急指针字段有效
• 紧急指针字段：16位，指出本报文段中紧急数据共有多少个字节
• 推送PSH：接收TCP收到PSH=1的报文段，就尽快交付接收应用进程，而不是等整个缓存填满后在交付
• 复位RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放来凝结，然后重新建立运输连接
• 同步SYN：当SYN=1，这是一个连接请求或连接接收报文
• 终止FIN：用来释放一个连接，当FIN=1表明此报文段是其发送的最后数据，并要求释放运输连接
• 窗口：2字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节
• 校验和：2字节
• 选项：MSS（TCP报文段中的数据字段的最大长度）

5、TCP发送窗口机制 5.1 以字节为单位

5.2 发送缓存

• 发送应用程序传送给发送方TCP准备发送的数据
• TCP已发送出但尚未收到确认的数据
  

5.3 接收缓存

• 按序到达的、但尚未被接受应用程序读取的数据
• 不按序到达的数据
  
• 发送窗口并不总是和接收窗口一样大
• TCP标准没有规定不按序到达的数据应如何处理。通常是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程
• TCP要求接收方必须有累计确认的功能，这样可以减小开销

5.4 超时重传

TCP采用了一种自适应算法

• 记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间之差就是报文段往返时间RTT
• TCP保留了RTT的一个加权平均往返时间RTTs（平滑的往返时间）
• 第一次测量到RTT样本，RTTs值就取为所测量的RTT样本值。以后每测量到一个新的RTT样本，新的RTTs = （1-a）（旧的RTTs）+a（新的RTT样本）
  ｜ 0<=a<1，RFC6298推荐的a值为1/8，即0.125

超时重传时间RTO

• 应略大于加权平均往返时间RTTs
• RTO=RTTs+4*RTTD
  ｜ RTTD是RTT偏差的加权平均值
• 第一次测量时，RTTD取RTT样本的一半
• 之后：新的RTTD = （1-β）（旧的RTTD）+β|RTTs-新的RTT样本|
  ｜ β是一个小于1的系数，推荐值为1/4，即025

若报文重传

• 新的RTO = γ*（旧的RTO）
  ｜ γ经典值为2

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6、TCP确认机制

停止等待协议
    发送分组后，暂停发送，等待接收端的确认（ACK）。收到确认之后再次开始发送
    确认丢失
    确认迟到

选择确认SACK（滑动窗口机制中）
    只传送缺少的数据，而不重传已经正确到达接受方的数据
    接受方收到了和前面的字节流不连续的两个字节块
    如果这些字节的序号都在接收窗口之内，那么接受方就先收下这些数据，但要把这些信息准确的告诉发送方，使发送方不再重复发送这些已收到的数据

7、TCP运输连接 7.1 连接建立（三次握手）

三次握手是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了，因而产生错误

7.2 数据传送

7.3 连接释放（四报文握手）

A必须等待2MSL时间

• 为了确保A发送的最后一个ACK报文段能够达到B
• 防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。

8、TCP的拥塞控制算法及应用

• TCP采用基于窗口的方法进行拥塞控制（闭环控制方法）
• TCP发送方维持一个拥塞窗口CWND
• 慢开始门限ssthresh
  ｜ 防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络堵塞

8.1 拥塞控制算法

慢开始（cwnd

• 从小到大逐渐增大拥塞窗口数值
• 每一轮cwnd的增加量 = min(N, SMSS)
  
  N是原先未被确认，现在被刚收到的确认报文段所确认的字节数

拥塞避免（cwnd>ssthresh）（加法增大）

• cwnd缓慢增大，即每次cwnd加1，拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长

快重传
快恢复（乘法减小）

• 不执行慢开始，而是执行快恢复
• ssthresh = cwnd/2
• cwnd = ssthresh
• 开始执行拥塞避免算法

8.2 拥塞的判断

重传定时器超时

• ssthresh = max(cwnd/2, 2)
• cwnd=1
• 执行慢开始算法

收到三个相同（重复）的ACK

• 执行快重传算法

8.3 拥塞控制流程图