计算机网络第五章传输层

5.1传输层概述

传输层的功能： 1.传输层提供进程和进程之间的逻辑通信 2.复用和分用 3.传输层对收到的报文进行差错检测 4.TCP与UDP

TCP：
面向连接的传输控制协议，传输数据前必须建立连接，数据传输结束后要释放连接，不提供广播或多播服务，由于TCP要提供可靠地面向连接的传输服务，增加了很多开销：确认，流量控制，计时器，连接管理
特点：可靠，面向连接，时延大，适用于大文件

UDP：无连接的数据报协议，传输数据前不需要建立连接，收到UDP报文后不需要给出任何形式确认
特点：不可靠，无连接，时延小，适用于小文件

传输层的寻址与端口：
复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层
分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程
端口：逻辑端口，软件端口，传输层的SAP(服务访问点)，标识主机的应用进程
端口号：只有本地意义，不同计算机的端口号毫无联系，长度为16bit，65536个不同端口号
服务端使用的端口号(熟知端口号0 ~ 1023,登记端口号1024 ~ 49151)
客户端使用的端口号(49152~65535)：仅在客户进程运行时才动态选择
在网络中采用发送方和接收方的套接字组合来识别端点，套接字唯一标识了网络中的一个主机和它上面的进程，套接字Socket=(主机IP地址，端口号)

5.2UDP协议

UDP只在IP数据报服务上添加了复用分用和差错检测功能
主要特点：
1.无连接，减少开销和发送数据之前的时延
2.UDP使用最大努力交付，不保证可靠交付
3.UDP是面向报文，适合一次性传输少量数据的网络应用
4.UDP无拥塞控制，适合很多实时应用

UDP首部格式
分用时，找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并向发送发发送ICMP'端口不可达'查错报告报文

5.3.1TCP协议特点和TCP报文段格式

TCP协议的特点：
1.TCP是面向连接(虚连接)的传输层协议
2.每一条TCP链接只能由两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的
3.TCP提供可靠交付的服务，无差错，不丢失，不重复，按序到达，可靠有序，不丢不重
4.TCP提供全双工通信，两端都有发送缓存，接收缓存
5.TCP面向字节流，TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流

TCP报文段首部格式
序号：在一个TCP链接中传输的字节流的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送的第一
个字节的序号
确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，若确认号为N，则证明到序号N-1为止
的所有数据都已正常收到
数据偏移：首部长度，TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B为单位
紧急位URG：URG为1时，为紧急数据，高优先级数据，应尽快传送，不用在缓存中排队，配合紧急指针
字段使用
确认位ACK：ACK=1时，确认号有效，0无意义，在确认建立后，所有传送的报文段都必须把ACK位置1
推送为PSH：PSH=1时，接收方尽快交付应用进程，不用等到缓存填满再向上交付
复位RST：RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输连接
同步位SYN：SYN=1时，连接请求/连接接收报文
终止位FIN：FIN=1时，此报文段发送方数据已发完，要求释放连接
窗口：发送本报文段的一方的接收窗口
检验和：检验首部+数据，检验时加上12B伪首部，第四个字段为6
紧急指针：URG=1时有意义，指出本报文段紧急数据的字节数
选项：最大报文段长度MSS，窗口扩大，时间戳，选择确认等

5.3.2TCP连接管理

TCP连接的建立采用客户服务器，主动发起连接建立的应用进程叫做用户，被动等待连接的应用进程叫服务器

TCP连接建立：三次握手
客户端发送连接请求报文段
SYN=1，seq=x(rand)
服务器为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接
SYN=1，ACK=1，seq=y(rand)，ack=x+1
客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，携带数据
SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

SYN洪泛攻击
发生在OSI第四层，利用TCP协议的特性(三次握手)，发送大量连接请求，然后不返回确认，接收方就会超时重传，每一个都完成不了三次握手，大量浪费服务器资源，这些TCP连接属于半挂起状态，消耗CPU内存，服务器就会死机，无法继续为正常用户提供服务

TCP的连接释放：四次握手
参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的'资源'(缓存变量),主动关闭TCP连接

客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接
FIN=1，seq=u
服务器回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了(半关闭状态)
ACK=1，seq=v，ack=u+1
服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接
FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1
客户端回送一个确认报文段，再等待时间2MSL(最长报文段寿命)后，连接彻底关闭
ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

5.3.3TCP可靠传输

可靠：保证接收方进程从缓存区读出的字节流与发送方发出的字节流是完全一样的
TCP实现可靠传输的机制：
校验：与UDP校验一样，增加伪首部
序号：一个字节占一个序号，序号字段指的是一个报文段第一个字节的序号
确认：默认使用累计确认
重传：TCP在规定时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段
重传时间：TCP使用自适应算法，动态改变重传时间RTTs(加权平均往返时间)
冗余ACK：冗余确认，收到信息后，返回当前需要序号的确认

5.3.4TCP流量控制

TCP利用滑动窗口机制实现流量控制
接收方根据自己接收缓存的大小，动态调整发送方的发送窗口大小，发送方的发送窗口取决于接收窗口和拥塞窗口的最小值，发送窗口大小可以动态变化
TCP为每一个连接设有一个持续计时器，只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器
若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段，接收方收到探测报文段时给出现在的窗口值
若窗口依旧是0，那么发送方就重新设置持续计时器

5.3.5TCP拥塞控制

出现拥塞的条件：对资源需求的总和多余可用资源
网络中许多资源同时出现供应不足--->网络性能变坏--->网络吞吐量将随输入负荷增大而下降 拥塞控制：防止过多的数据到网络中
接收窗口：接收方根据接收缓存设置的值，并告知发送方，反应接收方容量
拥塞窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反应网络当前容量

拥塞算法的四种算法：
慢开始：指数规律增长
拥塞避免：网络拥塞的情况下，当时的门限值的一半为新门限值，拥塞窗口降为1
快重传：受到3个重复放入确认，执行快重传算法(不等超时重传，直接传)
快恢复：直接都降到门限值的一半，一路执行+1操作，不需要降到0
一个传输轮次：发送了一批报文段并受到他们的确认时间，一个往返RTT