传输层
传输层
概述
- 传输的信息称为TPDU，也称数据段segment
- 传输层利用网络层的服务，为它的上层应用层提供服务
- 传输层提供的是高效的，可靠的数据传输技术
- 网络层是将数据从主机传递到主机，而传输层则是将数据送到具体的应用进程，为端点到端点，通过端口号定位到具体的进程
- 一个端点为一个套接字，用（IP地址，端口号）的二元组，端口号用16位二进制表示
- 主要包含两个协议：UDP和TCP
通信五元组
- 源IP
- 源端口
- TCP或UDP等传输协议
- 目的IP
- 目的端口
用户数据包协议UDP
- 无连接的传输协议，无需建立连接
- 传输的是数据段
- 不是可靠的数据传输，不提供差错控制和可靠传输；但简洁高效
- DNS使用的是UDP
UDP数据段：8字节的头部+数据
- 比IP好的地方在于使用了源端口和目的端口
- 在计算时，需要用到IP地址，破坏了分层的原则
- UDP数据段头
- source port：源端口，16位
- destination port：目的端口，16位
- UDP length：长度字段，头部和数据有多少字节
- checksum：校验和，若不计算校验和，则该字段设为0
- 校验和计算：如果收方的校验和为全1，则传输无错
- IP伪头部计算
TCP
- 提供可靠的数据流传输
- 面向连接的
- 以数据段的形式交换数据
TPU数据段：20字节头部+数据
- 源端口+目的端口
- 序列号：32位序列号；初始序列号随机产生；为每个字节编号
- 确认号：32位，期望接收的字节号；保证TCP的可靠传输；ack=500，则下次从501开始发数据（累计确认技术）
- TCP段头长度
- 控制比特：1位进行表示
- URG：紧急指针有效，必须立即处理，如ctrl+C
- ACK：1表示确认号有效，0表示确认号无效
- PSH：表示带有PUSH标志的数据，直接送到上层，不需要缓存
- RST：重置一个混乱的连接
- SYN：用于连接建立的过程，与ACK配合使用；SYN=1,ACK=0表示连接建立请求；SYN=1,ACK=1表示接受连接请求
- FIN：用于释放连接，表示发送方已经没有数据要传输了，但是可以继续接受数据
- 窗口尺寸：表示对方可以发送的数据字节数（从确认字节号开始，连续发送的字节总数），用于TCP的流量控制
- 校验和：类似UDP协议，只是IP伪头部计算稍有不同
- 紧急指针：与URG配合使用
TCP三次握手建立连接
- server被动等待一个连接请求，client发送连接请求
- 服务器方回发确认应答
- 应答到达请求方，请求方最后确认，连接建立
- 三次握手是同步的过程，双方可以互相收发数据，双方交换初始序列号，保证后序的每一个字节的可靠传输
TCP连接释放：四次挥手
- 一方发送连接释放请求DR(disconnect request)，且期待对方的ACK
- DR到达接收端，它回发ACK，并且另外发送一个DR
- 当ACK到达发送端时，连接释放；同时它回发确认ACK，当这个ACK到达接收端，反方向的连接也释放了
- 为避免DR和ACK丢失而引发的问题，采用了定时器：任何时候在发出DR的同时，启动一个定时器，如果超期未收到应答则释放连接，另一方最终会注意到连接的对方已经不在了，超时后连接释放
- 当初始DR和重传都丢了，发送者会释放连接，但另一端却不会，仍处于活跃状态，导致半开放连接
- 杀死半开放连接：如果在一定时间内没有TPDU到达的话，连接自动释放；在发送一个TDPU时也启动定时器，当定时器超期，则发动一个哑TPDU，以避免被断掉
TCP传输策略
- 通过window字段进行流量控制
- 当window=0时，说明接收方缓存已满，不能够继续收数据了；除非为URGENT信号，或者发送一个字节的数据段，以便让接收者再次发送窗口号，避免死锁
- 优化接收端：延迟回复，将多个回复信息放入一个数据段中；clark方案避免接收方缓存一直处于满的状态（即接收方的缓存有一定的空余时，才发送窗口更新数据）
- 优化发送端：nagle算法：在第一个数据段先发送第一个字节，然后缓存剩下多个字节到下一个数据段，依次执行；而不是一个字节一个字节发一个数据段
TCP拥塞控制
拥塞的根源：网络的容量（拥塞窗口表示）、接收者容量（接收者窗口表示）
- 接收者窗口：接收者的瓶颈
- 拥塞窗口：网络中的瓶颈，通过慢启动算法确定（逐次加倍数据段大小，直到超时）
- 阈值：当拥塞窗口超过阈值时，不再按指数增长，而是线性增长；当超时时，将阈值设为当前拥塞窗口的一半，重新从1开始增大拥塞窗口或者从阈值大小开始线性增长
TCP定时器
- 重传计时器：当计时器超时，认为包丢失，重新发送
- 持续定时器：接收方发送更新窗口的数据段丢失，产生了死锁，两者互相等待；使用持续定时器定时发送探索数据段，避免死锁
- 保活定时器：用来检查连接是否存活，超期则杀掉连接
TCP与UDP的选择
