网络笔记 P04：传输层
1.概述
传输层的功能：提供进程间的逻辑通信、复用与分用（使用端口地址区分进程）、差错控制。
传输层寻址
传输层使用端口号区分不同的进程，并实现对网络层连接的复用。端口号长度为 16 位，能够表示 65536 个不同的端口号。其中 0~1023 是熟知的端口号，已经指派给了一些常用应用程序；1024~49151 为登记端口，49152~65535 为短临时端口。
比较常用的端口号：
| FTP | TELENT | SMTP | DNS | TFTP | HTTP | SNMP |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 21 | 23 | 25 | 53 | 69 | 80 | 161 |
进程之间在网络中的通信使用套接字，为（主机 IP 地址，端口号）。
2.UDP 协议
UDP 只提供信道的复用和分用、差错控制。UDP 无需建立连接，尽最大努力交付。
UDP 数据报
UDP 首部包含 2 字节的源端口号、2 字节的目的端口号、2 字节的 UDP 长度、2 字节的 UDP 校验和。
为计算校验和需要将 UDP 首部增加 12 字节的伪首部使其有 16 字节，伪首部包含 4 字节的源 IP 地址、4 字节的目的 IP 地址、1 字节全零、1 字节的 UDP 协议号 17、2 字节的 UDP 长度。
校验和计算整个 UDP 数据报（伪首部、首部、数据），校验时先将校验和字段置零，将数据字段用零填充至偶数字节，按 16 位字的补码求和再求补码，放入校验和。如果不使用校验和，则该字段全零。
3.TCP 协议
TCP 协议是面向连接的协议，提供可靠的交付服务，保证数据无差错、不丢失、不重复、不失序。TCP 是全双工的。
TCP 报文段
-
URG 位：URG=于 1 时，紧急指针字段有效。
-
ACK 位：ACK=1 时，确认号字段有效。
-
PSH 位：TCP 接收到 PSH=1 的报文段，会尽快交付给进程。
-
RST 位：RST=1 时，表明 TCP 连接严重错误，需要释放连接再重新建立。
-
SYN 位：SYN=1 时，为连接请求报文或连接就收报文。
当 SYN=1、ACK=0 时， 是一个连接请求报文，请求建立 TCP 连接；当 SYN=1、ACK=1 时，是一个连接接收报文。
-
FIN 位：终止位，当释放连接时 FIN=1。
TCP 连接
TCP 连接的建立，称为三次握手。
- 客户机主动打开端口，发送连接请求报文，SYN=1，ACK =0，seq = x；
- 服务器收到请求后，如果同意连接，为此连接分配 TCP 缓存和变量，发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，seq = y，ack =x+1；
- 客户机收到确认报文后，分配 TCP 缓存和变量，想服务器确认，SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。
TCP 连接的释放
- 客户机打算关闭连接，会发送一个连接释放报文，FIN=1，seq=u；服务器收到此报文，同意释放连接，发送确认，ACK=1，ack=u+1。此时只是客户机不再想服务器发送数据，并不影响服务器向客户机发送数据。
- 同样的，服务器打算关闭连接，也执行同样的步骤。
TCP 可靠传输
- 报文段的序号保证数据有序。
- 确认机制保证报文段到达。
- 重传。当发生确认超时时，会触发重传；当收到 3 个对同一报文段的冗余 ack 时，说明后面的报文段丢失，触发快速重传。
TCP 重传计时器
当发送方发送一个报文段，立即触发计时，若该报文段的确认时间 R 超过重传超时值 RTO，则触发重传。RTO 是一个动态的值，\(\text{RTO} = \text{SRTT} + 4 \times \text{RTTVAR}\)，其中 SRTT 为平滑往返时间，RTTVAR 往返时间变化。
当一个报文段的确认时间没有超过 RTO，则需要对 RTO 进行更新：
其中，\(\alpha\)通常取 7/8，\(\beta\)通常取 3/4。
Karn 算法建议上述过程不更新重传段的时间，同时每次连续重传的超时间隔值加倍。
TCP 流量控制
基于滑动窗口协议的流量控制机制，发送方根据接收方的接收窗口 rwind 和网络的拥塞窗口 cwind 中最小的，决定发送数据的多少。rwind 由接收方的缓存决定，cwind 由拥塞控制决定。TCP 拥塞控制实际是维护 cwind 的大小。
TCP 拥塞控制
拥塞控制是由发送方自己来实现控制的，自己维护 cwind。而流量控制需要接收方反馈 rwind。
- 慢启动算法：设置 cwind=1，单位为最大报文长度；每收到一个报文段的确认，将 cwind 加 1，实际表现为每经过 RTT 时间 cwind 翻倍；至达到慢启动阈值，切换至线性增加。
- 拥塞避免算法：即上述的线性增加，每经过一个 RTT，cwind 加 1。
- 当网络出现拥塞时，即发生确认超时，将慢启动阈值设置为当前 cwind 的一半，cwind 设置为 1，重新开始慢启动算法和拥塞避免算法。
- 快重传机制：当发送方连续收到 3 个对同一报文段的冗余 ACK，表明后面的报文段没有接收到，此时发送方不需要等到超时就对之后的报文段重传，称为快重传机制。
- 快恢复机制：当发送方连续收到 3 个对同一报文段的冗余 ACK，慢启动阈值设定为当前 cwind 的一半，cwind 设定为改变后的阈值，直接执行线性增加。
