计算机网络之传输层
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为应用层提供服务,负责总体数据传输与数据控制。
运输层与网络层的作用范围
前言
TCP:
采用虚电路交换方式,面向字节流,高可靠,全双工通信,端到端,面向连接。
TCP连接的接口也称为套接字(socket = IP地址:端口号)。
TCP功能:
多路复用多种应用数据
测试所接数据的完整性
顺序化乱序接收的数据
确认重传机制
流量控制
计时机制
ARQ协议
停止等待ARQ协议
连续ARQ协议
滑动窗口协议:接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认
TCP可靠传输的实现
通过使用连续ARQ协议(ARQ协议:自动重传请求)和滑动窗口协议,保证数据的正确性。
未收到确认之前都必须保留,以便超时重传。
没收到确认,滑动窗口不动。只有收到确认,窗口才可以向前滑动。
发送窗口可发送序号用完,必须停止发送,等待确认。超时就重传已发送但未确认的这部分数据。
UDP 和 TCP 的特点
用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)
传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)
UDP:
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)。
TCP:
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)。
UDP 首部格式:
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而临时添加的。
TCP 首部格式:
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。
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,并要求释放运输连接。
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。
UDP首部
TCP首部
TCP 的三次握手
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。
1. A 向 B 发送连接请求报文段,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。
2. B 收到连接请求报文段,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文段,SYN=1,ACK=1,
确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。
3. A 收到 B 的连接确认报文段后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为 x+1。
B 收到 A 的确认后,连接建立。
第三次握手:
防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误。
client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。
本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。
于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。
假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。
由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。
但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。
TCP 的四次挥手
ACK 在连接建立之后都为 1。
1. A 发送连接释放报文段,FIN=1;
2. B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据;
3. 当 B 要不再需要连接时,发送连接释放请求报文段,FIN=1;
4. A 收到后发出确认,此时连接释放。
TIME_WAIT
客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态,
此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间。这么做有两个理由:
1. 确保最后一个确认报文段能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文段,那么就会重新发送连接释放请求报文段,
A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
2. 可能存在“已失效的连接请求报文段”,为了防止这种报文段出现在本次连接之外,需要等待一段时间。
TCP 流量控制(滑动窗口技术)
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(防止接收方缓冲溢出)。
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受,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。
TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制:
慢开始、
拥塞避免、
快重传、
快恢复。