计算机网络（谢希仁版）--运输层
运输层概述：
网络层是为主机之间提供逻辑通信，而运输层是为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。
网络层只对IP数据报的首部进行检验，而运输层对协议的首部和数据部分都进行检验。
运输层有两种不同的运输协议：一对一的可靠的面向连接的TCP和不可靠的无连接的UDP，两者对应的数据单元分别是TCP报文段和UDP用户数据报。
运输层是通过端口号，复用和分用网络层（IP层）的，该端口不是操作系统的进程标识符，而是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址。
运输层的端口号是16位的，分为服务器端使用的端口号和客户端使用的端口号；
服务器端使用的端口号又分为熟知端口号（所有用户都知道），比如HTTP的端口号为80，还有一种叫登记端口号（顾名思义）；
客户端使用的端口号又称短暂端口号，只在客户进程运行时才动态选择，用于服务器端回发数据给客户端，通信结束就不复存在。
用户数据报协议UDP：
UDP是无连接的，使用尽最大努力交付，以及面向报文的；应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，同时加上UDP首部，因此，应用层交付的报文长度要控制好，不能太长也不能太短，否则都会降低IP层的效率。
UDP的首部由源端口、目的端口、长度、检验和组成；UDP检验和计算的时候要加上伪首部，伪首部由源IP地址、目的IP地址、运输层协议号（17、6）和UDP长度组成。
传输控制协议TCP：
TCP是面向连接的，一对一的，可靠交付的，提供全双工通信，面向字节流的；同时应用层无需关注交付的报文长度，因为，报文长度由窗口值、拥塞程度等决定。
TCP连接的端点叫做套接字，即IP地址：端口号。
可靠传输的工作原理：
停止等待协议、超时重传（超时计时器）、确认丢失操作和确认迟到操作，这些合起来叫做自动重传请求ARQ，使得在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。
但是这样会导致信道利用率很低，于是产生了连续ARQ协议和滑动窗口协议，发送方是无需确认的连续发送窗口中的所有字节，接收方采用累积确认，即对按序到达的最后一个分组发送确认（注意确认分组之后的分组的接收情况，发送方无从得知，只能一律重发，这叫Go-back-N，但也有一定的方法解决）。
TCP报文段的首部格式（前20个字节是固定的，后面都是可选的，总长最多60个字节）：
固定部分包括：
源端口、目的端口、
序号（32位）：TCP传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，序号字段是指本报文段所发送数据的第一个字节的序号
确认号（32位）：接收方发送的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，则到序号N-1为止的所有数据都已正确收到
数据偏移：即首部总长度
紧急URG：置1即放到本报文段数据的最前面
确认ACK：仅当ACK=1时，确认号字段才有效，连接建立之后所有的报文的ACK必须为1
推送PSH、复位RST、同步SYN、终止FIN
窗口（2字节）：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据
检验和、紧急指针、以及拓展选项：
其中较重要的是最大报文长度MSS，指的是数据字段的最大长度，在建立连接的过程中，双方就将把自己支持的MSS写入这一字段，双方值可以不一样，如果没有填写，则默认为536字节长
窗口扩大（顾名思义）
时间戳：计算报文段的往返时间RTT和防止序号绕回
选择确认：用来报告收到的不连续的字节块的边界，最多报告4个字节块，一定程度上解决Go-back-N问题
TCP可靠传输的实现：
核心：以字节为单位的滑动窗口
注意：发送缓存包含发送窗口，发送窗口不仅取决于对方的接收窗口，还会根据拥塞程度适当减小发送窗口，接收窗口由接收缓存的大小决定。
接收方必须有累计确认的功能，同时确认推迟的时间不应超过0.5s
超时重传时间选择：Karn算法：在计算加权平均RTT时，只要报文重传了，就不采用其时间样本。实际上，报文重传一次，超时重传时间就增大一倍，较为合理。
TCP的流量控制：
利用滑动窗口机制中的序号、确认号、窗口号实现流量控制；
必须考虑传输效率：
可以用不同的机制来控制TCP报文段的发送时机：
1. TCP维持一个变量，等于MSS，只要缓存中存放的数据达到MSS字节时，就组装成一个TCP报文段发送出去；
2. 由发送方的应用进程指明要求发送报文段，即TCP支持的推送（PSH）操作；
3. 发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段（但长度不能超过MSS），发送出去。
在TCP中广泛使用的是Nagle算法：即边缓存边发送报文段，即第一次发送一个字节，之后每次收到接收方的确认后，就组装所有的缓存数据成报文段（但长度不能超过MSS）并发送出去；同时该算法还规定，当缓存中的数据已到达发送窗口大小的一半或已到达MSS时，就立即发送一个报文段。
遇到糊涂窗口综合症（即应用程序每次只从接收缓存中读取1个字节）时，可以让接收方等到接收缓存中有MSS长度或一半空闲空间后再发送确认信息。总之，发送方和接收方都不要太急，有一点点数据就发送数据报文或一点点空间就发送确认报文。
TCP的拥塞控制：
拥塞控制和流量控制的区别：
拥塞控制是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载；拥塞控制都有一个前提，网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器以及与降低网络传输性能有关的所有参数。
流量控制是指点对点通信流量的控制，是个端到端的问题（接收端控制发送端），流量控制是抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收。
拥塞控制的两个概念：输入负载（网络负载）即单位时间内输入给网络的分组数目，吞吐量即单位时间内从网络中输出的分组数目。所谓拥塞，就是在吞吐量达到饱和之前，就出现输入负载小于吞吐量的情况，此时就需要拥塞控制。
常见的拥塞控制方法：
拥塞控制中发送方维持一个拥塞窗口（cwnd），和之前由接收窗口（rwnd）决定的窗口无关，两者取较小者作为最后的发送方窗口大小
1. 慢开始算法（指数增长）：从初始cnwd（一个MSS）开始，每经过一个传输轮次（发送窗口中的数据都发送出去，并且接收到最后数据的确认），拥塞窗口cnwd就加倍。（本质是每收到对一个对新报文的确认后（重传的不算在内），就把拥塞窗口增加一个MSS长度）
2. 拥塞避免算法（线性增长）：当慢开始算法运行到，cwnd等于白慢开始门限后，开始运行拥塞避免算法，即每经过一个传输轮次，拥塞窗口只增加一个MSS长度。（本质是每收到对一个对新报文的长度的确认后，就把拥塞窗口增加一个(MSS * MSS / cwnd)长度）
如果出现网络拥塞，则将慢开始门限的大小减半，并重新开始运行慢开始算法。
3. 快重传算法：收到失序的报文段后立即发出重复确认（之前最后一次有序报文段的确认），快重传规定发送方只要一连收到三个重复确认，就立即重传对方尚未收到的报文段。
4. 快恢复算法：发送方只要一连收到三个重复确认，就将慢开始门限的大小减半，由于发送方认为网络可能没有发生拥塞（一连收到三个重复确认就说明了这点），就把cwnd设值为新的慢开始门限，并继续执行拥塞避免算法。
在采用快恢复算法时，慢开始算法只在TCP连接时或网络超时时才使用。
5. 随机早期检测RED：路由器机制，防止出现全局同步，许多TCP连接在同一时间突然都进入到慢开始状态。
TCP的运输连接管理：
运输连接有三个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。
连接建立是三次握手：
接收方的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接收客户进程的连接请求；
发送方的TCP客户进程创建传输控制块TCB，然后向接收方发出连接请求报文段；
接收方收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向发送方发出确认报文段；
发送方收到确认报文段后，还要向接收方发出确认报文段，此时发送方已进入已连接状态；
接收方收到后确认报文段后，也进入到已连接状态。
出现第三次握手，是为了防止已失效的连接请求报文段滞留在网络的某处，在上一次TCP连接释放之后，接收方又接收到了该请求报文段，从而产生错误。
连接释放是四次握手：
发送方先发出连接释放报文段；
接收方接收到连接释放报文段后，就向发送方发出确认报文段，这时接收方TCP服务器进程通知高层应用进程，发送方到接收方这个方向的连接就释放了，即发送方已不能传输数据到接收方了；
发送方收到确认报文段后，就等待接收方发出连接释放报文段；
接收方如没有数据传送，就发出连接释放报文段；
发送方接收到连接释放报文段后，就向接收方发出确认报文段；
此时，TCP连接还没有释放掉，发送方必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL后，才进入结束状态，而接收方稍早一点，在接收到确认之后，就进入结束状态。
发送方必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL，是因为接收方最后一次可能没有接收到确认信号，则接收方会重传请求，而发送方接收到连接释放报文段后就结束，就会接收不到新的连接请求，接收方也就不能进入结束状态。
