王道计算机网络传输层整理超详细版

传输层是主机才有的层次。

传输层的功能

1、传输层提供进程和进程之间的逻辑通信。（网络层提供主机之间的通信）

逻辑通信：传输层之间的通信好像是沿着水平方向传送数据，但事实上这两个传输层之间并没有一条水平方向的物理连接。

2、复用和分用。复用是指发送方不同的应用进程都可以使用同一个传输层协议传送数据；分用是指接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付到目的应用进程。

另一种说法：

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。

3、传输层对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分）。【网络层只检查IP数据报的首部，不检验数据部分是否出错】。

4、提供两种不同的传输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。【网络层无法同时实现两种协议】。

面向连接服务与无连接服务

面向连接的传输控制协议TCP

传送数据之间必须建立连接，数据传送结束后要释放连接。不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的面向连接的传输服务，因此不可避免增加了许多开销：确认、流量控制、计时器及连接管理等。

可靠，面向连接，时延大，适用于大文件。

无连接的用户数据报协议UDP

传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认。

不可靠，无连接，时延小，适用于小文件。

传输层的寻址与端口

端口：传输层的服务访问点（SAP），标识主机中的应用进程。

数据链路层的SAP是MAC地址，网络层的SAP是IP地址。

端口号只有本地意义，在因特网中不同计算机的相同端口是没有联系的。

端口号长度为16bit，能标识65536个不同的端口号。

常见的应用程序与对应的端口号

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一个进程。

套接字 Socket = （主机IP地址，端口号）

UDP协议

UDP只在IP数据报服务之上增加了很少功能，即复用分用和差错检测功能。

UDP的主要特点：

1、UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延。

2、UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付。

3、UDP是面向报文的，适合一次性传输少量数据的网络应用。

应用层给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发一个完整报文。

4、UDP无拥塞控制，适合很多实时应用。

5、UDP首部开销小，8B，TCP是20B。

UDP首部格式

分用时，如果找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并给发送方发送ICMP“端口不可达”的差错报告报文。

UDP校验

在计算校验和时，要在UDP数据报之前增加12B的伪首部，伪首部并不是UDP的真正首部。只是在计算校验和时，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。

17：封装UDP报文的IP数据报首部协议字段是17。

UDP长度：UDP首部8B + 数据部分长度（不包括伪首部）。

在发送端：

1、添上伪首部。

2、全0填充校验和字段。

3、全0填充数据部分。

4、伪首部 + 首部 + 数据部分采用二进制反码求和。

5、把和求反码填入校验和字段。

6、去掉伪首部，发送。

在接收端：

1、添上伪首部。

2、伪首部 + 首部 + 数据部分采用二进制反码求和。

3、结果全为1则无差错，否则丢弃数据报/交给应用层附上出错的警告。

TCP协议的特点和TCP报文段

TCP协议特点

1、TCP是面向连接（虚连接）的传输层协议。

2、每一条TCP连接只能有两个端点，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。

4、TCP提供全双工通信。允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据，为此链段设有发送缓存和接收缓存。

发送缓存：准备发送的数据 & 已发送但尚未收到确认的数据。

接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据 & 不按序到达的数据。

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

序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据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确收到。

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。

窗口：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量。

检验和：检验首部 + 数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6。

紧急指针：URG = 1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数。

选项：最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认 ……

六个控制位：

紧急位 URG：URG = 1时，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。

确认位 ACK：ACK = 1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。

推送位 PSH：PSH = 1时，接收方尽快交付接收应用进程，不再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，表明是一个连接请求/连接接受报文。

终止位 FIN：FIN = 1时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接。

TCP连接管理

TCP连接传输三个阶段：

连接建立 — 数据传送 — 连接释放

TCP的连接建立

1、客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。

SYN = 1，seq = x（随机）

2、服务器端为该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，无应用层数据。

SYN = 1，ACK = 1，seq = y（随机），ack = x + 1

3、客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器返回确认的确认，可以携带数据。

SYN = 0，ACK = 1，seq = x + 1，ack = y + 1

SYN洪泛攻击

TCP的连接释放

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，主机中的缓存和变量将被释放。

1、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

2、服务器端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

3、服务器发完数据，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

4、客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的 2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。

ACK = 1，seq = u + 1，ack = w + 1

TCP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：1、校验 2、序号 3、确认 4、重传。

TCP流量控制

流量控制：让发送方慢点，要让接收方来得及接收。

TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。

在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗口 rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将 rwnd 通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 的最小值。

发送窗口大小可以动态变化。

for example

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的现在的窗口值，

若窗口仍然是0，那么发送方就重新设置持续计时器。

TCP拥塞控制

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中。全局性。

流量控制是点对点的。

假定：
1、数据单方向传送，而另一个方向只传送确认。

2、接收方总是有足够大的缓存空间，因而发送窗口取决于拥塞程度。

发送窗口 = Min{接收窗口 rwnd，拥塞窗口 cwnd}

接收窗口：接收方根据接受缓存设置的值，并告知给发送方，反映接收方容量。

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，反映网络当前容量。

拥塞控制四种算法

慢开始和拥塞避免

快重传和快恢复

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