# 第三章 传输层


一，传输层的基本服务

1. 传输层功能

传输层的核心人物是为<font color = 'red'>应用进程之间提供端到端</font>的逻辑通信服务。只有主机才有传输层；网络核心中的路由器点等只用到下三层的功能。

1. 传输层寻址

2. 对应用层报文进行分段和重组

3. 对报文进行差错检测

4. 实现进程间的端到端

5. 面向应用层实现复用与分解

6. 实现端到端的流量控制

7. 拥塞控制

2. 传输层寻址与端口

TCP/IP体系结构网络的解决方法就是在传输层使用协议端口号，通常简称为端口(port),在在全网范围内利用<font color='red'>“IP 地址+端口号”</font>唯一标识一个通信端点!

应用层和传输层抽象的需要端口是<font color='red'>软件端口</font>

传输层端口号为16位整数，可以编号65536个（2的16次方）

|0--1023|熟知端口号||

|:---:|:---:|:---:|

|1024-49151|登记端口号|

|49152-65534|客户端口号，或短暂端口号)|

端口号小于256的端口为常用端口

传输层端口号：

1、服务器端使用的端口号：熟知端口号和登记端口号

例如FTP服务器默认端口号21，HTTP服务器默认端口号是80等；

2、客户端使用的端口号：临时性，在客户进程运行是由操作系统随机选取唯一未被使用的端口号。

3. 无连接服务与面向连接服务

|无连接服务|面向连接服务|

|:---:|:---:|

|数据传输之前无需与对端进行任何信息交换，直接构造传输层报文段并向接受端发送|在数据传输之前，需要双方交换一些控制信息，建立逻辑连接，然后再传输数据，传输结束后还需要拆除连接|

|类似于信件通信|类似于电话通信|

二，传输层的复用与分解

1. 复用与分解

支持从多应用进程共用同一个传输层协议，并能够将接收到的数据准确交付给不同的应用进程，是传输层需要实现的一项基本功能，称为传输层的多路复用与多路分解，简称为复用与分解，也称为为复用与分用。

<font color='red'>多路复用：</font>在源主机，传输层协议从不同的套接字收集应用进程发送的数据块，并为每个数据块封装上首部信息（包括用于分解的信息）构成报文段，然后将报文段传递给网络层。

<font color='red'>多路分解：</font>在接收端，传输层协议读取报文段中的这些字段，标识出接收套接字，进而通过该套接字，将传输层的报文段中的数据交付给正确的套接字。

2. 无连接的多路复用与多路分解

Internet传输层提供无连接服务的传输层协议是UDP.

UDP将应用层的数据块封装成一个UDP报文段，其中包括应用数据，源端口号，目的端口号等。

UDP套接字二元组：<目的IP地址，目的端口号>

如果目的端口号一样

3. 面向连接的多路复用与多路分解

Internet传输层提供面向连接服务的是TCP。

TCP套接字是一个四元组：<源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号>

如果源IP地址不一样，但是目的IP地址和目的端口号都一样？

|UDP|TCP|

|:---:|:---:|

|基于目的IP地址和目的端口号二元组唯一标识一个UDP套接字|基于源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号四元组唯一标识一个TCP套接字|

三， 停-等需要与滑动窗口协议

1. 可靠数据传输基本原理

基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的五种措施：

<font color='red'>差错检测：</font>利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检测。

<font color='red'>确认：</font>接收方向发送方反馈接收状态。ACK（肯定确认）；NAK（否定确认）

<font color='red'>重传：</font>发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。

<font color='red'>序号：</font>确保数据按序提交。

<font color='red'>计时器：</font>解决数据丢失问题。

2. 停-等协议

停-等协议工作流程

3.滑动窗口协议


1）GBN协议（Go-Back-N）:发送窗口较大，但接受窗口仅为1。未按序到达的数据都需要重传

2）SR协议（Selective Repeat）：接收窗口大于1，仅要求发送方重传被接收方确认的分组


四，用户数据报协议(UDP)

1. UDP特点

1、用户数据协议（UDP），Ineternet传输层协议，提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。

应用进程更容易控制发送什么数据以及何时发送。实时网络多媒体应用，通常要求端到端吞吐量大于等于某个最小发送速率，不希望过分地延迟报文段的传送，且能容忍一些数据丢失，UDP则适合这类应用。故会出现分组的丢失和重复。

无需建立连接

无连接状态

首部开销小，只有8个字节。

2. UDP数据报结构


1、UDP首部四个字段：每个字段长度都是2个字节。

源端口号和目的端口号：用于UDP实现复用和分解

长度：只是UDP报文段中的字节数（首部和数据的总和）。

校验和：接收方使用来检测报文段是否出现差错

3. UDP校验和

UDP校验和：提供了差错检测功能。

UDP的校验和用于检测UDP报文段从源到目的地传送过程中，其中的数据是否发生了改变（由于链路噪声干扰等引起）。

UDP校验和计算规则：

1、所有参与运算的内容（包括UDP报文段）按<font color = 'red'>16位对齐求和。</font>

2、求和过程中遇到任何<font color = 'red'>溢出</font>（即进位）都被<font color = 'red'>回卷</font>（即进位与和的最低为再加），最后得到的<font color = 'red'>和取反码</font>，就是UDP的校验和，填入UDP数据报的<font color = 'red'>校验和字段。</font>

3、UDP在生成校验和时，校验和字段全取0。

UDP校验和计算的内容包括3部分：UDP伪首部、UDP首部、应用数据



<font color = 'red'>源IP地址、目的IP地址、协议号：</font>均是封装对应UDP数据报的IP分组的对应字段；

UDP长度字段：是该UDP数据报的字段，该字段参与计算两次。

对于UDP来说，协议号的值为17。

UDP计算校验和示例：

```

数值1：0110 0110 0110 0000

数值2：0101 0101 0101 0101

数值3：1000 1111 0000 1100

```

第一步 数值1加数值2

```

0110 0110 0110 0000

0101 0101 0101 0101

-------------------

1011 1011 1011 0101

```

第二步再加数值3

```

1011 1011 1011 0101

1000 1111 0000 1100

-------------------

1 0100 1010 1100 0001

=========================

0100 1010 1100 0001

1

-------------------

0100 1010 1100 0010

```


五，传输控制协议 (TCP)

1. TCP报文段结构


①、传输控制协议（TCP）是Internet一个重要的传输层协议。提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。

第一、应用进程好似在”打电话“要先建立连接。

第二、每一条TCP连接只有两个端点。

第三、可靠交付。无差错，不丢失，不重复且按序到达

第四、全双工通信。

第五、面向字节流。流：字节序列。应用程序和TCP的交互是一个个数据块，但是TCP把他们看做是无结构字节流。

②， MSS数据长度说明

应用层数据块进行封装成为TCP报文段，最大报文段长度（Maximum Segment Size,MSS）是报文段中封装的应用层数据的最大长度。

TCP是面向字节流的

③， TCP报文段结构说明

1、源端口号字段，目的端口号字段分别占16位。多路复用/分解来自或送到上层应用的数据。

2、序号字段、确认序号字段分别占32位。范围[0，$2^{32-1}$]

序号字段：TCP的序号是对每个应用层数据的<font color='red'>每个字节</font>进行编号，

确认序号字段：是<font color='red'>期望</font>从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。

3、首部长度字段占4位。指出TCP段的首部长度，以4字节为计算单位。

最短是20字节；最长是60字节。

4、保留字段占6位。保留为今后使用，目前值为0

<font color='red'>

5、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN各占1位。

</font>

紧急URG=1，紧急指针字段有效，优先传送。

确认ACK=1，确认序号字段有效；ACK=0时，确认序号字段无效。

推送PSH=1，尽快将报文段中的数据交付接收应用进程，不要等缓存满了再交付。

复位RST=1，TCP连接出现严重差错，释放连接，再重新建立TCP连接。

同步SYN=1，该TCP报文段是一个建立新连接请求控制段或者同意建立新连接的确认段。

终止FIN=1，TCP报文段的发送端数据已经发送完毕，请求释放连接。

6、接收窗口字段占16位。向对方通告我方接收窗口的大小。

例如：发送一个确认号701，窗口字段是1000。

7、校验和字段占16位。

校验和字段检验的范围类似于UDP，

计算方法与UDP校验和的计算方法相同。TCP协议号是6。

8、紧急指针字段占16位。

URG=1时，才有效。指出在本TCP报文段中紧急数据共有多少个字节。

9、选项字段长度可变。最长为40字节。

<font color='red'>

最大报文段长度MSS：每一个TCP报文段中数据字段的最大长度。

</font>

10、填充字段，取值全为0，目的是为了整个首部长度是4字节的整倍数。

2. TCP连接管理

TCP连接的过程



1、TCP连接管理：连接建立与连接拆除。

2、TCP建立连接通过“三次握手”过程。

以主机A上的一个应用进程与主机B上的一个应用进程建立一条TCP连接为例。（主机A的应用进程首先会通知主机A的TCP，它想建立一个与主机B上某个进程之间的连接。）

① TCP连接建立:

<font color='blue'>第一次握手：</font>主机A向主机B发送连接请求段，SYN报文段：（SYN=1,seq=x）

SYN=1：建立连接请求控制段

seq=x：表示传输的报文段的第1个数据字节的序列号是x，并以此序列号代表整个报文段的序号

<font color='red'>客户端进入SYN_SEND（同步发送）</font>

<font color='blue'>第二次握手：</font>主机B收到TCP连接请求段后，如同意，则发回确认报文段：

（SYN=1,ACK=1,seq=y,ack_seq=x+1）

SYN=1：同意建立新连接的确认段

ack_seq=x+1：表示已经收到了序列号为x的报文段，准备接收序列号为x+1的报文段。

seq=y：B告诉A确认报文段的第1个数据字节的序列号是y。

<font color='red'>服务器由LISTEN进入SYN_RCVD（同步收到）</font>

<font color='blue'>第三次握手：</font>主机A对主机B的同意连接报文段进行确认：（ACK=1,seq=x+1,ack_seq=y+1）

seq=x+1：A传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x+1

ack_seq=y+1：A期望接收B序列号为y+1的报文段。

<font color='red'>当客户发送ACK时，客户端进入ESTABLISHED状态；

当服务收到ACK后，也进入ESTABLISHED状态；</font>

只有<font color='red'>第三次</font>握手可携带数据。

② TCP连接拆除


<font color='blue'>第一次挥手：</font>主机A向主机B发送释放连接报文段：（FIN=1,seq=u）

首部的FIN=1：TCP报文段的发送端数据发送完毕，请求释放连接。

序号seq=u：表示传输的第一个数据字字节的序号是u

<font color='red'>客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1（终止等待1状态）</font>

<font color='blue'>第二次挥手：</font>主机B向主机A发送确认段：（ACK=1,seq=v,ack_seq=u+1）

ACK=1：标识确认字号段有效。

确认序号ack_seq=u+1：表示主机B期望接收A数据包序号为u+1的包

序号seq=v：表示自己传输的第一个数据字字节的序号是v

<font color='red'>服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE_WAIT（关闭等待）

客户端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2</font>

<font color='blue'>第三次挥手：</font>主机B向主机A发送释放连接报文段：（FIN=1,ACK=1,seq=w,ack_seq=u+1）

FIN=1：请求释放连接

ACK=1：标识确认字号段有效。

确认序号ack_seq=u+1：表示主机B期望接收A数据包序号为u+1的包

序号seq=w：表示自己传输的第一个数据字字节的序号是w

<font color='red'>服务器状态由CLOSE_WAIT进入LAST_ACK（最后确认状态）</font>

<font color='blue'>第四次挥手：</font>主机A向主机B发送确认段：（ACK=1,seq=u+1,ack_seq=w+1）

ACK=1：标识确认字号段有效。

确认序号ack_seq=w+1：表示主机A期望接收B数据包序号为w+1的包

序号seq=u+1：表示自己传输的第一个数据字字节的序号是u+1

<font color='red'>客户端状态由FIN_WAIT_2进入TIME_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态，释放连接

服务器在收到最后一次ACK段后，由LAST_ACK进入CLOSED，释放连接</font>

3. TCP可靠数据传输

①、TCP实现可靠数据传输服务的工作机制：

1）应用数据被分割成TCP认为<font color='red'>最适合发送的数据块。</font>

2）TCP发出一个段后，启动一个<font color='red'>计时器</font>，等待目的端确认收到这个报文段。

3）TCP首部中设有<font color='red'>校验和字段</font>，用于检测数据在传输过程中是否发生差错。

4）TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP会<font color='red'>重新排序</font>。

5）存在网络延迟和重传机制，接收端可能会收到多个重复的报文段，这时接收端需要根据序号把<font color='red'>重复的报文段丢弃</font>。

6）TCP能够提供<font color='red'>流量控制</font>。

② 发送方的上层应用程序接收数据、定时器超时、收到ACK都会引发发送和重传。

1、上层应用程序接收数据

发送窗口是否已满，缓存；

发送窗口是否未满，则TCP从应用程序接收数据。并封装交给IP，启动定时器。

<font color='red'>2、定时器超时时间设置合理。

定时器超时和RTT的关系</font>

3、收到ACK

③，定时器超时时间设置：

估计一个典型RTT，指数加权移动平均的方法来计算一个SampleRTT的时间：

α指数加权系数，典型值是0.125

EstimatedRTT=（1-α）·EstimatedRTT+ α·SampleRTT

RTT变化剧烈，网络不稳定；RTT变化小，网络平稳；

定义RTT的偏差DevRTT表示RTT变化程度：加权系数β的推荐值是0.25

DevRTT=(1- β) ·DevRTT+ β ·|SampleRTT-EstimatedRTT|

定时器的超时时间：4

TimeoutInerval=EstimatedRTT+4×DevRTT

定时器超时时间设置：

一般TimeoutInerval初始值为1s。当出现超时，TimeoutInerval值加倍。

一旦报文段收到更新EstimatedRTT，TimeoutInerval就又通过上述三个公式更新计算。

发送方的上层应用程序接收数据、定时器超时、收到ACK都会引发发送和重传。

1、上层应用程序接收数据

发送窗口是否已满，缓存；

发送窗口是否未满，则TCP从应用程序接收数据。并封装交给IP，启动定时器。

2、定时器超时时间设置合理。

定时器超时和RTT的关系

3、收到ACK

下三页PPT是TCP发送数据，确认以及重传的典型例子

④ ， TCP在实现中关于定时器超时时间的设置策略：

1、每当超时，就会重发最小序号还未被确认的报文段。每次重传，将下一次超时时隔设置为与原来的两倍。

2、每当TCP因收到上层应用数据或收到ACK两个事件之一启动计时器，超时时间需要用EstimatedRTT、DevRTT计算得到。

如果超时时间较长时，存在一定问题。如果某一报文段丢失，发送方会收到多个重复ACK。

⑤， TCP接收方生成ACK的策略主要有4种：

1）具有所期望序号的报文段按序到达，所有在期望序号及以前的报文段都已被确认。

2）具有所期望序号的报文段按序到达，且另一个按序报文段在等待ACK传输，TCP接收方立即发送单个累积ACK，以确认以上两个按序到达的报文段。

3）拥有序号大于期望序号的失序报文段到达，TCP接收方立即发送重复ACK，即对当前接收窗口基序号进行确认，指示下一个期待接收字节的序号。

4）收到一个报文段，部分或完全填充接收数据间隔（缺失）。

TCP在实现中关于定时器超时时间的设置策略：

每当超时，就会重发最小序号还未被确认的报文段。每次重传，将会把下一次超时时隔设置为原来的两倍。超时时间较长时，报文段丢失，发送方会等待很长的时

间才去重传。增加了时延，降低有效吞吐量。在这种接收方生成ACK的策略下，发送方会收到多个对同一个序号的多次ACK确认。


可以根据重复ACK的情况，判断报文段是否丢失。

TCP发送方接收到<font color='red'>对相同序号的3次重复ACK</font>，就说明被重复确认的报文段<font color='red'>已丢失</font>，这时候即便没有超时，也会<font color='red'>重发</font>该报文段。

3，TCP流量控制

流量控制的目的是协调协议发送方与接收方的数据发送与接收速度。

基于滑动窗口协议实现流量控制时，<font color='red'>发送窗口的大小</font>反映了接收方接收和处理数据的能力。

4， TCP拥塞控制

①， 拥塞控制的定义:

通过合理调度、规范、调整向网络中发送数据的<font color ='red'>主机数量、发送速率、数据量</font>，以避免拥塞的发生 ，就称为（<font color ='red'>拥塞控制</font>）

②， 窗口机制


阈 值

阈值之后的阶段我们称之为<font color='red'>拥塞避免阶段</font>

拥塞避免阶段每隔1RTT，拥塞窗口大小增加1

拥塞避免阶段每隔RTT，拥塞窗口大小增加1。


快速启动状态


快速恢复