[网络协议]计算机网络原理系列学习笔记（三）——传输层

前言

网课学习的视频来源：b站《自考04741 计算机网络原理》

本章知识结构

1. 传输层的基本服务
2. 传输层的复用与分解
3. 停—等协议与滑动窗口协议
4. 用户数据报协议(UDP)
5. 传输控制协议（TCP)

传输层的基本服务

一、传输层功能
核心任务：为应用进程提供端到端的逻辑通信服务
主要功能：

• 传输层寻址
• 应用层报文的分段与重组
• 报文的差错检测
• 进程间的端到端可靠数据传输控制
• 面向应用层实现复用与分解
• 端到端的流量控制
• 拥塞控制
  需要注意的是：传输层协议提供的是逻辑通信服务，只需在端系统中实现。通信的真正端点并不是主机，而是主机中运行的应用进程。

二、传输层寻址与端口

1.用统一的寻址方法对应用进程进行标识——端口号。

2.在全网范围内利用“IP地址+端口号”唯一标识一个通信端点。

3.传输层端口号为16位整数，包含三类端口∶
(1）熟知端口号，数值为0~1023。

(2）登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在IANA 登记，以防止重复。

(3）客户端口号或短暂端口号，数值为49152~65535，留给客户进程选择暂时使用（具有不固定性）。

• 例题：以下TCP熟知端口号中，错误的是（ ）。
  A.POP3:110
  B.SMTP：25
  C.HTTP：80
  D.DNS：53
  【答案】D
  【解析】POP3、SMTP、HTTP都是基于TCP的应用层协议，端口号分别为110，25和80，但DNS是基于UDP的协议，采用UDP 53端口号，而不是 TCP端口。

三、无连接服务与面向连接服务

• 无连接服务：数据传输之前无需与对端进行任何信息交换（即“握手”），直接构造传输层报文段并向接收端发送。 ——UDP
• 面向连接服务：在数据传输之前，需要双方交换传输控制信息，建立逻辑连接，然后再传输数据，数据传输结束后还需要再拆除连接。 ——TCP

传输层的复用与分解

• 多路复用与多路分解：是传输层的一项基本功能，支持众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。

无连接与面向连接的多路复用与分解：

• 无连接：UDP套接字——<目的IP地址，目的端口号>
• 面向连接：TCP套接字——<源Ip地址，源端口号，目的IP地址,目的端口号> 标识一条TCP连接

停—等协议与滑动窗口协议

一、可靠数据传输基本原理

实现可靠数据传输的措施:

1. 差错检测：利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检测。
2. 确认：接收方向发送方反馈接收状态。
3. 重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。
4. 序号：确保数据按序提交。
5. 计时器：解决数据丢失问题。

二、停—等协议
1、停—等协议的主要特点：每发送一个报文段后就停下来等待接收方的确认。

2、停—等协议的基本工作过程是：

1. 发送方发送经过差错编码和编号的报文段，等待接收方的确认；（发送并等待确认)
2. 接收方如果正确接收报文段，即差错检测无误且序号正确则接收报文段，并向发送方发送ACK，否则丢弃报文段，并由发送方发送NAK；(接收并确认/否认）
3. 发送方如果收到ACK，则继续发送后续报文段，否则重发刚刚发送的报文段。（继续发送/重发)

3、停—等协议的主要性能问题：停止—等待机制降低了信道利用率。

4、解决方法：流水线协议或管道协议——允许发送方在没有收到确认前连续发送多个分组。

5、流水线协议的改进：增加分组序号范围;发送方和（或)接收方必须缓存多个分组。

6、典型的流水线协议：滑动窗口协议

三、滑动窗口协议

注释：上图中发送/接收窗口中数字下面带横线意味着是待确认/接收的报文段，而无横线的则是已经确认/接收的报文段

两种最具有代表性的滑动窗口协议：

• 回退N步(Go-Back-N，GBN）协议：
  发送端窗口大小较大，可以在未得到确认前连续发送多个分组但接收窗口大小仅为1，只能接收1个按序到达的分组，未按序到达的分组或者某个分组差错，就会引起发送方重发该分组及其之后的所有分组。
• 选择重传(Selective Repeat,SR）协议：
  增加接收方缓存能力（接收窗口>1)，缓存正确到达但失序的分组，仅要求发送方重传未被接收方确认的分组，等缺失分组到达后一并向上层按序提交。

用户数据报协议（UDP)

定义：用户数据报协议（UDP）是Internet传输层协议,提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。

一、UDP数据报结构

1. 源和目的端口号：用于UDP实现复用与分解。

2. 长度字段：在UDP报文段中的字节数(首部和数据的总和)。

3. 校验和：接收方用来检测该报文段是否出现了差错。
   
   计算校验和：

   1.对所有参与运算的内容(包括UDP报文段)按16位(16位对齐)求和;
   
   2.求和过程中遇到的任何溢出(即进位)都被回卷（即进位与和的最低位再加）;
   
   3.最后得到的和取反码。
   

传输控制协议（TCP)

一、TCP报文段结构

1. 序号：总的一个报文进行划分得到的报文段进行编号
2. 确认号：接收方接收到数据以后，告知发送方已接收到哪些数据并且希望接下来接收哪些数据
3. 数据偏移：TCP报文在传输过程中仍然可能会被切分成小的段，由数据偏移来标识同一个序号里的不同小段
4. URG：紧急指针位——一些特殊情况下紧急指针有效（URG为1，若URG为0则紧急指针位的数据无效）
5. ACK:为1，确认号的数据则有效
6. PSH：告知TCP协议此数据可以很快地提交
7. RST：复位，通知对方需要重新建立TCP连接
8. SYN：同步请求，在连接时和对方协商报文的起始编号等等
9. FIN:拆除连接，通信结束

二、TCP连接管理

连接建立——三次握手：

1. SYN连接请求
2. SYN/ACK请求
3. ACK确认

TCP三次握手建立连接过程：

TCP断开连接的过程——四次挥手

三、TCP可靠数据传输

1.TCP的可靠数据传输实现机制包括差错编码、确认、序号、重传、计时器等。

2.TCP的可靠数据传输是基于滑动窗口协议，但是发送窗口大小动态变化。

1. 封装TCP报文段
2. 发出一个报文段后启动一个计时器
3. 通过校验和发现数据差错
4. 通过序号重新排序，丢弃重复的报文段
5. 流量控制

四、TCP流量控制

1.TCP协议利用窗口机制实现流量控制，但不是简单的滑动窗口协议。

2.TCP连接建立时，双方都为之分配了固定大小的缓冲空间;TCP的接收端只允许另一端发送其缓冲区所能接纳的数据。

1. 接收端在给发送端发送确认段时，通告接收窗口大小
2. 发送端在接下来发送数据段时，确保未确认段的应用层数据总量不超过接收端通告的接收窗口大小，从而确保接收端不会发生缓存溢出。

五、TCP拥塞控制

1.窗口机制:
通过调节窗口的大小实现对发送数据速率的调整。

2.窗口调整的基本策略:
AIMD (Additive Increase,Multiplicative Decrease)加性增加，乘性减小;
网络未发生拥塞时，逐渐“加性”增大窗口大小，当网络拥塞时“乘性”快速减小窗口大小。

3.TCP的拥塞控制算法:
包括了慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复4部分。