運輸層運輸層之間的通信是進程與進程之間的，通過端口的一、 運輸層協(xié)議概述1、從通信和信息處理的角度看，運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。2、當網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分中的兩個主機使用網(wǎng)絡(luò)的核心部分的功能進行端到端的通信時，只有位于網(wǎng)絡(luò)邊緣部分的主機的協(xié)議棧才有運輸層，而網(wǎng)絡(luò)核心部分中的路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時都只用到下三層的功能。 3、兩個主機進行通信實際上就是兩個主機中的應(yīng)用進程互相通信。 4、運輸層的一個很重要的功能就是復用和分用。通過端口實現(xiàn)。5、網(wǎng)絡(luò)層為主機之間提供邏輯通信，運輸層為應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信6、當運輸層采用面向連接的 TCP 協(xié)議時，盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的（只提供盡最大努力服務(wù)），但這種邏輯通信信道就相當于一條全雙工的可靠信道。當運輸層采用無連接的 UDP 協(xié)議時，這種邏輯通信信道是一條不可靠信道。 7、兩個對等運輸實體在通信時傳送的數(shù)據(jù)單位叫作運輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元 TPDU8、UDP 在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。雖然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下 UDP 是一種最有效的工作方式；TCP 則提供面向連接的服務(wù)。9、運輸層的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報與網(wǎng)際層的IP數(shù)據(jù)報的區(qū)別：IP 數(shù)據(jù)報要經(jīng)過互連網(wǎng)中許多路由器的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，但 UDP 用戶數(shù)據(jù)報是在運輸層的端到端抽象的邏輯信道中傳送的。10、硬件端口與軟件端口的區(qū)別：在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是軟件端口。路由器或交換機上的端口是硬件端口。硬件端口是不同硬件設(shè)備進行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進程與運輸實體進行層間交互的一種地址。11、端口用一個 16 位端口號進行標志。12、端口號只具有本地意義，即端口號只是為了標志本計算機應(yīng)用層中的各進程。在因特網(wǎng)中不同計算機的相同端口號是沒有聯(lián)系的。13、端口的分類：熟知端口和登記端口號合稱為服務(wù)器端使用的端口號n 熟知端口，數(shù)值一般為 01023。n 登記端口號，數(shù)值為102449151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。使用這個范圍的端口號必須在 IANA 登記，以防止重復。n 客戶端口號或短暫端口號，數(shù)值為4915265535，留給客戶進程選擇暫時使用。 二、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP1、UDP只是在 IP 的數(shù)據(jù)報服務(wù)之上增加了端口的功能和差錯檢測的功能。2、UDP 的主要特點n UDP 是無連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接。n UDP 使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，同時也不使用擁塞控制。n UDP 是面向報文的。 n UDP 支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。n UDP 的首部開銷小，只有 8 個字節(jié)。 n UDP沒有擁塞控制，很適合多媒體通信的要求3、發(fā)送方 UDP 對應(yīng)用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付 IP 層。UDP 對應(yīng)用層交下來的報文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報文的邊界。4、UDP 的首部格式（每個部分各兩個字節(jié)）源端口（不需要回送時可填0），目的端口，長度（包括數(shù)據(jù)部分，最小為8字節(jié)），檢驗和（檢查用戶數(shù)據(jù)報是否有差錯）5、IP數(shù)據(jù)報首部檢驗和與UDP數(shù)據(jù)報檢驗和的區(qū)別：IP數(shù)據(jù)報只檢驗首部，UDP則把首部和數(shù)據(jù)報部分一起檢驗了。6、偽首部與檢驗和：為了計算檢驗和在UDP首部之前再加入12字節(jié)的偽首部。偽首部不能向上遞交也不用向下傳送。接收方將UDP數(shù)據(jù)報與偽首部按二進制反碼求和，正確的結(jié)果應(yīng)為全0，否則丟棄這個數(shù)據(jù)報。7、偽首部包括源IP，目的IP，一個全0字節(jié)，一個協(xié)議字段，2字節(jié)的UDP長度三、傳輸控制協(xié)議 TCP 1、TCP 最主要的特點n TCP 是面向連接的運輸層協(xié)議。n 每一條 TCP 連接只能有兩個端點，每一條 TCP 連接只能是點對點的（一對一）。 n TCP 提供可靠交付的服務(wù)。n TCP 提供全雙工通信。n 面向字節(jié)流。 2、TCP 連接是一條虛連接而不是一條真正的物理連接。3、TCP 連接的端點：不是主機，不是主機的IP 地址，不是應(yīng)用進程，也不是運輸層的協(xié)議端口，而是套接字(socket)或插口，是端口號拼接到IP 地址后面構(gòu)成的。 套接字 socket = (IP地址: 端口號) 192.168.1.1：80TCP 連接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2) 4、同一個IP地址可以有多個不同的TCP連接，而同一個端口號也可以出現(xiàn)在多個不同的TCP連接中。 四、可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?、理想傳輸條件的兩個特點：傳輸信道不產(chǎn)生差錯，無論發(fā)送發(fā)以多快的速度發(fā)送，接送方總來的及接受數(shù)據(jù)。在這種條件下不需要采取何種措施就可以實現(xiàn)可靠傳輸。2、停止等待協(xié)議：每發(fā)送完一個分組就停止發(fā)送，等待對方確認。確認后再發(fā)下一個分組3、為了在出現(xiàn)差錯時能夠繼續(xù)通信：在發(fā)送完一個分組后，必須暫時保留已發(fā)送的分組的副本；分組和確認分組都必須進行編號；超時重傳，超時計時器的重傳時間應(yīng)當比數(shù)據(jù)在分組傳輸?shù)钠骄禃r間更長一些。 4、確認丟失和確認遲到5、使用確認和重傳機制，我們就可以在不可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)可靠的通信。6、可靠傳輸協(xié)議又稱為自動重傳請求ARQ7、信道利用率： TD：分組發(fā)送時間；RTT：分組往返時間；TA：發(fā)送確認分組所需的時間8、停止等待協(xié)議的優(yōu)點是簡單，但缺點是信道利用率太低。 9、提高信道利用率的措施：采用流水線傳輸：發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多個分組，不必每發(fā)完一個分組就停頓下來等待對方的確認10、連續(xù) ARQ 協(xié)議：TCP 連接的每一端都必須設(shè)有兩個窗口一個發(fā)送窗口和一個接收窗口。發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)可以連續(xù)發(fā)送出去，不需要等待對方的確認，接收方采用累積確認，對按序到達的最后一個分組確認，表示：到這個分組為止的所有分組都已正確收到了。發(fā)送方每接收到一個確認，就把發(fā)送窗口向前滑動一個分組單位。五、TCP 報文段的首部格式1、源端口和目的端口字段各占 2 字節(jié)。端口是運輸層與應(yīng)用層的服務(wù)接口。運輸層的復用和分用功能都要通過端口才能實現(xiàn)。 2、序號字段占 4 字節(jié)。TCP 連接中傳送的數(shù)據(jù)流中的每一個字節(jié)都編上一個序號。序號字段的值則指的是本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。 3、確認號字段占 4 字節(jié)，是期望收到對方的下一個報文段的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。 4、數(shù)據(jù)偏移（即首部長度）占 4 位，它指出 TCP 報文段的數(shù)據(jù)起始處距離 TCP 報文段的起始處有多遠，以四個字節(jié)為單位，其實就是首部長度，最大60字節(jié)。5、確認 ACK 只有當 ACK = 1 時確認號字段才有效。6、復位 RST (ReSeT) 當 RST = 1 時，表明 TCP 連接中出現(xiàn)嚴重差錯（如由于主機崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運輸連接。 7、同步 SYN 同步 SYN = 1 表示這是一個連接請求或連接接受報文8、終止 FIN (FINis) 用來釋放一個連接。FIN = 1 表明此報文段的發(fā)送端的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放運輸連接。 9、窗口字段 占 2 字節(jié)，用來讓對方設(shè)置發(fā)送窗口的依據(jù)，單位為字節(jié)。10、檢驗和 占 2 字節(jié)。檢驗和字段檢驗的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。檢驗規(guī)則和UDP檢驗和一樣。11、緊急指針字段 占 16 位，指出在本報文段中緊急數(shù)據(jù)共有多少個字節(jié)12、MSS 是 TCP 報文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長度13、選項字段 長度可變。包括：n 窗口擴大選項 占 3 字節(jié)， n 時間戳選項占10 字節(jié)，其中最主要的字段時間戳值字段（4 字節(jié)）和時間戳回送回答字段（4 字節(jié)）。用來計算往返時間，處理TCP序號超過2的32次方的情況，防止序號繞回，時間戳可以做個標記n 選擇確認選項14、填充字段，填0，這是為了使整個首部長度是 4 字節(jié)的整數(shù)倍。 六、TCP 可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)1、TCP的滑動窗口以字節(jié)為單位2、窗口越大，發(fā)送方就可以在收到確認之前發(fā)送更多的數(shù)據(jù)，傳輸效率高，但是接收方必須來的及接收。3、 窗口的分類：發(fā)送窗口，可用窗口，未確認窗口4、 A 的發(fā)送窗口并不總是和 B 的接收窗口一樣大（因為有一定的時間滯后）。5、TCP 要求接收方必須有累積確認的功能，這樣可以減小傳輸開銷。 6、緩存和窗口的關(guān)系：緩存一般大于窗口7、發(fā)送緩存與接收緩存的作用發(fā)送緩存用來暫時存放：發(fā)送應(yīng)用程序傳送給發(fā)送方 TCP 準備發(fā)送的數(shù)據(jù)；TCP 已發(fā)送出但尚未收到確認的數(shù)據(jù)。 接收緩存用來暫時存放：按序到達的、但尚未被接收應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)； 不按序到達的數(shù)據(jù)。8、超時重傳時間的選擇： RTO = RTTS + 4 RTTD 平均往返時間 新的 RTTS = (1 - a) (舊的 RTTS) + a (新的 RTT 樣本) 0 a < 1 推薦=0.125RTT 的偏差的加權(quán)平均值 新的 RTTD = (1 - b) (舊的RTTD) + b RTTS - 新的 RTT 樣本b推薦=0.259、如何判定一個確認報文段是對原來的報文段 1 的確認，還是對重傳的報文段 2 的確認？ 采用Karn 算法:在計算平均往返時間 RTT 時，只要報文段重傳了，就不采用其往返時間樣本。修正的 Karn 算法:報文段每重傳一次，就把 RTO 增大一些：10、選擇確認sack是解決：接收方收到了和前面的字節(jié)流不連續(xù)的兩個字節(jié)塊，怎樣讓發(fā)送方只發(fā)送沒有到達的數(shù)據(jù)段11、使用SACK時要將TCP首部中的SACK位置1，然后再選項字段填入未接受到的斷塊的邊界值，每個邊界值占4個字節(jié)，確定一個斷塊要用兩個邊界值，所以選項字段最多只能指明4個字節(jié)塊的信息。另外還要一個選項指明是SACK選項，一個指明SACK占用的字節(jié)數(shù)七、TCP 的流量控制：利用滑動窗口實現(xiàn)流量控制1、流量控制(flow control)就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，既要讓接收方來得及接收，也不要使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。2、丟失報文導致互等死鎖的解決辦法：持續(xù)計時器n TCP 為每一個連接設(shè)有一個持續(xù)計時器。n 只要 TCP 連接的一方收到對方的零窗口通知，就啟動持續(xù)計時器。n 若持續(xù)計時器設(shè)置的時間到期，就發(fā)送一個零窗口探測報文段（僅攜帶 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)），而對方就在確認這個探測報文段時給出了現(xiàn)在的窗口值。n 若窗口仍然是零，則收到這個報文段的一方就重新設(shè)置持續(xù)計時器。n 若窗口不是零，則死鎖的僵局就可以打破了。 3、發(fā)送方的發(fā)送窗口不能超過接收方給的接收窗口的數(shù)值，TCP窗口的單位是字節(jié)。4、 考慮到傳輸效率，要解決TCP 報文段的發(fā)送時機的選擇:n 長度限制：第一種機制是 TCP 維持一個變量，它等于最大報文段長度 MSS。只要緩存中存放的數(shù)據(jù)達到 MSS 字節(jié)時，就組裝成一個 TCP 報文段發(fā)送出去。n 自己要求：第二種機制是由發(fā)送方的應(yīng)用進程指明要求發(fā)送報文段，即 TCP 支持的推送(push)操作。n 時間限制：第三種機制是發(fā)送方的一個計時器期限到了，這時就把當前已有的緩存數(shù)據(jù)裝入報文段（但長度不能超過 MSS）發(fā)送出去。八、TCP的擁塞控制1、在某段時間，若對網(wǎng)絡(luò)中某資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞產(chǎn)生擁塞，即資源需求>可用資源2、擁塞控制與流量控制的關(guān)系：擁塞控制是一個全局性的過程，就是防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不致過載。流量控制往往指在給定的發(fā)送端和接收端之間的點對點通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來得及接收。 3、擁塞控制要解決好網(wǎng)絡(luò)吞吐量與負載的關(guān)系4、幾種擁塞控制方法：慢開始和擁塞避免，快重傳和快恢復5、發(fā)送方維持一個叫做擁塞窗口 cwnd 的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動態(tài)地在變化。發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于或小于擁塞窗口。6、發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，發(fā)送更多的分組。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。 7、“擁塞避免”不能完全避免擁塞，只是說在擁塞避免階段把擁塞窗口控制為較多按線性規(guī)律增長，使網(wǎng)絡(luò)比較不容易出現(xiàn)擁塞。 8、快重傳算法：快重傳算法首先要求接收方每收到一個失序的報文段后就立即發(fā)出重復確認。這樣做可以讓發(fā)送方及早知道有報文段沒有到達接收方。 發(fā)送方只要一連收到三個重復確認就應(yīng)當立即重傳對方尚未收到的報文段。 9、快恢復算法：當發(fā)送端收到連續(xù)三個重復的確認時，就執(zhí)行“乘法減小”算法，把慢開始門限 ssthresh 減半，然后執(zhí)行加法增大。這是因為三個確認報文能夠到達發(fā)送端，網(wǎng)絡(luò)很可能沒有擁塞10、發(fā)送窗口的上限值 = Min rwnd, cwnd 接收方窗口 rwnd 和擁塞窗口 cwnd 九、TCP 的運輸連接管理1、運輸連接就有三個階段，即：連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放。2、TCP 連接的建立都是采用客戶服務(wù)器方式。主動發(fā)起連接建立的應(yīng)用進程叫做客戶(client)。被動等待連接建立的應(yīng)用進程叫做服務(wù)器(server)。 3、TCP用三次握手建立連接：A表示發(fā)送方，B表示接收方（1）A 的 TCP 向 B 發(fā)出連接請求報文段，其首部中的同步位 SYN = 1，并選擇序號 seq = x，表明傳送數(shù)據(jù)時的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號是 x。（2）B 的 TCP 收到連接請求報文段后，如同意，則發(fā)回確認。 B 在確認報文段中應(yīng)使 SYN = 1，使 ACK = 1， 其確認號ack = x + 1，自己選擇的序號 seq = y。（3）A 收到此報文段后向 B 給出確認，其 ACK = 1， 確認號 ack = y + 1。 A 的 TCP 通知上層應(yīng)用進程，連接已經(jīng)建立。 4、 TCP 的連接釋放：四次握手釋放連接。A表示發(fā)送方，B表示接收方（1）A 把連接釋放報文段首部的 FIN = 1，其序號seq = u，等待 B 的確認。（2）B 發(fā)出確認，確認號 ack = u + 1， 而這個報文段自己的序號 seq = v。 TCP 服務(wù)器進程通知高層應(yīng)用進程。 從 A 到 B 這個方向的連接就釋放了，TCP 連接處于半關(guān)閉狀態(tài)。B 若發(fā)送數(shù)據(jù)，A 仍要接收。（3）若 B 已經(jīng)沒有要向 A 發(fā)送的數(shù)據(jù)，其應(yīng)用進程就通知 TCP 釋放連接。 （4）A 收到連接釋放報文段后，必須發(fā)出確認。 5、數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，通信的雙方都可釋放連接。6、發(fā)送方確認后必須等待 2MSL 的時間后才能真正釋放連接理由如下：第一，為了保證 A 發(fā)送的最后一個 ACK 報文段能夠到達 B。第二，防止 “已失效的連接請求報文段”出現(xiàn)在本連接中。A 在發(fā)送完最后一個 ACK 報文段后，再經(jīng)過時間 2MSL，就可以使本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文段，都從網(wǎng)絡(luò)中消失。 整理者：福州大學 張毅