（Net）第5章 運輸層
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第5章 運輸層
文章目錄
協議一直是兩個實體水平方向上的邏輯通訊
網路層解決倆機器怎麼傳
運輸層解決倆機器對應的程序怎麼通訊（通過 Port）
5.1 運輸層協議概述
運輸層協議最重要的就是提供埠 Port
1.無連線的 UDP 協議
-
使用者資料報協議 UDP（User Datagram Protocol）
PDU： UDP 使用者資料報
看個電影啥的沒必要用 TCP，廣播組播只能用 UDP，傳多媒體這種大量位元組的也用 UDP
2.面向連線的 TCP 協議
-
傳輸控制協議 TCP（Transmission Control Protocol）
PDU： TCP 報文段（segment）
提供可靠性，每個位元組都編號、排序，（較麻煩）且只能一對一
16 位埠號（0-65535）
熟知埠號（well-known port number，知名埠號，系統埠號，大明星埠）【0~1023】
常用：應用層常用的協議
| 應用程式 | FTP | TELNET | SMTP | DNS | HTTP |
|---|---|---|---|---|---|
| 知名埠號 | 21 | 23 | 25 | 53 | 80 |
登記埠號，小明星埠（也有規定）【1024~49151】
臨時埠，野埠【49152~65535】
5.2 使用者資料報協議UDP
- 無連線
- 盡最大努力交付
- 面向報文
啥都不做，8個位元組往上一加就完事了（麻袋一套）
8個位元組的首部格式：（無需協議號，直接交到程序了）
| 源埠 | 目的埠 | UDP長度 | 檢驗和 |
|---|---|---|---|
| 2 位元組 | 2 | 2 | 2 |
還有個偽首部，不傳送，但是算校驗和的時候用（UDP 17，TCP 6）
（和反碼，與IP校驗類似，正常加，不模2，max不進位或尾加1）
5.3 傳輸控制協議TCP 概述
只能一對一
全雙工，面向位元組流（UDP 是面向報文的，TCP 全拆成位元組，然後編號）【不關心應用層報文多長】
TCP 連線是一條虛連線（即邏輯連線），而不是一條真正的物理連線
套
接
字
s
o
c
k
e
t
=
(
I
P
地
址
:
端
口
號
)
套接字\ socket = (IP\ 地址:埠號)
套接字socket=(IP地址:端口號)
IP 地址確定兩臺主機，埠號確定對應程序
每一條 TCP 連線唯一地被通訊兩端的兩個端點（即兩個套接字）所確定【一對套接字確定一條 TCP 連線】
5.4 可靠傳輸的工作原理
確保可靠性：確認 + 重傳
停止等待協議：停等協議，是一個理想協議（死等確認）
為了防止死等，在發後啟動重傳計時器（超時重傳），t 略大於 往返時間，這段時間裡A保留副本（要有編號）
三點：（分組定義泛化為 PDU）
-
t 時間內必須保留副本
-
分組和確認分組都要有編號
-
t 略大於平均往返時間
如果確認丟了，或者確認遲到了，問題不大，分組和確認都有編號（認不錯）
至此，我們在不可靠的傳輸網路上實現了可靠的通訊
ARQ 協議（Automatic Repeat reQuest，自動重傳協議），有計時器，是自動進行的
T
D
:
發
送
分
組
需
要
的
時
間
T
A
:
發
送
確
認
分
組
需
要
的
時
間
R
T
T
:
平
均
往
返
時
間
(
非
固
定
，
網
絡
是
變
動
的
，
有
專
門
的
算
法
)
T_D: 傳送分組需要的時間\\ T_A: 傳送確認分組需要的時間\\ RTT: 平均往返時間(非固定，網路是變動的，有專門的演算法)
TD:發送分組需要的時間TA:發送確認分組需要的時間RTT:平均往返時間(非固定，網絡是變動的，有專門的算法)
通道利用率 : T D T D + R T T + T A \colorbox{yellow}{通道利用率}:\ {\frac {T_D} {T_D + RTT + T_A}} 信道利用率:TD+RTT+TATD
停等協議的通道利用率較低，RTT 內傻等確認，超時自動重傳
解決辦法：用流水線，一次發多(n)個報文，但佔的資源多，n 個計時器（故只能有限個）
連續 ARQ 協議，滑動視窗，在視窗內的可以發
傳送視窗，滑出去後就丟棄副本，【累積確認】【Go-back-N 回退】（1 3 4，等2來後累積確認，若2丟則234全重傳）
5.5 TCP 報文段的首部格式
雖然 TCP 是面向位元組流的，但其 PDU 仍是報文段
首部前20位元組固定
再分五行，一行四位元組
第一行：2位元組源埠，2位元組目的埠
第二行：4位元組序號 seq
- 第一個位元組的編號【接下來每個位元組就按順序編號】，號碼用完後再從0開始
第三行：4位元組確認號 ack
- 是期望收到對方下一個報文段的首位元組的序號，還沒發【確認號是N的話就是對前N - 1個全部確認】
第四行：4位資料偏移 + 6位保留 + 6位控制 + 2位元組視窗
-
資料偏移，偏移了一個首部的長度（單位是4位元組）
-
6個控制位
緊急 URG（URGent），配合緊急指標使用 確認 ACK（ACKnowledg），ACK = 1 時，帶有確認 推送 PSH（PuSH），PSH = 1 時，不等到填滿再交了，直接推 復位 RST，一般不用 同步 SYN（SYNchronization），各自的第一個報文段，建立連線用，SYN置1 終止 FIN（FINis），結束連線 -
視窗，指接收視窗（我的接受能力），從而決定傳送視窗的大小【視窗值經常在動態變化著】
第五行：2位元組檢驗和，2位元組緊急指標
- 緊急指標：緊急資料的長度（從第一個開始）
後面可變的選項不確定長度，有個填充幫忙填充至4的倍數
最初只規定了一種選項，最大報文長度 MSS（Maximum Segment Size），不算首部
5.6 TCP 可靠傳輸的實現
重點理解（以位元組為單位的）滑動視窗
假定 A 發資料，B 給確認
根據 B 確定傳送視窗的大小，等累積確認後，滑動
為啥視窗的大小會變？
傳送緩衝區：包括已傳送待確認的 + 未傳送的
接收緩衝區：包括已確認未遞交的 + 未確認的（遞交到應用層）
5.7 TCP 的流量控制
流量控制，就是告訴傳送方：悠著點，別發太快（傳送視窗別比我的接收視窗還大），讓接收方來得及接收
【反饋控制】
window（wnd），接收視窗（rwnd）
A 發前 200，B 收到後給個確認：ack = 201，rwnd = 300
（前200收到了但還未遞交，緩衝佔了200所以 rwnd=300，此時能接300）
若快取佔滿，B 給的確認：ack = 501，rwnd = 0【注意，死鎖了】
A 不再發了，B 也無法再通過確認告訴 A 視窗大小了
【增加一個機制：持續計時器（persistence timer），從收到 0 開始到時間 A 就發一個位元組過去（零視窗探測報文段）】
控制 TCP 傳送報文段的時機的機制：
- 往快取中放資料，放到 MSS 後就封裝成一個報文段發出去
- 應用程式指明發送（推送 push 操作），不等了，直接發
- 傳送計時器，不能狠等
5.8 TCP 的擁塞控制
擁塞控制，（是個全域性的概念）和傳送、接收方無關，全網傳送的時候都要悠著點
網路可用的資源小於需求，網路效能變壞，擁塞產生（congestion）
也用【反饋控制】
開環控制：事先將有關發生擁塞的因素考慮周到（這個思想程式設計可以有）
閉環控制：反饋控制（更可靠）
擁塞視窗（cwnd），大小取決於網路的擁塞程度
swnd 取 rwnd 和 cwnd 的最小值（互不影響，完全分開研究）
擁塞控制的三個階段
一階段：慢開始（slow-start），由小到大逐漸增大擁塞視窗數值
- 每經過一個傳輸輪次，翻一倍（單位是 SMSS 最大報文段）【只要不堵塞】
二階段：擁塞避免（congestion）
- 慢開始門限（自己定的閾值），到閾值後緩慢增長，cwnd + 1 / 輪次
- 一旦出現超時重傳，開始擁塞
三階段：一旦擁塞，門限值調為當前的一半，cwnd 回 1
TCP Tahoe 版本用的是慢開始（已廢棄）
TCP Reno 版本用的是快重傳
快重傳，若一連收到 3 個重複確認，不等超時了，立即傳（自此擁塞分了兩種，快重傳和超時重傳，而且快重傳可能沒擁塞）
快恢復，認為可能並沒有擁塞，cwnd 調到和門限值一樣（掉一半）
5.9 TCP 的運輸連線管理
一對一的連線
用的都是客戶伺服器方式（知道伺服器的IP、埠）
客戶：A，伺服器： B
三次握手建立連線
A 主動開啟，發控制報文：SYN = 1，seq = x（這些控制報文 Data 都為 1位元組）
B 收到後發確認：SYN = 1， ACK = 1， seq = y，ack = x+1
A 收到確認後發確認：ACK = 1，seq = x+1，ack = y+1（A 已經可以發資料了）
B 收到應答後連線建立
四次握手釋放連線
A 主動關閉，發控制報文：FIN = 1，seq = u
B 收到後發個確認：ACK = 1， seq = v，ack = u+1，然後繼續發資料但 A 一直不回確認
B 最後發個結束：FIN = 1，ACK = 1， seq = w，ack = u+1（被動關閉）
A 收到結束後發個確認：ACK = 1，seq = u+1，ack = w+1 （表示w及之前的資料都收到了，累積確認）
B 收到該確認後馬上關閉，A 再等 B 收到後再關閉（2MSL 等報文生存時間 * 2）
MSL （Maximum Segment Lifetime，最長報文段壽命）
A：分吧
B： blabla…（仍不甘心）
B：分就分
A：好！
E n d . End. End.