计算机网络之传输层

传输层为运行在不同主机上的进程提供了端到端的逻辑通信机制，主要包括UDP、TCP两个协议

一、基本的工作方式：

发送端：将应用层递交的消息分成一个或多个segment（报文段），并向下传输给网络层

接收端：将接收到的segment组装成消息并交给上层应用层

二、TCP、UDP协议

1、TCP特点

• 提供点对点的通信机制

• 可靠、按序的字节流机制

• 流水线机制

• 发送方、接收方缓存

• 全双工，同一连接中能够传输双向数据流

• 累计确认机制，该序列号之前的所有字节均已被正确接收到

2、TCP段结构

• 序列号：是指segment中第一个字节的编号，建立TCP连接时双方随机选择序列号

• ACKs：希望接收到的下一个字节的序列号

3、UDP

基本是对IP协议简单封装的基础上加上以下两个功能：

UDP多路复用、多路分用

• 传输层依据头部信息将收到的Segment交给正确的Socket，即不同的进程；

• 从多个Socket接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层；

UDP检验和（checksum）

三、可靠数据传输（rdt）原理

何为可靠：数据包不错、不丢、不乱

1. 流水线机制

流水线机制即同时发送多个packet。

2. 滑动窗口

管理空中的packet（未经确认），即序列号的范围。随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前滑动。主要包括：GBN，SR。

• GBN 处理乱序时，由于接收方没有缓存，因此重发的packet较多，造成一定的浪费

• SR 接收方对每个packet单独进行确认，设置缓存机制，缓存乱序到达的packet 发送方只重传没收到ACK的分组（每个packet有单独的计时器）

3. 可靠数据传输

1. TCP RTT和超时 大于RTT，过短会造成不必要的重传，过长会对段丢失时间反应慢

2. 如何估计RTT？

   SampleRTT：测量从段发出去到收到ACK的时间，求平均值EstimatedRTT。移动加权平均： EstimatedRTT = (1-⍺)EstimatedRTT + ⍺sampleRTT

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

   超时时间TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT

3. TCP发送方发送数据流程

• 从应用层接收到数据

• 创建Segment

• 序列号是Segment第一个字节的编号

• 开启计时器

• 设置超时时间：TimeOutInterval

• 重传引起超时的Segment

• 重启定时器

• 如果确认此前未确认的Segment，更新SendBase，如果窗口中存在未被确认的packet，重新启动计时器

快速重传机制

如果发送方收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失，在定时器超时之前即进行重传。

四、流量控制

基本思想：控制发送方传输数据不能太多、太快，以至于淹没接收方（buffer溢出）

方式：

1. Receiver通过在Segment的头部字段将RcvWindow告诉Sender

2. Sender限制自己已经发送的但未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸

• 注意：如果Sender接收到RcvWindow=0，会出现什么情况？ 在这种情况下，发送方仍然可以发送很小的段，从而可以让接收方回复新的RcvWindow大小。

五、连接管理

发送发和接收方在传输数据之前会建立连接，同时交换Buffer和流量控制信息等。

* 通过三次握手建立连接：

1. 客户主机向服务器发送SYN报文段，初始序列号等，此外不携带其他任何数据

2. 服务器收到SYN报文段，答复SYNACK报文段，服务器分配缓存，选择初始序列号并答复客户机

3. 客户机收到服务器SYNACK报文段后，会答复一个ACK报文段

为什么需要三次握手？两次是否可行？

* 通过四次握手断开连接：

1. 客户端和服务端都可以主动发起断开

2. 客户端socket调用关闭的函数，发送FIN报文段

3. 服务器收到后，答复ACK

4. 服务器发送FIN报文段

5. 客户端收到FIN后，答复ACK，并等待一段时间（一般30s），如果这段时间内再次收到FIN，会再次发送ACK。

六、拥塞控制

太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，导致网络无法处理。

主要表现：packet丢失（路由器缓存溢出）、分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

代价：时延变大，上游传输能力被浪费。

那么如何进行拥塞控制呢？管制发送方发送速率

• 端到端拥塞控制 网络层不需要显式的提供支持，端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞（TCP采用此种方式）

• 网络辅助的拥塞控制 路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息，简单的拥塞指示（1bit）

ATM ABR（available bit rate）拥塞控制

发送发发送RM cells，交换机设置RM cell位：NI bit：rate不许增长，CI bit：拥塞指示。RM cell由接收方返回给发送方。

TCP如何控制网络速率：

• 加性增-乘性减：AIMD

逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，直到发生loss。每个RTT将congwin增大一个MSS，发生loss后将CongWin减半。

• 慢启动：SS

当连接开始时，指数性增长。TCP连接建立时，CongWin=1，例：MSS=500 byte，RTT=200msec，初始速率=20k bps。初始速率很慢，但是快速攀升。

• Threshold变量

该变量控制指数增切换到加性增。loss事件发生时，Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2。

• Loss事件的处理

如果是3个重复的ACK，CongWin将为原来的1/2，如果是超时造成的loss，CongWin降为1。