【计算机网络原理】第三章 传输层

一，传输层的基本服务

传输层功能

• 核心任务：为==应用进程==之间提供端到端的==逻辑通信服务==
• 主要内容：
  传输层寻址；
  应用层报文的分段和重组；
  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；
  端到端流量控制；
  拥塞控制。

注意：
传输层协议只需在端系统实现
通信的真正端口是主机中运行的应用进程而非主机

传输层寻址与端口

• 端口号：用统一的寻址方法对应用进程进行标识
• IP地址+端口号 实现唯一标识一个通信端点，这个端点便是应用进程
• 端口号16位整数，包含三类端口：
  （1）熟知端口号，0~1023 ——如HTTP的80端口
  （2）登记端口号，1024~49151——也是固定分配，使用该范围的端口号需要在IANA登记，以防止重复
  （3）客户端口号或短暂端口号，留给客户进程选择==暂时使用==

无连接服务与面向连接服务

无连接服务

数据传输之间无需对端进行任何信息交换，直接构造传输层报文端并向接收端发送

——UDP

面向连接服务

在数据传输之前，需要双方交换一些控制信息，建立逻辑连接，然后再传输数据，数据传输后还需要==拆除连接==

——TCP

二，传输层的复用和分解

多路复用与多路分解

支持众多应用进程公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

DCP式

DCP的多路复用和多路分解

靠DCP套接字<目的IP地址，目的端口号>判断给哪个端口的应用程序

TCP式

TCP套接字 <源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号>

与DCP的区别就是TCP式的多路复用和多路分解是面向连接服务

即==着重分清源端与目的端的连接关系==

三，停——等协议与滑动窗口协议

可靠数据传输基本原理

实现措施

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——规定的时间没收到，确认丢失

停——等协议

• 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
  这就是停——等
• 基本工作进程

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
2. 若接收方查得差错检测无误同时序号正确，则接收报文段并向发送方发送==ACK==，否则丢弃报文段并向发送方发送==NAK==
3. 接收方收到ACK，继续发送剩余报文段
   接收方收到NAK，重发刚发送的报文段

滑动窗口协议

停——等协议的主要性能问题

==停——等机制降低了信道的利用率==

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

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

滑动窗口协议便是典型流水线协议

俩种最具代表性的滑动窗口协议：

1. 回退N步（GBN）协议
   发送端窗口较大，可以在未得到确认前连续发送多个分组；但接收窗口仅为1,未按序到达的分组或某个分组出错，==都会使发送方重新发送==
2. 选择重传（SR）协议
   接收方窗口>1，缓存正确到达但失序分组，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
   即==只要分组内不出现错误就缓存下来，获得全部分组在按序发送==

四，用户数据报协议（UDP）

==无连接，不可靠==

UDP数据报结构

1. 源与目的端口号：用于UDP实现复用和分解
2. 长度字段：字节数——首部和数据总和
3. 校验和：接收方用来检测该报文段是否出现差错

UDP校验和

1. 对所有参与运算的内容（包括UDP报文段）按16位求和
2. 求和过程中的进位与和的最低位再加
3. 最后取反码

五，传输控制协议（TCP）

TCP报文段结构

实现数据分段传输、可靠传输、流量控制、避免网络拥塞

TCP连接管理

连接建立——三次握手

1. SYN连接请求
   同步请求，在连接建立时用来同步序号
2. SYNACK确认
   同步确认
3. ACK确认
   由客户端进行最后一次确认
4. 握手成功，双方开始数据传输

• 当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段
• 对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1
• ACK确认：ACK等于1时确认号字段才有效
• TCP规定，连接建立后所有传送的报文段都必须将ACK置1

断开连接——四次挥手

• 终止FIN：用来释放一个连接，当FIN=1，表明报文段的发送方数据已发送完毕，并要求释放传输连接

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（上述有提到）
2. TCP的可靠数据传输基于滑动窗口协议，但发送窗口大小是动态变化
   流程：
   （1）封装TCP报文段，包括校验，序号…
   （2）发出一个报文段后启动一个计时器，通过计时器判断是否重传
   （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

TCP流量控制

利用窗口机制实现流量控制

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

• 接收端在给发送端发送确认段时，通告接收窗口大小
• 发送端在接下来发送数据端是，确保未确认段的应用层总量不超过接收端通告的接收窗口大小

TCP拥塞控制

• 窗口机制：
  通过调节窗口大小实现对发送数据速率的调整

• 窗口调整的基本策略
  AIMD
  网络不拥堵时，窗口可以逐渐增大，速率加快
  网络拥堵，则快速减小窗口大小
  被称为：加性增加，乘性减小
  如当网络不拥堵，可以加性逐步增加窗口的大小，直到网络拥堵，便乘性快速减小

• 拥塞控制算法
  慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复

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