计算机网络5:传输层

一、端口的作用和分类

端口的作用

对TCP/IP体系的应用进程进行统一的标志，使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信。通俗来讲，客户端使用IP地址来定位服务器，使用目标端口来定位服务，即把数据交给相应的应用程序。端口用一个16位端口号进行标志。

三类端口

熟知端口（数值一般为0~1023，用于TCP/IP中最为重要的一些应用程序）：

ftp = TCP + 21
telnet = TCP + 23
SMTP = TCP + 25
http = TCP + 80
POP3 = TCP + 110
https = TCP+443
共享文件夹 = TCP + 445
SQL = TCP + 1433
RDP = TCP + 3389
DNS = UDP + 53

登记端口号（数值一般为1024~49151，给没有熟知端口的应用程序使用的）

客户端口号/短暂端口号（49152~65535，留给客户进程暂时使用的端口）

划分为3种端口保证了通信的准确、高效，也避免了冲突。

常见的应用层协议使用的默认端口
ftp = TCP + 21
telnet = TCP + 23
SMTP = TCP + 25
http = TCP + 80
POP3 = TCP + 110
https = TCP+443
共享文件夹 = TCP + 445
SQL = TCP + 1433
RDP = TCP + 3389
DNS = UDP + 53

PS：
1、网卡可以设置目标端口为某个值时的数据包才能进来，由此关闭非必须服务和设置网卡只接收必要服务的端口的数据包，关闭其他的端口来实现网络安全和服务器更高效率的运行。
2、通过更改服务器使用的默认端口，迷惑入侵者，使系统更加安全。
3、服务安装后必须启动才会侦听客户端请求。
4、CMD中查看服务侦听的端口的命令：
netstat -an 以数字形式显示所有连接或监听的地址和端口
netstat -n 查看建立的会话
netstat -nb 查看建立会话的进程(权限不够时需要以管理员身份运行CMD)
telnet 192.168.80.100 3389 测试远程计算机某个端口是否打开

二、TCP协议和UDP协议

UDP协议

特点：

• 无连接的（发送数据之前不需要建立连接）
• 尽最大努力交付，既不保证可靠交付，也不使用拥塞控制
• 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
• 首部开销小，只有8个字节

举例：

• QQ传文件用的是TCP、聊天用的是UDP
• 直播、多播、网络语音通话用的是UDP

首部格式

　　　　　　　　

• 长度：表示UDP用户数据报的长度
• 检验和：用到了网络层的首部信息(所以有伪首部这么一说)，再加上UDP首部和UDP数据来进行计算

TCP协议

特点：

• 面向连接
• 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点(一对一)
• 提供可靠服务
• 全双工通信
• 面向字节流

TCP的连接：

每一条TCP连接的端点不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不是传输层的协议端口。TCP连接的端点叫做套接字（socket，端口号拼接到IP地址即构成了套接字）。

首部格式

　　　　　　　　

• 序号：表示当前发送的这个数据的第一个字节是整个数据的第几个字节
• 确认号：接收方接收到一个数据后，发回一个数据指示下一个要接收的是第几个字节。比如接收了第1到5个字节，那么发送确认号为6的数据给发送方表示接下来要接收第6个字节
• 数据偏移：因为TCP首部长度是可变的（固定20个字节，最多60个字节），用数据偏移来表示首部有多少个字节，同时也表示真正的数据部分从哪里开始
• URG标记位：urgent，紧急，表示该数据在发送端是否要优先传输
• PSH标记位：push，URG是指在发送端优先传输，而PSH是指在接收端优先接收
• RST标记位：重置
• FIN标记位：用来结束一个TCP会话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据
• ACK标记位：ACK为1时确认号有效，为0时确认号无效
• SYN标记位：为1时表示建立连接（SYN攻击：客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断发送SYN包，服务器回复确认包，并等待客户的确认。由于源地址是不存在的，服务器需要不断地发送直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，正常的SYN请求被丢弃，目标系统运行缓慢，严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪）
• 窗口：描述接收方的TCP数据报缓冲区大小的数据，发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据
• 检验和：和UDP一样需要加伪首部一起运算
• 紧急指针：当URG标记位为1时才起作用。表示标记紧急处理的字节数。比如紧急指针为50，表示TCP数据部分的前50个字节是需要紧急处理的字节

三、TCP的连接和释放

建立连接——三次握手

　　　　　　　　

为什么要有第三次握手？

①假如没有三次握手，当客户端第一次发送请求连接数据，这个数据却绕远路，很久没到服务器。客户端接收不到回复，又发了一次数据。这时数据走的直线，一下子就到了服务器，服务器回复确认，开始传输数据。而第一次绕远路的请求连接数据这时到了服务器，服务器又给发了一次请求连接，但客户端已经建立了一次连接，不再搭理，造成服务器一直等待。这种情况如果太多就会造成服务器瘫掉，所以需要第三次握手来确认。

②另一个需要三次握手的原因是防止死锁：客户端向服务器发送请求连接信息，服务器收到后回复确认连接信息，按照两次握手协议，服务器认为他们已经建立起连接，然后开始传输数据给客户端。但服务器发送回去的确认连接信息丢失了，而客户端还在等待服务器的确认连接信息，这时服务器发送的数据（非确认连接信息）都被客户端拒收。而服务器发送数据后没拿到数据确认信息，以为信息丢失了，继续重复传输相同数据，造成了死锁。

释放连接——四次挥手

　　　　　　　　

数据传输结束后，通信的双方都可释放连接；

A发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接；

B发出确认，此时TCP处于半关闭状态。B若发送数据，A仍然接收；

数据发完，B的进程就通知TCP释放连接；

A收到连接释放报文段后，发出最后的确认。

为什么最后有一个time-wait状态？

当客户端发最后一个确认关闭的信息，该信息丢了，那么服务器会再发送一次请求关闭信息，如果没有time-wait状态，这个请求关闭信息会被客户端拒收。

四、TCP的可靠传输

可靠传输的工作原理——停止等待协议

　　　　　　　　　　　　　　

停止等待协议：发送完一个分组后等待对方确认，只有收到对方确认后才发送下一个分组。

超时重传

TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到了但还没有收到确认，就要重传这一报文段。

流水线传输

如果线路使用停止等待协议，发送一个分组完，等待确认后再继续发送，那么信道利用率很低，速度也慢，这时就可以使用流水线传输的方式来获得很高的信道利用率。

流水线传输的概念：发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停下来等待对方的确认。

　　　　　　　　

连续ARQ协议

指发送方维护一个滑动窗口，如果这个窗口设置为5，则依次连续发送1~5这5个分组，发送完就停下，当接收到分组1发送成功的确认，则窗口向右滑动到第6个分组，开始发送第6个分组。

累计确认

在连续ARQ协议中，如果发送方发送5个分组，接收方只收到1、2、4、5分组，第3个分组丢失了，那么确认信息的确认号是3，表示只接到第1，2个分组，让发送方把3、4、5分组重新发送一遍。

　　　　　　　　

五、TCP的流量控制

为什么要控制TCP的流量？

TCP的流量控制并不是为了缓解网络压力(TCP拥塞控制要做的事)，而是为了让发送方的发送能力匹配接收方的接收能力，以免发送端发送速率过快导致丢包的情况。

如何实现流量控制？

发送端和接收端均有发送缓存和接收缓存，发送时把分组先放在缓存中，然后通过滑动窗口发送。接收时也先放在缓存中，然后从缓存中通过滑动窗口接收。那么控制滑动窗口的大小，也就对流量进行了控制。接收方发送接收窗口大小给发送端来同步接收与发送窗口，以此实现流量控制。

六、拥塞控制

出现拥塞的原因：

对资源的需求＞可用资源

拥塞控制与流量控制的区别：

拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有主机、所有路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

流量控制指发送端和接收端点对点通信的控制，用于协调发送端和接收端的发送和接收速率。

拥塞控制的作用：

　　　　　　　　

正常来说网络的吞吐量会随着流量的变大而变大，但实际情况并不是这样，如果没有拥塞控制，那么当线路上的流量大到一定程度时吞吐量反而归零，出现死锁的情况。拥塞控制就是用来防止这种情况的发生。

实现拥塞控制的方法

拥塞窗口

发送方维持拥塞窗口，如果网络没有出现拥塞，拥塞窗口就增大，发送更多的分组；如果网络出现拥塞，拥塞窗口就减小，减少发送到网络中的分组

慢开始（或称为慢启动）

　　　　　　　　

一开始发送数据报时，如果立即将大量的数据注入到网络中，可能会出现网络的拥塞。慢开始就是在刚开始发送数据时先探测一下网络的状况，如果网络状况良好，发送方每发送一次文段都能正确的接受确认报文段。那么就从小到大的增加拥塞窗口的大小，即增加发送窗口的大小。（发送窗口取接收方窗口和拥塞窗口这两个变量中较小的一个）

拥塞避免算法

　　　　　　　　

在拥塞窗口＜ssthresh值（慢开始门限值）时，拥塞窗口大小呈指数规律增长。当拥塞窗口 ≥ ssthresh值时，拥塞窗口呈加法规律增长（放慢增长速度）。一旦出现网络拥塞，设置新的ssthresh值，该值变为出现网络拥塞时拥塞窗口的一半，而拥塞窗口也马上减少为1。

快重传和快恢复

　　　　　　　　

 

快重传算法：一旦丢失数据包，接收端马上发送三个重复的确认给发送端要求重新发送丢失的数据。

快恢复算法：快恢复算法一般与快重传算法结合使用。该算法认为你能马上发送三个确认包说明网络情况良好，所以没有必要慢启动（这样可能会降低效率），采用新的方法：

ssthresh值设置为拥塞窗口的一半，再把拥塞窗口设置为ssthersh的值（不像慢启动那样直接设置为1）