计算机网络自顶向下--第三章传输层笔记

1.大纲

第三章传输层的内容主要是：

• 运输层概览
  • 运输层的基本概念
  • 运输层和应用层以及网络层之间的关系
• udp协议
• 可靠传输原理
• tcp协议
  • tcp的累计确认以及超时重传机制
  • tcp的流量控制
  • tcp连接的建立和释放
  • tcp的拥塞控制

2.基本概念

• 网络分层结构：tcp/ip 网络体系中有五层，应用层、传输层、网络层、链路层、物理层。其中，在接收方，每一层需要解析底层传来的数据，交付给上层。在发送方，每一层需要接收上层的数据，封装之后交给下层。
• 套接字:套接字是应用层和传输层之间数据传输的编程接口。一个套接字由ip地址和端口号组成。
• 端口号：端口号是套接字的组成部分，可以看作是一个数据的出入口。
• 多路复用和多路分解：在接收方，传输层解析网络层的数据，将数据交给不同的套接字，这个过程叫做多路分解。相对的，在发送方，传输层接收来自不同套接字的数据，封装成数据报交付给网络层，这个过程叫做多路复用。也就是说，多个套接字共同使用传输层的服务。
• 数据报：传输层的数据单元。
• 可靠传输：传输层交付给应用层的数据是完整的，按序的，没有差错的数据。
• 发送窗口：流水线可靠传输协议中，一次最多发送N个报文，这N个报文成为发送窗口。如果把数据报按照发送时间顺序排列在数轴上，发送窗口将数据报分成三类。左边是已经确认的报文，中间是已经发送未确认的报文和未发送的报文，右边是不可用的报文。

3.传输层概览

传输层提供的是不同主机上进程和进程之间的通信服务。这种服务也被称作多路复用和多路分解服务。而网络层提供的服务是主机到主机之间的通信服务。因此，传输层和应用层网络层之间的关系是，传输层通过套接字接收来自应用层的数据，封装成数据报，交付给网络层。在实现上，我们使用源端口号和目的端口号来标识不同主机上的两个进程。

4.udp协议

udp协议是无连接的，不可靠的网络协议。udp只实现了最基本的进程间数据传输，以及简单的差错校验。
udp的报文格式如下:

首部字段包括：源端口号、目的端口号、报文长度字段、校验和
udp协议的特点:

• 无连接的（没有连接建立的时延）
• 简单的（固定的首部，只提供了基本的数据传输和差错校验功能）
• 没有阻塞控制，如果使用udp协议，开发者可以按照他们想要的速率发送数据，不会收到协议的限制

5.可靠传输原理

网络层提供的是尽力而为的服务，网络层并不保证数据的可靠传输。也就是说，在数据的传输过程中，可能会出现比特差错，丢包，数据包乱序到达等现象。因为udp只实现了最基本的进程间数据传输，以及简单的差错校验，所以udp是不可靠的。而在现实世界中，可靠传输的服务是人们需要的。tcp协议就是可靠传输的协议。书中在详细介绍tcp协议之前，首先介绍了如何实现一个可靠传输协议，然后结合可靠传输原理再去分析tcp协议。
我们需要考虑三个问题：

• 比特差错
• 丢包
• 报文失序到达

5.1 rdt1.0 可靠信道传输

考虑最简单的情况，运输层下的信道是完全可靠的，不会出现上述三个问题。
我们做如下假设：

• 信道是完全可靠的，数据传输没有任何问题。
• 我们一次只发送一个数据报。
  状态图如下:
  
  发送方事件：
• 接收应用层数据，封装成数据报发送
  接收方事件
• 解析数据报，交付给指定套接字

5.2 rdt2.0 考虑比特差错

如果考虑比特差错的情况，协议需要提供检验差错以及通知发送方重新发送报文的能力。这里引入了确认机制，对发送方发送的每个数据报，接收方都要相应的发送一个确认报文。这里使用ACK表示肯定确认，即报文没有差错，NAK表示否定确认，报文出现了差错。
还要考虑到，发送的确认报文也可能出现bit差错，所以当发送方收到一个否定确认或者出现差错的确认报文，都会重传数据报，接收方收到冗余分组，依然发送确认报文，但是将冗余分组丢弃。
状态图：

发送方事件：

• 接收应用层数据：计算校验和，生成数据报
• 接收确认报文：
  • 收到肯定报文，什么都不做
  • 收到否定或者错误报文，重传数据报
    接收方事件：
• 接收到错误报文：发送否定确认
• 接收到正常报文：发送肯定确认

5.3 rdt3.0 考虑丢包情况

网络层的传输是有可能丢包的，比如当分组大于路由器的缓存的时候，路由器会将分组丢弃。这里需要考虑到数据报丢失和确认报文丢失，为了解决丢包问题，我们引入定时器。如果超出一定时间没有收到确认报文，就重传数据报并重启定时器。
状态图：

发送方事件：

• 接收应用层数据：计算校验和，生成数据报，启动定时器
• 接收确认报文：
  • 收到肯定报文，什么都不做
  • 收到否定或者错误报文，什么都不做，等待定时器超时重传数据报
  • 定时器超时，重传数据报，重启定时器
    接收方事件：
• 接收到错误报文：发送否定确认
• 接收到正常报文：发送肯定确认

5.4 流水线可靠传输协议

上面实现的协议的数据报是一个接一个发送的，这种协议称为停等协议。他有一个明显的缺点，就是信道利用率不高。为了提高信道利用率，我们考虑一次性发送多个分组，这样的协议叫做流水线可靠传输协议。
一次发送多个分组需要考虑：

• 对数据报编号，不然我们不知道接收方的确认包是对哪一个报文的确认
• 发送方需要维护一个发送窗口，窗口的大小N意味着一次最多同时发送N个数据报
• 需要考虑报文失序到达的情况

5.4.1GBN协议 回退N步

特点：

• 一次最多发送N个报文，并且整个窗口公用一个计时器，如果计时器超时，重传所有未被确认的数据报
• 接收方采用累计确认的方式，没收到一个包，返回连续的最大序号X，这意味着x之前的报文接收方都已经收到了
• 接收方不缓存数据报，如果收到失序到达的数据报，直接丢弃
• 发送方每收到一个确认报，都需要更新窗口的baseSeq

5.4.2SR协议 选择重传

如果出现超时情况，GBN会一次重传所有没有确认的分组，这可能存在大量的冗余分组。一种改进的方法是发送方将收到的分组缓存起来，并且，发送方为窗口内每个分组设置定时器。

• 发送方为窗口内每个分组设置定时器，超时重传
• 接收方收到分组后，如果是窗口内的分组，缓存下来，发送一个确认报
• 接收方收到确认报后，观察确认分组需要，如果等于baseseq，更新窗口的baseSeq

6. tcp协议

6.1 tcp概述

tcp的特点：

• 面向连接的
• 可靠的
  面向连接指的是tcp协议有建立连接和释放连接的过程，也就是一般说的三次握手和四次挥手。可靠指的是tcp协议保证传输层交付给应用层的数据是完整没有差错并且是有序的。tcp通过累计确认、快速重传、流量控制、拥塞控制来实现可靠传输。

6.2tcp报文格式

重要字段：

• 序号：报文数据中第一个字节的序号。用来标记报文序号，和前面使用序号标记数据报的作用是一样的
• 确认号：AB之间，A填写的确认号是期望收到B的下一个数据报的序号字段的值。如果为X，意味着A通知B：X之前的字节都已经收到了
• 接收窗口：可以发送的最大字节数，用于流量控制
• 确认标志
  • ACK：用于确认报文
  • SYN：用于连接建立
  • FIN：用于连接释放

6.3 累计确认和快速重传

序号用来标记报文，确认号是期望收到的下一个数据报的序号。如果数据报超时，会重传发送窗口中所有未确认的数据报。如果连续收到三个一样的确认号，可以认为出现了丢包情况，立刻重传对应的数据报，避免出现超时情况引起大量重传。

6.4 流量窗口

如果报文失序到达，接收方需要缓存发送方发送的数据，等到数据都收到后一起上传给应用层。但是缓存的大小是有限制的，如果超过了缓存上限，会出现数据溢出的情况。所以tcp使用接收窗口字段告诉发送方最大能够发送的字节数，发送方发送的字节数不能够超过接收窗口。

6.5 tcp连接的建立和释放

tcp通信之前需要设置tcp相关变量，分配缓存空间，通信结束需要释放缓存，因此需要建立和释放tcp连接。

6.5.1 建立过程

A B两台主机建立连接
A=》B，A向B发送建立连接报文，SYN位设1，生成seq=x
B=》A，B收到建立连接报文，创建tcp连接，分配缓存空间。B向A发送确认报文，SYN位设1，ACK设1，生成seq=y，ack=x+1
A=》B，A收到确认报文，创建tcp连接，分配缓存空间。A向B发送确认报文，SYN位设0（连接已经建立），seq=x+1，ack=y+1。这个数据报可以携带数据

6.5.2 释放过程

A B两台主机
A=>B, FIN=1
B=>A, ACK=1
B=>A, FIN=1
A=>B, ACK=1 等待2msl时间，关闭连接。

6.5.3一些问题

• 为什么要三次握手？
  一方面，如果两次握手建立连接，如果存在延迟到达的建立请求包，收到后立刻建立连接会造成资源的浪费。另一方面，为了建立可靠连接，通信双方需要交换并确认各自的起始序号，