计算机网络之运输层

川长思鸟来 2023-08-17 17:07 50阅读 0赞

## 第五章 运输层 ##

在计算机网络中，通讯的真正端点并不是主机而是主机中的进程。运输层提供应用进程间的逻辑通信。  
对于普通用户来说物理层、数据链路层、网络层的细节都是都屏蔽的，进程之间的通信可以抽象成运输层之间直接相连。

运输层的两个主要协议：

*  用户数据报协议UDP
 *  传输控制协议TCP

TCP（端口号为23）与UDP（端口号为53）的区别  
1、TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付  
3、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）  
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信  
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节  
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道  
注：  
TCP的优势在于其安全性  
UDP的优势在于其性能

## TCP传输控制协议 ##

TCP报文（或UDP报文）是通过IP数据报进行数据传输。  
1. TCP报文先传送到IP层（即网络层），加上IP首部后（转换成IP数据报）  
2. 再传送到数据链路层，加上数据链路层的首部和尾部后（封装成PPP帧或MAC帧）  
3. 才离开主机发送到物理链路（即物理层，以比特流的形式进行传输）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

TCP发送方不保证接收方能完整地将数据块传输到接收方，所以TCP数据校验是通过依靠接收方来完成。  
TCP借助缓存的方式，能够完整高效地将过长或过短的数据发送出去。

## TCP可靠传输的工作原理 ##

TCP发送的报文段是交给IP层传送的。但IP层只能提供尽最大努力服务，也就是说TCP下面的网络层所提供的是不可靠的传输。  
因此TCP要有数据校验和数据重发机制。

TCP采用一种停止等待协议，即自动重传请求ARQ。重传的请求是自动进行的，如果接收方没有向发送端发送确认响应，发送方会自动重发出差的分组（即数据报）

*  A发送部分数据M1，就会暂停发送等待B的确认响应。
 *  如果数据丢失，B将不会发出确认响应，A会自动重新发送丢失的数据，B也会把接收到的可能出错（即部分缺失）的数据丢失。
 *  A在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本（在发送超时重试时使用）。只有收到相应的确认后才能清除暂时时保留的分组副本。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    为了提高传输效率，提高信道的利用率，发送方可以不使用这种低效率的停止等待协议，而是采用流水线传输。  
    流水线传输就是发送方可连续发送多个分组，不必没发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。

**连续ARQ协议**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

同时传输：采用发送窗口的方式，可以同时（不是时间上的同时，而是按照1->5的顺序）发送  
累计确认：接收方不必对收到的分组逐个发送确认，只对达到的最后一个分组发送确认。  
这种方式可以很大提升信道利用率，但是如果通信线路不好，发送窗口中的中间的一个分组丢失（3），需要把它之后的分组都重发。（3、4、5）

**TCP数据报（TCP首部最小长度的20字节）**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
1.源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。  
2.数据序号：占4个字节，TCP是面向字节流的，每一个字节都按顺序编号。  
3.确认序号：占4个字节，期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序列。  
4.偏移：占4个字节，指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文的起始处的距离。  
5.保留：占6位，暂未使用。  
6.UAPRSF:表示状态的表示位。  
7.紧急指针：指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据之后就是普通数据）  
8.选项：长度可变，最大为40字节，备用用来提高传播延时和带宽等。

**TCP的流量控制**  
利用滑动窗口实现流量控制  
流量控制：让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。（接收要对数据进行校验，所以接收速率是低于发送速率）  
流量控制是点对点通信量的控制。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
发送方的发送窗口是可变的，并且发送窗口不能超过接收方的接收窗口的数值。  
TCP的窗口的窗口单位是字节，不是报文段。

**TCP的拥塞控制**  
拥塞：指的是在某段时间。若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能大大折损。  
所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，使网络中的路由器或链路不致过载。

拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。  
而流量控制往往是指点对点通信量的控制，是个端到端的问题。

拥塞控制的方法：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复

## TCP连接管理 ##

**TCP的三次握手：（3次数据传输）**  
SYN同步序列号 ACK确认值 seq、ack确认编号 （ack+1 告诉上一个主机自己数据接收完毕）  
1.第一次：客户端发送同步序列编号 客户端进入send状态 syn=1  
2.第二次：服务器端接收客户端发送的同步序列号，并且发送该同步序列号和确认字符 服务器进入接收状态 SYN=1 ACK=1  
3.第三次：客户端接收同步序列号和确认字符 连接成功

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
**TCP的四次挥手（4次数据传输）**  
第一次： 客户端发出连接释放报文，并且停止发送数据。 FIN=1  
第二次：服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1 客户端收到服务器的确认请求后，进入停止等待状态，等待服务器端发送释放报文  
第三次: 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文  
第四次： 客户端收到服务器的连接释放报文后，发出确认 服务器接收后彻底关闭连接  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDk5MDgxOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
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