计算机网络-5-传输层

柔情只为你懂 2023-10-03 12:17 7阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  计算机网络-5-传输层
 *   *  1.传输层概述
     *   *  1.1传输层
         *  1.2传输层的两个协议
         *  1.3传输层的寻址和端口
     *  2.UDP协议
     *   *  2.1用户数据报协议UDP概述
         *  2.2UDP首部格式
     *  3.TCP协议特点&TCP报文段格式
     *   *  3.1TCP协议的特点
         *  3.2TCP报文格式
     *  4.TCP连接管理
     *   *  4.1TCP的连接建立(三次握手)
         *  4.2TCP的连接释放（四次挥手）
     *  5.TCP可靠传输
     *   *  5.1TCP可靠传输概述
         *  5.2序号
         *  5.3确认
         *  5.4重传
     *  6.TCP流量控制
     *  7.TCP拥塞控制
     *   *  7.1TCP拥塞控制
         *  7.2拥塞控制的四种算法
         *  7.3慢开始&拥塞避免
         *  7.4快重传&快恢复

## 计算机网络-5-传输层 ##

### 1.传输层概述 ###

#### 1.1传输层 ####

> 只有主机才有的层次，为应用层提供通信服务，使用网络层的服务。

**传输层的功能**：

1.  传输层提供**进程和进程**之间的逻辑通信。
2.  复用和分用。
3.  传输层对收到的报文进行差错检测。
4.  传输层的两种协议，`TCP`\-`UDP`。

#### 1.2传输层的两个协议 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名称</th> 
   <th>概述</th> 
   <th>特点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>面向连接的传输控制协议<strong>TCP</strong></td> 
   <td>传送数据之前必须建立连接，数据传送结束后要释放连接。不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的面向连接的传输服务，因此不可避免增加了许多开销：确认，流量控制，计时器及连接管理等。</td> 
   <td><strong>可靠，面向连接，时延大，适用于大文件</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>无连接的用户数据报协议<strong>UDP</strong></td> 
   <td>传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认。</td> 
   <td><strong>不可靠，无连接，时延小，使用与小文件</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 1.3传输层的寻址和端口 ####

*  **复用**：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层。
 *  **分用**：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程。
 *  **端口**：（逻辑端口，软件端口）是传输层的**SAP**，标识主机中的应用进程。
    
     *  **端口号只有本地意义**，在因特网中不同计算机的相同端口是没有联系的。
     *  端口号长度为**16bit**，能表示**65536**个不同的端口号。
    
    端口号（按范围分）：
    
     *  **服务端**使用的端口号：
        
        1.  熟知端口号：给**TCP/IP**最重要的一些应用程序，让所有用户都知道。**`0~1023`**
        2.  登记端口号：为没有熟知端口号的应用程序使用的。**`1024~49151`**
     *  **客户端**使用的端口号：仅在客户进程运行时才动态选择的端口号。**`49152~65535`**
 *  在网络中采用发送方和接收方的套接字组合来识别端点，**套接字**唯一标识了网络中的一个主机和它上面的一个进程。  
     套 接 字 S o c k e t = （ 主 机 I P 地 址 ， 端 口 号 ） 套接字Socket=（主机IP地址，端口号） 套接字Socket=（主机IP地址，端口号）

![在这里插入图片描述][3a369ad02668484e9bb22325470a40fe.png]

### 2.UDP协议 ###

#### 2.1用户数据报协议UDP概述 ####

*  UDP只在IP数据报服务之上增加了很少功能，即**复用分用**和**差错检测**功能。
 *  UDP的主要特点：
    
    1.  UDP是**无连接**的，减少开销和发送数据之前的时延。
    2.  UDP使用最大努力交付，即**不保证可靠交付**。
    3.  UDP是**面向报文**的，适合一次性传输少量数据的网络应用。
    4.  UDP**无拥塞控制**，适合很多实时应用。
    5.  UDP**首部开销小**，**8B**，**TCP20B**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

#### 2.2UDP首部格式 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

分用时，找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并给发送方发送**ICMP**“端口不可达”差错报告报文。

### 3.TCP协议特点&TCP报文段格式 ###

#### 3.1TCP协议的特点 ####

1.  **TCP**是面向连接（虚连接）的传输层协议。
2.  每一条**TCP**连接只能有两个端点，每一条**TCP**连接只能是**点对点的。**
3.  **TCP**提供**可靠交付**的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。（**可靠有序，不丢不重**）
4.  **TCP**提供**全双工通信**。
    
     *  发送缓存：准备发送的数据\*\*&\*\*已发送但尚未收到确认的数据。
     *  接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据\*\*&\*\*不按序到达的数据
5.  **TCP面向字节流**：**TCP**把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的**无结构的字节流**。
    
    > 流：流入到进程或从进程流出的字节序列。

#### 3.2TCP报文格式 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  **序号**：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的**第一个字节的序号**。
 *  **确认号**：**期望**收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
 *  **数据偏移（首部长度)**：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以**4B位单位**，即1个数值是4B。
 *  **紧急位`URG`**： `URG=1`时，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
 *  **确认位`ACK`**：`ACK=1`时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把`ACK`置为`1`。
 *  **推送位`PSH`**：`PSH=1`时，接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付。
 *  **复位`RST`**： `RST=1`时，表明`TCP`连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接
 *  **同步位`SYN`**：`SYN=1`时，表明是一个连接请求/连接接受报文。
 *  **终止位`FIN`**：`FIN=1`时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接。
 *  **窗口**：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量。
 *  **检验和**：检验首部+数据，检验时要加上**12B伪首部**，第四个字段为6。
 *  **紧急指针**：`URG=1`时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数。
 *  **选项**：最大报文段长度`MSS`、窗口扩大、时间戳、选择确认…。

### 4.TCP连接管理 ###

#### 4.1TCP的连接建立(三次握手) ####

*  **TCP连接传输三个阶段**：
    
    **连接建立**—>**数据传送**—>**连接释放**
 *  TCP连接的建立采用**客户服务器方式**，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

> 假设运行在一台主机（客户）上的一个进程想与另一台主机（服务器）上的个进程建立一条连接，客户应用进程首先通知客户**TCP**，他想建立一个与服务器上某个进程之间的连接，客户中的**TCP**会用以下步骤与服务器中的**TCP**建立一条**TCP**连接。

1.  **ROUND 1**：客户端发送**连接请求报文段**，无应用层数据。`SYN=1,seq=x(随机)`。
2.  **ROUND 2**：服务端为该**TCP**连接**分配缓存和变量**，并向客户端返回**确认报文段**，允许连接，无应用层数据，`SYN=1,ACK=1,seq=y(随机),ack=x+1`。
3.  **ROUND 3**：客户端为该**TCP**连接**分配缓存和变量**，并向服务器返回**确认的确认**，可以携带数据。`SYN=0,ACK=1,seq=x+1,ack=y+1`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

> **SYN洪泛攻击**：
> 
> **SYN**洪泛攻击发生在**OSI**第四层，这种方式利用**TCP**协议的特性，就是三次握手。攻击者发送**TCP** **SYN**，**SYN**是**TCP**三次握手中的**第一个数据包**，而当服务器返回**ACK**后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个**TCP**连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送**ACK**给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种**TCP**连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些**TCP**连接会因为挂起状态而消耗**CPU**和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。

#### 4.2TCP的连接释放（四次挥手） ####

> 参与一条**TCP**连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的“资源”(缓存和变量）将被释放。

1.  **ROUND 1**：客户端发送**连接释放报文段**，停止发送数据，主动关闭**TCP**逻辑。`FIN=1,seq=u`。
2.  **ROUND 2**：服务器端回送一个**确认报文段**，客户到服务器这个方向的连接就释放了—半关闭状态。`ACK=1,seq=v,ack=u+1`。
3.  **ROUND 3**：服务器端发送完数据，就发出**连接释放报文段**，主动关闭**TCP**连接。`FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1`。
4.  **ROUND 4**：客户端回送一个**确认报文段**，再等到时间等待倒计时器设置的`2MSL`（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。`ACK=1,seq=u+1,ack=w+1`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### 5.TCP可靠传输 ###

#### 5.1TCP可靠传输概述 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

#### 5.2序号 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

#### 5.3确认 ####

发送方每一次发送数据之后都需要接收方进行确认。  
TCP使用的是**累计确认**机制，就是从第一个丢失的字节开始请求丢失的报文段。如图中456丢失，78到达，但仍然请求发送的数据序号是4。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

#### 5.4重传 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

### 6.TCP流量控制 ###

*  **流量控制**：让发送方慢点，要让接收方来得及接收。
 *  TCP利用**滑动窗口**机制实现流量控制。
 *  **发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

### 7.TCP拥塞控制 ###

#### 7.1TCP拥塞控制 ####

*  **出现拥塞的条件**：对资源需求的总和>可用资源
 *  **拥塞控制**：防止过多的数据注入到网络中。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

#### 7.2拥塞控制的四种算法 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

#### 7.3慢开始&拥塞避免 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

#### 7.4快重传&快恢复 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

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