计算机网络---传输层

1. 传输层提供的服务

1.1 要点概述

强调：

• 复用（从上到下）：在发送数据的时候，同一台主机上的多个进程可以使用同一个传输层协议
• 分用（从下到上）：在接收数据的时候，传输层可以把数据正确交付到目的进程

1.2 服务介绍

• 网络层实现了“主机到主机”的通信。网络层在IP数据报的首部，指明源IP地址、目的IP地址
• 传输层实现了“端到端”（进程到进程）的通信。传输层在TCP（或UDP）报文段的首部，指明源端口、目的端口

• 开发中只限制熟知端口号不被使用

2. UDP

2.1 UDP数据报

• UDP首部很小，只占8B
• UDP每次传输一个完整的报文，不支持报文自动拆分、重装
• UDP是无连接的、不可靠的（可靠性可以交给应用层处理），也不支持拥塞控制
• UDP支持一对一（封装成单播IP数据报）、一对多传输（封装成广播/多播IP数据报）

简单对比TCP：

• TCP首部更大，占20~60B
• TCP支持报文自动拆分、重装，因此可以传输长报文
• TCP是有连接的、可靠的、支持拥塞控制
• TCP仅支持一对一传输（因为通信双方的传输层必须先建立连接）

• UDP首部长度固定为8B，数据是指携带的数据部分（也可以没有）
• UDP必须携带一个完整的报文，不支持报文的拆分和重组
• UDP校验和部分是校验整个UDP数据报（包含首部和数据部分）
• UDP没有明确指明首部大小的字段，但是却可以通过其他方式间接得出

对比IP数据报的格式：

• IP数据报首部部分最短为20B，最大为60B（可变部分0~40B）
• IP数据报首部长度字段只指首部长度的大小
• IP数据报首部校验和只校验首部

小结：

2.2 UDP校验

小结：

3. TCP

3.1 TCP报文段

强调：

• TCP并不强制要求每个TCP报文段都满载数据，只要不超过MSS就行

具体介绍：

强调：

• 序号 — — 序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号（该序号表示的字节还没被接收）。 如：一报文段序号字段为301，而携带数据为100B，则本报文段数据的最后一个序号为400，那么下一个报文段的数据序号应从401开始，表示我现在发送的是从401开始的数据
• 确认号 — — 是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，则表明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到
• 序号不一定从0开始
• 只有ACK=1时，确认号才有效
• 只有握手①的ACK=0，其他都是ACK=1

• 数据偏移 — — 反映的是首部长度大小。 偏移的含义是指：数据起始序号 - 报文起始序号（末 - 初）

• 可以类比快递，URG=1是卖方加急发送快递，快把这个快递发给驿站，PSH=1是驿站收到快递后，加急送到买方手中，然后买方马上确认快递收到（发送确认报文段）
• 紧急指针要搭配URG使用，只有URG=1，紧急指针才有效，表示的含义是本报文段中紧急数据共有多少字节。延伸：数据从第一个字节到紧急指针所指字节就是紧急数据，如下图

注意：（常考小题）

• 只有握手①、握手②的SYN=1，其他所有TCP报文段都是SYN=0
• 只有挥手①、挥手③的FIN=1，其他所有TCP报文段都是FIN=0

强调：

• 窗口的单位是字节

强调：

• 握手①、握手②中协商MSS
• MSS的值是指一个TCP报文段最多携带多少数据 （首部不算在内）

3.2 TCP连接管理

很重要的一个图：

强调：

• TCP全程中，只有握手①、握手②的SYN=1
• TCP全程中，只有握手①的ACK=0，其他均为ACK=1
• 握手①、握手②不能携带数据，但必须消耗一个序号，正如上图标注所示
• 握手③可以选择携带数据与否，携带则需消耗序号，不携带则不要

强调：

• 只有挥手①、挥手③的FIN=1
• 挥手①、挥手②、挥手③均可携带数据，但携带数据要消耗对应的序号
• 挥手①、挥手③不携带数据也得消耗一个序号，也就是说挥手①、挥手③必定会消耗一个序号
• 挥手④不可以携带数据

• 收到挥手③进入时间等待期，是为了防止挥手④在传输过程中丢失，如果丢失，则一定会在2MSL时间内再次收到挥手③，此时计时器需重置
  
  

小结：

3.3 可靠传输 & 流量控制

• （1）经过三次握手建立连接
  
• （2）发送方发送数据，接收方返回确认号等信息

• （3）发送方在发送缓冲区中移出已经确认收到的数据
  

注： 已经收到确认的信息就应及时移出发送缓冲区

• （1）发送方连续发出两个报文段，并被服务器收到后，经累计确认，只返回一个确认信息

• （2）再收到新数据，接收区满了，清空后，然后返回新接收窗口等确认信息
  
  
• （1）捎带确认

• （2）客户也可以捎带确认

• （3）不一定要缓冲区满了才交付数据
  
  
• （1）发送方发送数据中出错

• （2）发送方超时重传
  
  
• （1）服务器ACK丢失

• （2）发送方计时器超时，进行重发

• （1）引入快重传，假设623缺失
  
• （2）接收方连续收到3个冗余ACK后，进行重传

小结：

注意： 发送窗口“框住”的是发送缓冲区中，已发送但尚未收到确认的数据，以及可以发送但尚未发送的数据

3.4 拥塞控制

3.4.1 慢开始 & 拥塞避免

强调：

• 流量控制：控制端到端的数据发送量，是**“局部的”**
• 拥塞控制：控制整个网络中每台主机的数据发送量，降低路由器负载，是**“全局的”**

强调：

• 慢开始：每收到一个ACK，就让cwnd+1
• 拥塞避免：在一个RTT内，只能让cwnd+1

3.4.2 快重传 & 快恢复

强调：

• 快重传 — — 收到连续三个冗余ACK，就立即重传
• 快恢复 — — 发生快重传，将阈值、cwnd设为当前cwnd的一半，然后执行“拥塞避免”

至此，第五章就结束了，内容不是很多，重点就是TCP，理解后记忆的遗忘反倒成了难点。要弄清楚三次握手和四次挥手时TCP首部字段（如序号，ACK，确认号等）的变化，以及每次握手、挥手后接收方和发送方各会进入什么状态，掌握如何进行流量控制、可靠传输、拥塞避免，区分流量控制与拥塞避免的不同之处，这些很容易考小题。

参考：《王道计算机考研 计算机网络》
https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q/?share_source=copy_web