学习记录—计算机网络—运输层

传输层

​ 网络层只把分组发送到目的主机，但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信，传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

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UDP

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。

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TCP

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

• TCP报文段结构
  

  • 序号（32bit）：传输方向上字节流的字节编号。初始时序号会被设置一个随机的初始值（ISN），之后每次发送数据时，序号值 = ISN + 数据在整个字节流中的偏移。假设A -> B且ISN = 1024，第一段数据512字节已经到B，则第二段数据发送时序号为1024 + 512。用于解决网络包乱序问题。
  • 确认号（32bit）：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
  • 数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
  • 首部长（4bit）：标识首部有多少个4字节 * 首部长，最大为15，即60字节。
  • 标志位（6bit）：
    • URG：标志紧急指针是否有效。
    • ACK：标志确认号是否有效（确认报文段）。用于解决丢包问题。当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
    • PSH：提示接收端立即从缓冲读走数据。
    • RST：表示要求对方重新建立连接（复位报文段）。
    • SYN：表示请求建立一个连接（连接报文段）。在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。
    • FIN：表示关闭连接（断开报文段）。用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。
  • 接收窗口（16bit）：用于告知对方（发送方）本方的缓冲还能接收多少字节数据。用于解决流控。
  • 校验和（16bit）：接收端用CRC检验整个报文段有无损坏。

• TCP的建立（三次握手）

• 第一次：A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
• 第二次：B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
• 第三次：A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1

三次握手的原因

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留，那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后，就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器，如果不进行三次握手，那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手，客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，不进行第三次握手，因此就不会再次打开连接。

• TCP的断开（四次挥手）

• 第一次：客户机发含FIN位，SEQ = Q的包到服务器。（客 -> FIN_WAIT_1）
• 第二次：服务器发送含ACK且ACK_NUM = Q + 1的包到服务器。（服 -> CLOSE_WAIT，客 -> FIN_WAIT_2）
  • 此处有等待，将剩余的数据从服务器传输给客户端
• 第三次：服务器发送含FIN且SEQ_NUM = R的包到客户机。（服 -> LAST_ACK，客 -> TIME_WAIT）等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。
• 第四次：客户机发送最后一个含有ACK位且ACK_NUM = R + 1的包到客户机。（服 -> CLOSED）

四次挥手的原因

客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。

TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由：

• 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
• 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

• TCP的可靠传输：

  TCP 使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

  一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT，加权平均往返时间 RTTs 计算如下：

其中，0 ≤ a ＜ 1，RTTs 随着 a 的增加更容易受到 RTT 的影响。

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，TCP 使用的超时时间计算如下：

​ 其中 RTTd 为偏差的加权平均值。

• TCP的滑动窗口

  窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

  发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态；接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。

  接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认，例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35}，其中 {31} 按序到达，而 {34, 35} 就不是，因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

• TCP的流量控制

  • 目的是接收方通过TCP头窗口字段告知发送方本方可接收的最大数据量，用以解决发送速率过快导致接收方不能接收的问题。所以流量控制是点对点控制。
  • TCP是双工协议，双方可以同时通信，所以发送方接收方各自维护一个发送窗和接收窗。
    • 发送窗：用来限制发送方可以发送的数据大小，其中发送窗口的大小由接收端返回的TCP报文段中窗口字段来控制，接收方通过此字段告知发送方自己的缓冲（受系统、硬件等限制）大小。
    • 接收窗：用来标记可以接收的数据大小。
  • TCP是流数据，发送出去的数据流可以被分为以下四部分：已发送且被确认部分 | 已发送未被确认部分 | 未发送但可发送部分 | 不可发送部分，其中发送窗 = 已发送未确认部分 + 未发但可发送部分。接收到的数据流可分为：已接收 | 未接收但准备接收 | 未接收不准备接收。接收窗 = 未接收但准备接收部分。
  • 发送窗内数据只有当接收到接收端某段发送数据的ACK响应时才移动发送窗，左边缘紧贴刚被确认的数据。接收窗也只有接收到数据且最左侧连续时才移动接收窗口。

• TCP拥塞控制

  • 如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。
    
    TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

  发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

  为了便于讨论，做如下假设：

  • 接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；
  • 虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

• 慢开始与拥塞避免

  发送的最初执行慢开始，令 cwnd = 1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 …

  注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。

  如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd / 2，然后重新执行慢开始。

• 快重传与快恢复

  在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。

  在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。

  在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd / 2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。

  慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

• TCP连接状态

  • CLOSED：初始状态。
  • LISTEN：服务器处于监听状态。
  • SYN_SEND：客户端socket执行CONNECT连接，发送SYN包，进入此状态。
  • SYN_RECV：服务端收到SYN包并发送服务端SYN包，进入此状态。
  • ESTABLISH：表示连接建立。客户端发送了最后一个ACK包后进入此状态，服务端接收到ACK包后进入此状态。
  • FIN_WAIT_1：终止连接的一方（通常是客户机）发送了FIN报文后进入。等待对方FIN。
  • CLOSE_WAIT：（假设服务器）接收到客户机FIN包之后等待关闭的阶段。在接收到对方的FIN包之后，自然是需要立即回复ACK包的，表示已经知道断开请求。但是本方是否立即断开连接（发送FIN包）取决于是否还有数据需要发送给客户端，若有，则在发送FIN包之前均为此状态。
  • FIN_WAIT_2：此时是半连接状态，即有一方要求关闭连接，等待另一方关闭。客户端接收到服务器的ACK包，但并没有立即接收到服务端的FIN包，进入FIN_WAIT_2状态。
  • LAST_ACK：服务端发动最后的FIN包，等待最后的客户端ACK响应，进入此状态。
  • TIME_WAIT：客户端收到服务端的FIN包，并立即发出ACK包做最后的确认，在此之后的2MSL时间称为TIME_WAIT状态。

  解释FIN_WAIT_2，CLOSE_WAIT状态和TIME_WAIT状态

  • FIN_WAIT_2：
    • 半关闭状态。
    • 发送断开请求一方还有接收数据能力，但已经没有发送数据能力。
  • CLOSE_WAIT状态：
    • 被动关闭连接一方接收到FIN包会立即回应ACK包表示已接收到断开请求。
    • 被动关闭连接一方如果还有剩余数据要发送就会进入CLOSED_WAIT状态。
  • TIME_WAIT状态：
    • 又叫2MSL等待状态。
    • 如果客户端直接进入CLOSED状态，如果服务端没有接收到最后一次ACK包会在超时之后重新再发FIN包，此时因为客户端已经CLOSED，所以服务端就不会收到ACK而是收到RST。所以TIME_WAIT状态目的是防止最后一次握手数据没有到达对方而触发重传FIN准备的。
    • 在2MSL时间内，同一个socket不能再被使用，否则有可能会和旧连接数据混淆（如果新连接和旧连接的socket相同的话）。

  解释RTO，RTT和超时重传

  • 超时重传：发送端发送报文后若长时间未收到确认的报文则需要重发该报文。可能有以下几种情况：
    • 发送的数据没能到达接收端，所以对方没有响应。
    • 接收端接收到数据，但是ACK报文在返回过程中丢失。
    • 接收端拒绝或丢弃数据。
  • RTO：从上一次发送数据，因为长期没有收到ACK响应，到下一次重发之间的时间。就是重传间隔。
    • 通常每次重传RTO是前一次重传间隔的两倍，计量单位通常是RTT。例：1RTT，2RTT，4RTT，8RTT…
    • 重传次数到达上限之后停止重传。
  • RTT：数据从发送到接收到对方响应之间的时间间隔，即数据报在网络中一个往返用时。大小不稳定。

待更新

参考链接：
https://github.com/CyC2018/CS-Notes
https://github.com/linw7/Skill-Tree