1 运输层协议概述

1.1 进程之间的通信

• 网络层是为主机之间提供逻辑通信，而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。
• 运输层要对收到的报文进行差错检测。在网络层，IP数据报首部中的检验和字段只检验首部是否出现差错而不检查数据部分。
• 根据应用程序的不同需求，运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP：用户数据报协议UDP，传输控制协议TCP
• 运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。当运输层采用面向连接的TCP协议时，尽管下面的网络是不可靠的，但这种逻辑通信信道就像但与一条全双工的可靠信道。但当运输层采用无连接的UDP协议时，这种逻辑信道仍然是一条不可靠信道。

1.2 运输层的两个主要协议

UDP在传送数据之前不需要先建立连接。远地主机的运输层在收到UDP豹纹后，不需要给出任何确认，虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下UDP确实一种最有效的工作方式。

TCP则是提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。由于TCP要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多开销，如确认、流量控制、计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理器资源。

1.3 运输层的端口

应用层所有进程都可以通过运输层传送到IP层，这就是复用。运输层从IP层收到数据后必须交付给指明的应用程序，这就是分用。显然，给应用层的每个应用进程赋予一个非常明确的标志是至关重要的。

这个可以通过在运输层使用端口来实现。这就是说，虽然通信的终点是应用进程，但我们只需要把要传送的报文叫到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即交付给目的进程）就有TCP来完成。这里的端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址。

TCP/IP的运输层用一个16位端口号来标志一个端口。但是，端口号只具有本地意义，它只是为了标志本计算机应用层中的各个进程在运输层交互时的层间接口。在因特网不同计算机中，相同的端口号是没有关联的。由此可见，两个计算机中的进程要通信，不仅要知道对方的IP地址（为了找到对方的计算机），还要知道对方的端口号（为了找到对方计算机中的应用进程）。

因特网上的计算机通信是采用客户-服务器方式。客户在发起通信请求式，必须先知道对方的IP地址和端口号。因此运输层的端口号分为服务器端使用的端口号和客户端使用的端口号。

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2 用户数据报协议UDP

UDP协议只在IP的数据报服务之上增加了很少的功能，就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。UDP的主要特点是：

• UDP是无连接的，即发送数据之间不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
• UDO使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态。
• UDP是面向报文。发送方的UDP对应用程序交下来的报文在添加首部后就向下交付给IP层，对交下来的报文既不合并也不拆分。因此，应用进程必须选择合适大小的报文，若报文太长，UDP把它交付给IP层后，IP层在传送时可能要进行分片，这会降低IP层的效率；反之，若报文太短，UDO把它交给IP层后，会使IP数据报的首部的相对长度太大，也降低了IP层的效率。

• UDP没有拥塞控制，保证了应用的实时性。
• 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
• UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

2.1 UDP首部的格式

UDP有数据字段和首部字段两个字段。首部字段只有8个字节，分别为源端口、目的端口、长度和检验和。检验和用于检测UDP用户数据报在传输中是否有错，有错就丢弃。

当运输层从IP层收到UDP数据报时，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口上交给进程。如果接方UDP发现收到的报文中的目的端口不正确就丢弃报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文交给发送方。

在计算检验和时，要在UDP用户数据报之前增加12个字节的伪首部。“伪首部”并不是用户数据报真正的首部，只是在计算检验和时，临时添加在UDP数据报前面，得到一个临时UDP数据报。伪首部既不向下传送也不向上递交，仅仅是为了计算检验和。

2.2 UDP的典型应用

• UDP适合于这样的进程：需要简单的请求-响应通信，而较少考虑流量控制和差错控制。对于需要传送成块数据的进程（如FTP）则不适合使用UDP。
• UDP适合于具有内部流量控制和差错控制机制的进程，如简单文件传输协议TFTP。
• 对多播来说，UDP是一个合适的传输协议。
• UDP常用于交互实时应用，以避免接收报文之间的不一致延时。
• UDP可用于管理进程，如SNMP。

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3 传输控制协议TCP

3.1 TCP最主要的特点

• TCP是面向连接的运输层协议。应用程序在使用TCP协议之前，必须先简历TCP连接。在传送数据完毕后，必须释放已经简历的TCP连接。
• 每一条TCP连接只能有两个端点，只能是点对点的。
• TCP提供可靠交付的服务。TCP连接传送的数据保证无差错、不丢失、不重复、并按序到达。
• TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
• 面向字节流。虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据看成是一连串的务结构的字节流。TCP不保证接收方应用程序所收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系（例如，发送方应用程序交给发送方TCP共有10个数据块，但接收方TCP可能只用了4个数据块就把收到的字节流交付给了上层应用程序）。但接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样。

3.2 TCP的连接

每一条TCP连接有两个端点，而TCP的端点叫做套接字（由端口号拼接到IP地址形成的），套接字的表示方法是在点分十进制的IP地址后面写上端口号，中间用冒号或都好隔开。

套接字Socket = (IP地址: 端口号)

每一条TCP连接唯一的被通信两端的两个套接字所确定：

TCP连接::={socket1, socket2} = {(IP1:port1), (IP2:port2)}

3.3 TCP报文的首部格式

TCP虽然是面向字节流的，但TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。因此，只有弄清TCP首部各字段的作用才能掌握TCP的工作原理。TCP报文首部固定部分各字段的意义如下：

1. 源端口和目的端口
   各占两字节，分别写入源端口号和目的端口号。TCP的分用也是通过端口实现的。

2. 报文段序号
   占4字节。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。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置，首部中的序号字段值则是指本报文所发送的数据的第一个字节的序号。

3. 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，则表明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。

4. 数据偏移
   指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，实际上指出了TCP报文段的首部长度。

5. 保留
   保留为今后使用，目前应置为0.

6. 6个控制位
   紧急URG：当URG为1时，表明紧急指针字段有效，告诉系统有紧急数据，应尽快优先传送。
   确认ACK：TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。
   推送PSH，很少使用。
   复位RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重错误，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
   同步SYN：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使用SYN=1和ACK=1.
   终止FIN：用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

7. 窗口
   窗口字段明确指出了现在允许对方发送的数据量，该值经常在动态变化着。例如，设确认号是701，窗口字段是1000。这就表明从701算起，发送此报文段的一方还有接收1000个字节数据的接收缓存空间。

8. 检验和
   检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP一样，在计算检验和时要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。

9. 紧急指针
   紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。**即使窗口为零时也可发送紧急数据。

10. 选项
    可选选项有最大报文长度MSS、窗口扩大选项、时间戳选项、选择确认选项等

3.4 TCP可靠传输的实现

为方便描述可靠传输原理，假定数据传输只在一个方向上进行，即A发送数据，B给出确认。TCP的滑动窗口是以字节为单位的。假定A收到B发来的确认报文字段，其中窗口是20字节，而确认号是31字节。（表明B期望接收到的下一个序号是31，序号30之前的数据已经收到了）。A的发送窗口的位置由B发来的确认报文中的确认号和窗口大小确定。

现在假定A发送了序号为31-41的数据，从下图图中可以看出要描述一个发送窗口的状态需要三个指针P1， P2， P3。小于P1的是已发送并收到确认的部分，大于P3的是不允许发送部分。

B的接收窗口大小为20。在接收窗口外面，到30号为止的数据均发送过确认并交付主机使用，因此B不再保留（之前的数据）。假设B收到了32和33的数据，却没收到31的数据（并不保证按序到达）。因此B的发送的确认号仍然是31，而不能是32或33。

现假定B收到序号为31的数据并把序号为31-33的数据交付给主机，并删除这些数据。接着把接收窗口向前移动3个序号，同时给A发出确认。其窗口值仍为20，但确认号为34,表明B已经接收到序号33为止的数据。而B收到的37、38和40的数据，但没按序到达，只能先暂存在接收窗口中。A收到B的确认后，将发送窗口向前滑动3个序号，但指针P2不动。A继续发送完序号42-53的数据后，指针P2向前与P3重合，发送窗内的数据以发送完，但还没收到确认，因此必须停止发送。

缓存机制

在3.1节的图中提到，发送方的应用进程把字节流写入TCP的发送缓存，接收方的应用进程从TCP的接受缓存中读取字节流。下面进一步谈论窗口与缓存的关系。

发送缓存用来暂时存放：发送应用程序传送给发送方TCP准备的数据，TCP已发送但尚未收到确认的数据。发送窗口通常只是发送缓存的一部分，已被确认的数据应当从发送缓存中删除，因此发送缓存与发送窗口的后沿是重合的。发送应用程序必须控制写入缓存的速率，不能太快，否则发送缓存就会没有存放数据的空间。

接收缓存用来暂时存放：按序到达的，但尚未被接收应用程序读取的数据；未按序到达的数据。如果收到的分组检测出有差错，则要丢弃。如果接收应用程序来不及读取收到的数据，接收缓存最终就会被填满，使接收窗口减小到0。反之，接收应用程序能够及时从接收缓存中读取收到数据，接收窗口就会变大，但最大也不能超过接收缓存的大小。

超时重传机制

TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要达到计时器设置的重传时间还没有收到确认，就要重传这个报文段。由于数据链路层和运输层的往返实验概率分布存在很大差异，因此有必要选择合适的超时重传时间。

TCP采用了一中自适应算法来确定超时重传时间，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间差就是报文段的往返时间RTT。TCP保留了RTT的一个加权平均往返时间RTTs，RTTs的计算方法如下，推荐的阿尔法值为1/8。

显然超时重传时间RTO应略大于RTTs：

其中RTTd是TTT的偏差的加权平均值。

选择确认SACK
若收到的报文段无差错，只是未按序号，中间还缺少一些序号的数据，采用选择确认的方法来传送缺少的数据，而不重传已经正确接收到的数据。

用一个例子来说明（Selctive ACK）工作原理。如图所示，接收放收到了前面的字节流不连续的两个字节块。如果这些字节的序号都在接收窗口内，那么接收方就先收下这些数据，但要把这些信息准确的告诉发送放，使发送方不要在重复发送这些已经收到的数据。

TCP首部没有哪个字段能够提供上述这些字节快的边界信息。如果要使用选择确认，那么在建立TCP连接时，就要在TCP首部的选项上加上“允许SACK”的选项。

3.5 TCP的流量控制与拥塞控制

流量控制
所谓的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接受。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制。

拥塞控制
在某段时间，若对网络中的某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变化，这种情况叫做拥塞。网络拥塞往往是由许多因素引起的，简单的提高节点处理机的速度或者扩大结点缓存的存储空间并不能解决拥塞问题。问题的是指往往是整个系统的各个部分不匹配，只有各个部分平衡了，问题才会得到解决。

拥塞控制和流量控制的差别

• 所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能承受现有的网络负荷。
• 流量控制往往指的是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接受。

拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的问题，许多情况下，甚至正式拥塞控制机制本身成为引起网络性能恶化甚至死锁的原因。RFC定义了进行拥塞控制的四种算法：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。

3.6 TCP连接的建立与终止

TCP连接的建立可以简单的称为三次握手，而连接的中止则可以叫做四次握手。

TCP的建立

• 首先，客户端向服务器申请打开某一个端口(用SYN段等于1的TCP报文)；
• 然后，服务器端发回一个ACK报文通知客户端请求报文收到；
• 客户端收到确认报文以后再次发出确认报文，确认刚才服务器端发出的确认报文。

至此，连接的建立完成。这就叫做三次握手。如果打算让双方都做好准备的话，一定要发送三次报文，而且只需要三次报文就可以了。如果再加上TCP的超时重传机制，那么TCP就完全可以保证一个数据包被送到目的地。

TCP的终止

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过4次握手，这是由TCP的半关闭（half close）造成的。既然一个 TCP连接是全双工（即数据在两个方向上能同时传递），因此每个方向必须单独地进行关闭。这原则就是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个 FIN来终止这个方向连接。当一端收到一个 FIN，它必须通知应用层另一端几经终止了那个方向的数据传送。

客户机给服务器一个FIN为1的TCP报文，然后服务器返回给客户端一个确认ACK报文，并且发送一个FIN报文，当客户机回复ACK报文后（四次握手），连接就结束了。

TCP的状态变迁图

TCP常见状态

TCP/IP详解学习笔记(10)-TCP连接的建立与中止

3.7 TCP计时器

为更平稳地执行操作，TCP使用至少四种计时器：重传、坚持、保活和时间等待计时器