传输层

• 传输层有两个协议

1. TCP（Transmission Control Protocol），传输控制协议

2. UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议

   
   传输层.png

UDP协议（数据格式、检验和）

数据格式

• UDP是无连接的，减少了建立释放链接的开销。

• UDP尽最大能力交付，不保证可靠交付
  因此不需要维护一些复杂的参数，首部之后八个字节（TCP首部至少20个字节）

  
  UDP首部.png
• UDP长度（Length）占16位：首部的长度 + 数据的长度

检验和

• 检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据

• 伪首部：仅在计算计算检验和的时候起作用，并不会传递到网络层

  
  UDP首部检验和.png

端口(port)

• UDP首部中端口是占用2字节
• 由此可推测出端口的取值范围为：0 ~ 65535
• 客户端的源端口是临时开启的随机端口
• 防火墙可以设置开启/关闭某些端口来提高安全性
• 常用命令：

1. netstat –an：查看被占用的端口
2. netstat –anb：查看被占用的端口、占用端口的应用程序
3. telnet 主机 端口：查看是否可以访问主机的某个端口
4. 安装telnet：控制面板 – 程序 – 启用或关闭Windows功能 – 勾选“Telnet Client” – 确定

TCP协议

数据格式

TCP首部.png

数据偏移

1. 占4位，取值范围是 0x0101 ~ 0x1111（5~15）
2. 数据偏移 * 4 = 首部长度（Header Length）
3. 首部长度是 20 ~ 60 字节

• TCP的首部 中仅仅有个 4 位的字段记录了 TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度。

保留

1. 占6位，目前全为0

• TCP 关于保留字段的细节有些资料中，TCP首部的 保留(Reserved)字段 占3位，标志(Flags) 字段占9位（Wireshark中也是如此）
• UDP的首部 中有个 16 位的字段记录了整个UDP报文段的长度（首部+数据）。
  但是，TCP的首部 中仅仅有个 4 位的字段记录了 TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度。
• UDP首部中占16位的长度字段是冗余的，纯粹是为了保证首部是32位对齐
• TCP\UDP的数据长度，完全可以由IP数据包的首部推测出来
  传输层的数据长度 = 网络层的总长度 - 网络层的首部长度 - 传输层的首部长度

TCP - 检验和（ CheckSum）

跟UDP一样，TCP检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据
伪首部：占用12字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

检验和.png

标志位（Flags）URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN

• URG（Urgent）

1. 当 URG = 1 时，紧急指针字段才有效。表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送

• ACK（Acknowledgment）

1. 当 ACK = 1 时，确认号字段才有效

• PSH（Push）
• RST（Reset）

1. 当 RST = 1 时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接

• SYN（Synchronization）

1. 当 SYN = 1、ACK = 0 时，表明这是一个建立连接的请求若对方同意建立连接，则回复 SYN = 1、ACK = 1

• FIN（Finish）
  1.当 FIN = 1 时，表明数据已经发送完毕，要求释放连接

序号、确认号、窗口

• 序号（Sequence Number）

1. 占4字节
2. 首先，在传输过程的每一个字节都会有一个编号在建立连接后，序号代表：这一次传给对方的TCP数据部分的第一个字节的编号

• 确认号（Acknowledgment Number）

1. 占4字节
   2。 在建立连接后，确认号代表：期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第个字节的编号

• 窗口（Window）

1. 占2字节
2. 这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）

TCP的要点

• 可靠传输
• 流量控制
• 拥塞控制
• 连接管理

1. 建立连接
2. 释放连接

可靠传输

• 可靠传输是为了保证包的完整性，当有丢包、受到三次重复确认等情况，就会重新发包

可靠传输 - 停止等待ARQ协议

ARQ（Automatic Repeat–reQuest），自动重传请求

停止等待ARQ协议1.png 停止等待ARQ协议2.png

• 重传次数
  若有个包重传了N次还是失败，会一直持续重传到成功为止么？
  这个取决于系统的设置，比如有些系统，重传5次还未成功就会发送 reset报文(RST) 断开TCP连接

可靠传输 - 连续ARQ协议+滑动窗口协议

连续ARQ协议+滑动窗口协议.png

• 问：如果接收窗口最多能接收4个包，但发送方只发了2个包，接收方如何确定后面还有没有2个包？

• 答：等待一定时间后没有第3个包，就会返回确认收到2个包给发送方

  
  SACK1.png
  

  现在假设每一组数据是100个字节，代表一个数据段的数据，每一组给一个编号

  
  SACK2.png

可靠传输 - SACK（选择性确定）

1. 在TCP通信过程中，如果发送序列中间某个数据包丢失（比如1、2、3、4、5中3丢失了）
2. TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组（最后确认的是2，会重传3、4、5）
3. 这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送（比如4、5），降低了TCP性能
4. 为改善上述情况，发展出了 SACK（Selective acknowledgment，选择性确认）技术告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到 使TCP只重新发送丢失的包（比如3），不用发送后续所有的分组（比如4、5）

• SACK信息会放在TCP首部的选项部分

1. Kind：占1字节。值为5代表这是SACK选项
2. Length：占1字节。表明SACK选项一共占用多少字节
3. Left Edge：占4字节，左边界
4. Right Edge：占4字节，右边界

SACK接受窗口.png

• 一对边界信息需要占用8字节，由于TCP首部的选项部分最多40字节，所以

1. SACK选项最多携带4组边界信息
2. SACK选项的最大占用字节数 = 4 * 8 + 2 = 34

思考

• 为什么选择在传输层就将数据“大卸八块”分成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层？

1. 因为可以提高重传的性能
2. 需要明确的是：可靠传输是在传输层进行控制的
   如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传
   如果在传输层分了段，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的那些段即可

流量控制

• 流量控制是点对点、端对端，两台设备之间的。

• 如果接收方的缓存区满了，发送方还在疯狂着发送数据
  接收方只能把收到的数据包丢掉，大量的丢包会极大着浪费网络资源
  所以要进行流量控制

• 什么是流量控制？

1. 让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收处理
   原理
2. 通过确认报文中窗口字段来控制发送方的发送速率
3. 发送方的发送窗口大小不能超过接收方给出窗口大小

4. 当发送方收到接收窗口的大小为0时，发送方就会停止发送数据

   
   流量控制.png
   

   rwind = receive window = 接收窗口

流量控制 - 特殊情况

• 有一种特殊情况：
  一开始，接收方给发送方发送了0窗口的报文段
  后面，接收方又有了一些存储空间，给发送方发送的非0窗口的报文段丢失了
  发送方的发送窗口一直为0，双方陷入僵局
  解决方案：
  当发送方收到0窗口通知时，这时发送方停止发送报文
  并且同时开启一个定时器，隔一段时间就发个测试报文去询问接收方最新的窗口大小
  如果接收的窗口大小还是为0，则发送方再次刷新启动定时器

拥塞控制

拥塞控制.png

• 防止过多数据注入网络中
• 避免网络中的路由器或者链路过载
• 拥塞控制是一个全局性的过程

1. 涉及到全局所有的主机、路由器
2. 以及与降低网络传输性能有关的又有因素
3. 是大家共同努力的结果
4. 相对比而言流量控制就是点对点通讯的控制

拥塞控制的方法

• 慢开始(slow start，慢启动)
• 拥塞避免（congestion avoidance）
• 快速重传（fast retransmit）
• 快速恢复（fast recovery）

几个概念

• MSS（Maximum Segment Size）：每个段最大的数据部分大小（在建立连接时确定）
• 一般是 MTU(1500) - 20 - 20 = 1460
• cwnd（congestion window）：拥塞窗口
• rwnd（receive window）：接收窗口
• swnd（send window）：发送窗口
• swnd = min(cwnd, rwnd)

拥塞控制之慢开始

• cwnd的初始值比较小，然后随着数据包被接收方确认（收到一个ACK）

• cwnd就成倍增长（指数级）

  
  慢开始.png

慢开始1.png

拥塞控制之拥塞避免

拥塞避免.png

• ssthresh (slow start threshold)：慢开始阈值，cwnd达到阈值后，开始拥塞避免（加法增大）

• 拥塞避免（加法增大）：拥塞窗口cwind 缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞

• 乘法减小：只要出现网络拥塞，把ssthresh减为拥塞峰值的一半，同时执行慢开始算法（cwnd又恢复到初始值）

• 当网络出现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快

拥塞控制之快重传、快恢复

快重传

快重传.png

快恢复
当发送方连续收到三个重复确认，说明网络出现拥塞

• 就执行 “乘法减小” 算法，把ssthresh减为拥塞峰值的一半

与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，即cwnd现在不恢复到初始值

• 而是把cwnd值设置为新的ssthresh值（减小后的值）
• 然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大

快重传-快恢复.png

快重传 + 快恢复

发送窗口的最大值swnd = min(接收窗口cwnd, 堵塞窗口rwnd)

• 当 rwnd < cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值
• 当 cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值

三次握手

三次握手.png

• CLOSED：client处于关闭状态
• LISTEN：server处于监听状态，等待client连接
• SYN-RCVD：表示server接受到了SYN报文，当收到client的ACK报文后，它会进入到 ESTABLISHED 状态
• SYN-SENT：表示client已发送SYN报文，等待server的第2次握手
• ESTABLISHED：表示连接已经建立

建立连接 - 前2次握手的特点

• SYN 都设置为1
• 数据部分的长度都为0
• TCP头部的长度一般是32字节

1. 固定头部：20字节
2. 选项部分：12字节
3. 双方会交换确认一些信息
   比如MSS、是否支持SACK、Window scale（窗口缩放系数） 等
   这些数据都放在了TCP头部的选项部分中（12字节）

• 为什么建立连接的时候，要进行3次握手？2次不行么？

1. 主要目的：防止server端一直等待，浪费资源
2. 如果建立连接只需要2次握手，可能会出现的情况
   假设client发出的第一个连接请求报文段，因为网络延迟，在连接释放以后的某个时间才到达server
   本来这是一个早已失效的连接请求，但server收到此失效的请求后，误认为是client再次发出的一个新的连接请求
   于是server就向client发出确认报文段，同意建立连接
   如果不采用“3次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了
   由于现在client并没有真正想连接服务器的意愿，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据
   但server却以为新的连接已经建立，并一直等待client发来数据，这样，server的很多资源就白白浪费掉了

• 如果第3次握手失败了，会怎么处理？

1. 此时server的状态为 SYN-RCVD，若等不到client的 ACK，server会重新发送 SYN+ACK 包
2. 如果server多次重发 SYN+ACK 都等不到client的 ACK，就会发送 RST包，强制关闭连接

四次挥手

四次挥手.png

• FIN-WAIT-1：表示想主动关闭连接

1. 向对方发送了FIN报文，此时进入到FIN-WAIT-1状态

• CLOSE-WAIT：表示在等待关闭

1. 当对方发送FIN给自己，自己会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE-WAIT状态
2. 在此状态下，需要考虑自己是否还有数据要发送给对方，如果没有，发送FIN报文给对方

• FIN-WAIT-2：只要对方发送ACK确认后，主动方就会处于FIN-WAIT-2状态，然后等待对方发送FIN报文

• CLOSING：一种比较罕见的例外状态

1. 表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文
2. 如果双方几乎在同时准备关闭连接的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态
3. 表示双方都正在关闭连接

• LAST-ACK：被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文

1. 当收到ACK报文后，即可进入CLOSED状态了

• TIME-WAIT：表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等 2MSL 后即可进入CLOSED状态了

1. 如果FIN-WAIT-1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时
   可以直接进入到TIME-WAIT状态，而无须经过FIN-WAIT-2状态

• CLOSED：关闭状态

1. 由于有些状态的时间比较短暂，所以很难用 netstat 命令看到，比如SYN-RCVD、FIN-WAIT-1等

TCP - 释放连接 - 细节

1. TCP/IP协议栈在设计上，允许任何一方先发起断开请求。这里演示的是client主动要求断开

2. client发送ACK后，需要有个TIME-WAIT阶段，等待一段时间后，再真正关闭连接
   一般是等待2倍的 MSL（Maximum Segment Lifetime，最大分段生存期）
   MSL是TCP报文在Internet上的最长生存时间
   每个具体的TCP实现都必须选择一个确定的MSL值，RFC 1122 建议是2分钟
   可以防止本次连接中产生的数据包误传到下一次连接中
   （因为本次连接中的数据包都会在2MSL时间内消失了）

3. 如果client发送ACK后马上释放了，然后又因为网络原因，server没有收到client的ACK，server就会重发FIN，这时可能出现的情况是

• client没有任何响应，服务器那边会干等，甚至多次重发FIN，浪费资源

• client有个新的应用程序刚好分配了同一个端口号，新的应用程序收到FIN后马上开始执行断开连接的操作，本来它可能是想跟server建立连接的

• 为什么释放连接的时候，要进行4次挥手？
  TCP是全双工模式

1. 第1次挥手：当主机1发出FIN报文段时

表示主机1告诉主机2，主机1已经没有数据要发送了，但是，此时主机1还是可以接受来自主机2的数据

2. 第2次挥手：当主机2返回ACK报文段时

表示主机2已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的

3. 第3次挥手：当主机2也发送了FIN报文段时

表示主机2告诉主机1，主机2已经没有数据要发送了

4. 第4次挥手：当主机1返回ACK报文段时

表示主机1已经知道主机2没有数据发送了。随后正式断开整个TCP连接