传输层

传输层

传输层（Transport Layer）是ISO OSI协议的第四层协议，实现端到端的数据传输。该层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。

传输层在终端用户之间提供透明的数据传输，向上层提供可靠的数据传输服务。传输层在给定的链路上通过流量控、分段/重组和差错控制。一些协议是面向链接的。这就意味着传输层能保持对分段的跟踪，并且重传那些失败的分段。

1.传输层作用

• 传输层实现应用进程间的端到端(end-to-end)通信

• 向应用层提供通信服务

2.多路分解与复用

• 多路复用：所有应用进程的数据通过传输层传输到IP层；

• 多路分解：传输层收到的数据交付给相应的应用进程。

3.用户数据报协议UDP

端到端的、尽力而为的、无连接的数据报传输服务 1.无连接的 2.尽最大努力交付，即不保证可靠交付 3.面向报文的（在IP的功能上简单扩展了端到端） 4.没有拥塞控制 5.支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信（需要组播的通信都是建立在UDP之上）

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4.传输控制协议TCP

端到端的、可靠的、面向连接的字节流服务 a).面向连接：先建立逻辑连接，进行双向数据流传输，通信结束后撤销连接 b).面向字节流 c).点对点的全双工通信 d).可靠传输：对一个连接上传输的每个字节编号，通过接收确认和重传来保证可靠传输 c).流量控制：防止发送方发出的数据超出接收方的接收能力

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多路复用：源、目的端口 连接管理：序号、确认号、SYN、FIN 可靠传输：序号、确认号 流量控制：接收窗口 拥塞控制：未在TCP首部中体现（序号、确认号、接收窗口）

4.1.连接管理

• 每条TCP连接是一对点到点的字节流

• 每条TCP连接者两个端点，即套接字(sokect)={IP : port}

• 每条TCP连接由两个端点唯一标识，TCP连接={socket1, socket2} = {{IP1 : port1}, {IP2 : port2}}

• TCP连接有3个阶段：连接建立、数据传输、连接释放

1）TCP连接建立的目的

①使通信双方确知对方的存在 ​ ②双方确定自己的初始序列号，并通知对方 ​ ③允许双方协商一些参数（最大报文长度、窗口大小等） ​ ④对传输实体资源进行分配

2）TCP连接建立的方式

采用客户端服务器方式（C/S），主动发起连接建立的应用进程叫做客户端，被动等待连接建立的叫服务器端。

3）连接建立（三次握手）

①服务器进程B被动打开连接，进入LISTEN（收听）状态，等待客户端发出请求 ​ ②客户进程A主动打开连接，向B发送连接请求报文段（报文段不挟带数据），SYN=1，序号=x，进入SYN-SENT（同步已发送）状态 ​ ③服务器进程B收到请求后，向A发送确认报文段（报文段不挟带数据），SYN=1，ACK=1，确认号=x+1，序号=y，进入SYN-RCVD（同步收到）状态 ​ ④客户进程A收到确认后，向B发送确认报文段（报文段可以携带数据，不携带数据时不消耗序号，下一个序号依然是x+1），ACK=1，确认号=y+1，序号=x+1，进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，B收到确认后，也进入ESTABLISHED状态

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为什么A需要向B发送最后一个确认报文段：为了防止“已失效的连接请求报文段”突然又传到B发生错误，以至于B一直等待A发送数据，B的资源被浪费。

4）连接释放（四次挥手）

①A，B都处于ESTABLISHED状态； ​ ②客户进程A主动关闭连接，向B发送连接释放请求报文段（报文段不挟带数据），FIN=1，序列号=u，进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态； ​ ③B收到A的连接释放报文段后，应答确认，ACK=1，确认号=u+1，序号=v，进入CLOSE-WAIT (关闭等待)状态，B仍然可以向A发送数据，A进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态； ​ ④若B已经没有向A的数据，其应用进程通知TCP连接释放，B向A发送连接释放报文段，FIN=1，ACK=1，确认号=u+1，序号=w，进入LAST-ACK（最后确认）状态； ​ ⑤A收到B的链接释放报文段后，应答确认，ACK=1，确认号=w+1，序号=u+1，进入TIME-TIME-WAIT（时间等待）状态，B收到A的确认后，进入CLOSED状态

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A必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（默认2分钟）后，进入CLOSED状态：确保A发送的最后一个ACK报文段能够到达B；防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。

4.2可靠传输

• 发送方的TCP：维护一个发送缓冲区

• 维护3个指针：LastByteAcked、LastByteSent、LastByteWritten

• 发送窗口=min（通知窗口，拥塞窗口）

• 累积确认(Cumulative ACK) ：对按序到达的最后一个报文段进行确认

• 选择确认(Selective ACK) ：确认接收到的不连续的数据块的边界（使用首部的SACK选项，不影响确认号字段的使用）

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4.3.流量控制

目的：为了防止发送方给慢接收方发数据造成接受崩溃，缓冲区溢出 原理：接收方通知发送方自己的接受窗口大小，发送方的发送窗口≤接收方的接受窗口

问题：

B向A发送了零窗口报文段后，B的接受缓存有了一些存储空间，于是B向A发送了rwnd=400的报文段，然而报文段在传送过程中丢失，这样A一直等待B发送的非零窗口通知，B一直等待A发送数据，从而形成死锁局面。

解决：

TCP为每一个连接设置一个持续计时器，只要TCP链接一方收到零窗口通知，就启动持续计时器，计时器到期，发送零窗口探测报文段，而对方就在确认这个探测报文段时给出现在的窗口值，①如果窗口仍然是零，那么重新设置持续计时器；②否则死锁的僵局就可以打破。

4.自适应重传

1）超时重传

报文段的往返时间：RTT 加权平均往返时间：RTTS RTT的偏差加权平均值：RTTD 超时重传时间：RTO RTTS = (1 - α) * RTTS + α * 新的RTT样本值 （α一般为1/8） RTTD = (1 - β) * RTTD + β * | RTTS - 新的RTT样本值 | （β一般为1/4） RTO = RTTS + 4 * RTTD

Karn算法： ①每次超时重传一个报文段时，停止计算新RTT样本值 ②每次超时重传一个报文段时，就把超时重传时间RTO增大y倍（一般为2倍） ③当不发生报文段重传时，才计算RTTS和超时重传时间RTO

2）快速重传

原因：超时重传作为TCP最基本的重传机制，效率较低。

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超时的粗粒度实现方法导致连接在等待一个定时器超时时，很长一段时间连接无效。

基本思想： ①接收方：当报文段到达，立刻回复ACK，即使该序号已被确认过 ②发送方：收到一个重复ACK（同一个确认的再一次重传称为重复确认），就知道接收方必定收到乱序到达的报文段，表明其前面的分组可能丢失。收到3个重复ACK时，立刻触发重传。

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5.拥塞控制

1）窗口大小

MaxWindow = min (cwnd, AdvertisedWindow) 拥塞窗口cwnd (Congestion Windows)：拥塞控制算法决定，可以同时发出的最大字节数以防止造成网络拥塞 通知窗口 (AdvertisedWindow)：接收方决定，可以同时发出的最大字节数以防止超出接收方的接收能力

2）拥塞控制算法

①慢启动 把初始拥塞窗口 cwnd 设置为不超过2至4个SMSS（最大报文段长度），在每收到一个对新的报文段的确认后，把cwnd增加1个 SMSS 的数值数（每经过一个传输轮次，cwnd就加倍） 设置一个慢开始门限ssthresh 当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法 当cwnd ≥ ssthresh时，使用拥塞避免算法

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②拥塞避免（加法增大）：每经过一个往返时间RTT把发送方的cwnd加1，使得cwnd慢性增加 ③快重传（乘法减小）：收到3个重复ACK立即触发重传 ④快恢复（在快重传之后）

1. ssthresh减小为当前cwnd的一半：ssthresh = cwnd / 2

2. 新拥塞窗口 cwnd = 新的 ssthresh

3. 执行拥塞避免 (AIMD)，使cwnd缓慢线性增大