【计算机网络】学习笔记，第五篇：运输层（谢希仁版）

说明：

• 文章主要针对科班上课做的简单笔记，以及后面针对一些面试涉及内容的详细讲解
• 再三声明：考研的同学好好去背书，做题，重点研究一下侧重点，加油 ！！！
• 此文章归纳整理自：【计算机网络】（第七版）谢希仁 ，一切内容版权均归书籍作者所有，侵删

一 运输层基本概念

首先看一下运输层在各层中的位置

从通信和信息处理的角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。 当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。

(一) 网络层和运输层的不同

• 网络层是为主机之间提供逻辑通信
• 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信

(二) 运输层的重要功能 ——复用和分用

在一台主机中经常有多个应用进程同时分别和另一台主机中的多个应用进程通信。 这表明运输层有一个很重要的功能——复用 (multiplexing)和分用 (demultiplexing)。

(三) 端口

既然提到了运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信，那么就要详细说一说端口的概念

网络层中，通信的对象为不同的主机，而从运输层的角度来看，通信的对象为进程，而端口就代表了进程

也就是说，通过 ip 找到主机，通过端口找到对应进程

• 端口用一个 16 位端口号进行标志。
• 端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。

由此可见，两个计算机中的进程要互相通信，不仅必须知道对方的 IP 地址（为了找到对方的计算机），而且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）

(四) 屏蔽作用

运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节，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。

二 两种不同的运输协议TCP、UDP

(一) TCP 协议

UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能：

• 复用和分用的功能
• 差错检测的功能

(1) 特点

• ① UDP 是无连接的，发送数据之前不需要建立连接，，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
• ② UDP 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表。
• ③ UDP 是面向报文的。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP 一次交付一个完整的报文。
• ④ UDP 没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很适合多媒体通信的要求。
• ⑤ UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
• ⑥ 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) UDP 是面向报文的

发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。 应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。

接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。 应用程序必须选择合适大小的报文。

• 若报文太长，UDP 把它交给 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。
• 若报文太短，UDP 把它交给 IP 层后，会使 IP 数据报的首部的相对长度太大，这也降低了 IP 层的效率。

(3) UDP 首部格式

用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成，每个字段都是 2 个字节。

• 在计算检验和时，临时把 12 字节的“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和。

(二) TCP 协议

(1) 特点

• TCP 是面向连接的运输层协议，在无连接的、不可靠的 IP 网络服务基础之上提供可靠交付的服务。为此，在 IP 的数据报服务基础之上，增加了保证可靠性的一系列措施。
• TCP 是面向连接的运输层协议。
• 每一条 TCP 连接只能有两个端点 (endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。
• TCP 提供可靠交付的服务。
• TCP 提供全双工通信。
• 面向字节流

(2) 面向字节流

• TCP 中的“流”(stream) 指的是流入或流出进程的字节序列。
• “面向字节流”的含义是：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仅仅是一连串无结构的字节流。

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。 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) 注意

• TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。
• TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到 TCP 的缓存中是不关心的。
• TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP 发送的报文长度是应用进程给出的）。
• TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送。
• TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

(3) 套接字的概念

在TCP中，面向的既不是IP，又不是端口，它面向的是套接字。

TCP 连接的端点叫做套接字 (socket) 或插口。

• 端口号拼接到 (contatenated with) IP 地址即构成了套接字。

(4) TCP 首部格式

• 源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。
• 序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
• 确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
• 数据偏移（即首部长度）——占 4 位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）。
• 保留字段——占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。
• 紧急 URG —— 当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
• 确认 ACK —— 只有当 ACK =1 时确认号字段才有效。当 ACK =0 时，确认号无效。
• 推送 PSH (PuSH) —— 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
• 复位 RST (ReSeT) —— 当 RST=1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
• 同步 SYN —— 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
• 终止 FIN (FINish) —— 用来释放一个连接。FIN=1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
• 终止 FIN (FINish) —— 用来释放一个连接。FIN=1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
• 检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。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。
• 紧急指针字段 —— 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
• 选项字段 —— 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”

MSS 与接收窗口值没有关系。 若选择较小的 MSS 长度，网络的利用率就降低。 若 TCP 报文段非常长，那么在 IP 层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的 TCP 报文段。当传输出错时还要进行重传。这些也都会使开销增大。 因此，MSS 应尽可能大些，只要在 IP 层传输时不需要再分片就行。 但最佳的 MSS 是很难确定的。

(5) 可靠传输的原理

理想的传输条件有以下两个特点：

• 传输信道不产生差错。
• 不管发送方以多快的速度发送数据，接收方总是来得及处理收到的数据。

然而实际的网络都不具备以上两个理想条件。必须使用一些可靠传输协议，在不可靠的传输信道实现可靠传输。

那么在TCP中就有两种方式来实现可靠传输了

• 停止等待协议
• 连续 ARQ 协议

A：停止等待协议

“停止等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

停止等待协议有两种情况：① 无差错情况 、② 出现差错情况

① 无差错情况

② 出现差错情况

在接收方 B 会出现两种情况：

• B 接收 M1 时检测出了差错，就丢弃 M1，其他什么也不做（不通知 A 收到有差错的分组）。
• M1 在传输过程中丢失了，这时 B 当然什么都不知道，也什么都不做。

在这两种情况下，B 都不会发送任何信息。 但A都必须重发分组，直到B正确接收为止，这样才能实现可靠通信。

问题：A如何知道 B 是否正确收到了 M1 呢？ 解决方法：超时重传

• A 为每一个已发送的分组都设置了一个超时计时器。
• A 只要在超时计时器到期之前收到了相应的确认，就撤销该超时计时器，继续发送下一个分组 M2 。
• 若A在超时计时器规定时间内没有收到B的确认，就认为分组错误或丢失，就重发该分组。

问题：若分组正确到达B，但B回送的确认丢失或延迟了，A未收到B的确认，会超时重发。B 可能会收到重复的 M1 。B如何知道收到了重复的分组，需要丢弃呢？ 解决方法：编号

• A为每一个发送的分组都进行编号。若B收到了编号相同的分组，则认为收到了重复分组，丢弃重复的分组，并回送确认。
• B为发送的确认也进行编号，指示该确认是对哪一个分组的确认。
• A根据确认及其编号，可以确定它是对哪一个分组的确认，避免重发发送。若为重复的确认，则将其丢弃。

注意：

• 在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本，以备重发。
• 分组和确认分组都必须进行编号。
• 超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。

通常 A 最终总是可以收到对所有发出的分组的确认。如果 A 不断重传分组但总是收不到确认，就说明通信线路太差，不能进行通信。

使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。

像上述的这种可靠传输协议常称为自动重传请求 ARQ (Automatic Repeat reQuest)。意思是重传的请求是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。

为了提高传输效率，发送方可以不使用低效率的停止等待协议，而是采用流水线传输。

流水线传输就是发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。这样可使信道上一直有数据不间断地传送。

B：连续 ARQ 协议

• 发送方维持的发送窗口，它的意义是：位于发送窗口内的分组都可连续发送出去，而不需要等待对方的确认。这样，信道利用率就提高了。
• 连续 ARQ 协议规定，发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。

即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。

优点：容易实现，即使确认丢失也不必重传。 缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。

如果发送方发送了前 5 个分组，而中间的第 3 个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。 这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的 N 个分组。

三 TCP 的拥塞控制

(一) 引入

出现拥塞的原因：

• 对资源需求 > 可用资源

即使增大资源也不是能解决拥塞的问题的。不但不能解决拥塞问题，而且还可能使网络的性能更坏。

拥塞引起的重传并不会缓解网络的拥塞，反而会加剧网络的拥塞。因为会引起更多的分组流入网络和被网络中的路由器丢弃。

(二) 拥塞控制的作用

(三) 流量控制和拥塞控制的区别

拥塞控制：

• 防止过多的数据注入到网络中，使网络中的路由器或链路不致过载
• 是一个全局性的过程，涉及到与降低网络传输性能有关的所有因素

流量控制：

• 抑制发送端发送数据的速率，以使接收端来得及接收
• 是点对点通信量的控制，是端到端的问题

(四) TCP 的拥塞控制方法

开环控制

• 在设计网络时，事先考虑周全，力求工作时不发生拥塞；
• 思路：力争避免发生拥塞。

闭环控制

• 基于反馈环路的概念；
• 根据网络当前的运行状态采取相应控制措施；
• 思路：在发生拥塞后，采取措施进行控制，消除拥塞。

TCP 采用基于窗口的方法进行拥塞控制。该方法属于闭环控制方法。

• 只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就可以再增大一些，以便把更多的分组发送出去，这样就可以提高网络的利用率。
• 但只要网络出现拥塞或有可能出现拥塞，就必须把拥塞窗口减小一些，以减少注入到网络中的分组数，以便缓解网络出现的拥塞。

拥塞的判断：

• 重传定时器超时
• 收到三个相同（重复）的 ACK

TCP拥塞控制算法：

• 慢开始 (slow-start)
• 拥塞避免 (congestion avoidance)
• 快重传 (fast retransmit)
• 快恢复 (fast recovery)

四 TCP三次握手协议

• TCP 建立连接的过程叫做握手。
• 握手需要在客户和服务器之间交换三个 TCP 报文段。称之为三报文握手。
• 采用三报文握手主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了，因而产生错误。

• B的 TCP 服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户进程的连接请求。
• A 的 TCP 向 B 发出连接请求报文段，其首部中的同步位 SYN = 1，并选择序号 seq = x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。
• B 的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。 B 在确认报文段中应使 SYN = 1，使 ACK = 1，其确认号 ack = x + 1，自己选择的序号 seq = y。
• A 收到此报文段后向 B 给出确认，其 ACK = 1，确认号 ack = y + 1。 A 的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。
• B 的 TCP 收到主机 A 的确认后，也通知其上层应用进程：TCP 连接已经建立。

五 TCP 连接释放

• 数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。
• 现在 A 的应用进程先向其 TCP 发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接。
• A 把连接释放报文段首部的FIN = 1，其序号seq = u，等待 B 的确认。
• B 发出确认，确认号 ack = u+1，而这个报文段自己的序号 seq = v。
• TCP 服务器进程通知高层应用进程。
• 从 A 到 B 这个方向的连接就释放了，TCP 连接处于半关闭状态。B 若发送数据，A 仍要接收。
• 若 B 已经没有要向 A 发送的数据，
• 其应用进程就通知 TCP 释放连接。
• A 收到连接释放报文段后，必须发出确认。
• 在确认报文段中ACK = 1，确认号 ack = w + 1，自己的序号 seq = u + 1。

A 必须等待 2MSL 的时间：

• 第一，为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。
• 第二，防止 “已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。A 在发送完最后一个 ACK 报文段后，再经过时间 2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段，都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

六 结尾

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