计算机网络学习笔记之传输层

计算机网络学习笔记之传输层

• ​​传输层提供的服务​​

• ​​传输层的功能​​
• ​​传输层的寻址与端口​​
• ​​无连接服务与面向连接服务​​

• ​​UDP协议​​

• ​​UDP数据报​​

• ​​UDP概述​​

• ​​UDP首部格式​​
• ​​UDP校验​​

• ​​TCP协议​​

• ​​TCP协议的特点​​
• ​​TCP报文段​​
• ​​TCP连接管理​​

• ​​TCP连接建立​​
• ​​SYN洪泛攻击​​
• ​​TCP的连接释放​​
• ​​总结​​

• ​​TCP可靠传输​​

• ​​序号​​
• ​​确认​​
• ​​重传​​

• ​​TCP流量控制​​
• ​​TCP拥塞控制​​

• ​​拥塞控制四种算法​​

• ​​慢开始和拥塞避免​​
• ​​快重传和快恢复​​

• ​​参考文献​​

传输层提供的服务

传输层的功能

从通信和信息处理的角度看，传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。
传输层位于网络层之上，它为运行在不同主机上的进程之间提供了逻辑通信，而网络层提供主机之间的逻辑通信。显然，即使网络层协议不可靠（网络层协议使分组丢失、混乱或重复)，传输层同样能为应用程序提供可靠的服务。
从图5.1可以看出，网络的边缘部分的两台主机使用网络核心部分的功能进行端到端的通信时，只有主机的协议栈才有传输层和应用层，而路由器在转发分组时都只用到下三层的功能（即在通信子网中没有传输层，传输层只存在于通信子网以外的主机中)。
传输层的功能如下:

• 1）传输层提供应用进程之间的逻辑通信（即端到端的通信)。与网络层的区别是，网络层提供的是主机之间的逻辑通信。

从网络层来说，通信的双方是两台主机，IP数据报的首部给出了这两台主机的P地址。但“两台主机之间的通信”实际上是两台主机中的应用进程之间的通信，应用进程之间的通信又称端到端的逻辑通信。这里“逻辑通信”的意思是:传输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据，但事实上这两个传输层之间并没有一条水平方向的物理连接。

• 2）复用和分用。复用是指发送方不同的应用进程都可使用同一个传输层协议传送数据:分用是指接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付到目的应用进程。

注意:网络层也有复用分用的功能，但网络层的复用是指发送方不同协议的数据都可以封装成数据报发送出去，分用是指接收方的网络层在剥去菌部后把数据交付给相应的协议。

• 3）传输层还要对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分)。而网络层只检查P数据报的首部，不检验数据部分是否出错。
• 4）提供两种不同的传输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。而网络层无法同时实现两种协议（即在网络层要么只提供面向连接的服务，如虚电路;要么只提供无连接服务,如数据报，而不可能在网络层同时存在这两种方式)。

传输层向高层用户屏蔽了低层网络核心的细节（如网络拓扑、路由协议等)，它使应用进程看见的是好像在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道，这条逻辑通信信道对上层的表现却因传输层协议不同而有很大的差别。当传输层采用面向连接的TCP时，尽管下面的网络是不可靠的(只提供尽最大努力的服务)，但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。但当传输层采用无连接的UDP时，这种逻辑通信信道仍然是一条不可靠信道。

传输层的寻址与端口

1. 端口的作用

端口能够让应用层的各种应用进程将其数据通过端口向下交付给传输层，以及让传输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。端口是传输层服务访问点(TSAP)，它在传输层的作用类似于P地址在网络层的作用或MAC地址在数据链路层的作用，只不过P地址和MAC地址标识的是主机，而端口标识的是主机中的应用进程。

数据链路层的SAP 是MAC地址，网络层的SAP是P地址，传输层的SAP是端口。

在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口，它与路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念。硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口，而软件端口是应用层的各种协议进程与传输实体进行层间交互的一种地址。传输层使用的是软件端口。

2. 端口号

应用进程通过端口号进行标识，端口号长度为16bit，能够表示$65536(2^{26})$个不同的端口号。
端口号只具有本地意义，即端口号只标识本计算机应用层中的各进程，在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的。根据端口号范围可将端口分为两类:

• 1）服务器端使用的端口号。它又分为两类，最重要的一类是熟知端口号，数值为0～1023,
  IANA（互联网地址指派机构）把这些端口号指派给了TCP/IP最重要的一些应用程序，让所有的用户都知道。另一类称为登记端口号，数值为1024~49151。它是供没有熟知端口号的应用程序使用的，使用这类端口号必须在IANA登记，以防止重复。
  一些常用的熟知端口号如下:
• 2）客户端使用的端口号，数值为49152~65535。由于这类端口号仅在客户进程运行时才动态地选择，因此又称短暂端口号（也称临时端口)。通信结束后，刚用过的客户端口号就不复存在，从而这个端口号就可供其他客户进程以后使用。

3. 套接字

在网络中通过IP地址来标识和区别不同的主机，通过端口号来标识和区分一台主机中的不同应用进程，端口号拼接到IP地址即构成套接字Socket。在网络中采用发送方和接收方的套接字来识别端点。套接字，实际上是一个通信端点，即

套接字Socket= (IP地址:端口号）

它唯一地标识网络中的一台主机和其上的一个应用(进程)。

在网络通信中，主机A发给主机B的报文段包含目的端口号和源端口号，源端口号是“返回地址”的一部分，即当B需要发回一个报文段给A时，B到A的报文段中的目的端口号便是A到B的报文段中的源端口号(完全的返回地址是A的P地址和源端口号)。

无连接服务与面向连接服务

1. 面向连接服务就是在通信双方进行通信之前，必须先建立连接，在通信过程中，整个连接的情况一直被实时地监控和管理。通信结束后，应该释放这个连接。
2. 无连接服务是指两个实体之间的通信不需要先建立好连接，需要通信时，直接将信息发送到“网络”中，让该信息的传递在网上尽力而为地往目的地传送。

TCP/P协议族在P层之上使用了两个传输协议:一个是面向连接的传输控制协议(TCP),采用TCP时，传输层向上提供的是一条全双工的可靠逻辑信道;另一个是无连接的用户数据报协议(UDP)，采用UDP时，传输层向上提供的是一条不可靠的逻辑信道。

• TCP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。TCP不提供广播或组播服务。由于TCP提供面向连接的可靠传输服务，因此不可避免地增加了评多开销，如确认、流量控制、计时器及连接管理等。这不仅使协议数据单元的头部增大很多，还要占用许多的处理机资源。因此TCP主要适用于可靠性更重要的场合，如文件传输协议(FTP)、超文本传输协议(HTTP)、远程登录(TELNET)等。
• UDP是一个无连接的非可靠传输层协议。它在IP之上仅提供两个附加服务:多路复用和对数据的错误检查。IP知道怎样把分组投递给一台主机，但不知道怎样把它们投递给主机上的具体应用。UDP在传送数据之前不需要先建立连接，远程主机的传输层收到UDP报文后，不需要给出任何确认。由于UDP比较简单，因此执行速度比较快、实时性好。使用UDP的应用主要包括小文件传送协议(TFTP)、DNS、SNMP和实时传输协议(RTP)。

UDP协议

UDP数据报

UDP概述

UDP仅在P的数据报服务之上增加了两个最基本的服务:复用和分用以及差错检测。如果应用开发者选择UDP而非TCP，那么应用程序几乎直接与IP打交道。为什么应用开发者宁愿在UDP之上构建应用，也不选择TCP?既然TCP提供可靠的服务，而UDP不提供，那么TCP总是首选吗﹖答案是否定的，因为有很多应用更适合用UDP，主要因为UDP具有如下优点:

• 1）UDP无须建立连接。因此UDP不会引入建立连接的时延。试想如果 DNS运行在TCP而非UDP上，那么DNS 的速度会慢很多。HTTP使用TCP而非UDP，是因为对于基于文本数据的 Web 网页来说，可靠性是至关重要的。
• 2）无连接状态。TCP需要在端系统中维护连接状态。此连接状态包括接收和发送缓存、拥塞控制参数和序号与确认号的参数。而UDP不维护连接状态，也不跟踪这些参数。因此，某些专用应用服务器使用UDP时，一般都能支持更多的活动客户机。
• 3）分组首部开销小。TCP有20B的首部开销，而UDP仅有8B的开销。
• 4）应用层能更好地控制要发送的数据和发送时间。UDP没有拥塞控制，因此网络中的拥塞不会影响主机的发送效率。某些实时应用要求以稳定的速度发送，能容忍一些数据的丢失，但不允许有较大的时延，而UDP正好满足这些应用的需求。
• 5）UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP常用于一次性传输较少数据的网络应用，如 DNS、SNMP等，因为对于这些应用，若采用TCP，则将为连接创建、维护和拆除带来不小的开销。UDP 也常用于多媒体应用(如IP电话、实时视频会议、流媒体等)，显然，可靠数据传输对这些应用来说并不是最重要的，但 TCP的拥塞控制会导致数据出现较大的延迟，这是它们不可容忍的。

UDP不保证可靠交付，但这并不意味着应用对数据的要求是不可靠的，所有维护可靠性的工作可由用户在应用层来完成。应用开发者可根据应用的需求来灵活设计自己的可靠性机制。

UDP是面向报文的。发送方UDP对应用层交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层，一次发送一个报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界;接收方UDP对IP层交上来UDP数据报，在去除首部后就原封不动地交付给上层应用进程，一次交付一个完整的报文。因此报文不可分割，是UDP数据报处理的最小单位。因此，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，可能会导致分片;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，两者都会降低IP层的效率。

UDP首部格式

UDP数据报包含两部分:UDP首部和用户数据。UDP首部有8B，由4个字段组成，每个字段的长度都是2B，如图所示。各字段意义如下:

• 1）源端口。源端口号。在需要对方回信时选用，不需要时可用全0。
• 2）目的端口。目的端口号。这在终点交付报文时必须使用到。
• 3）长度。UDP数据报的长度（包括首部和数据)，其最小值是8（仅有首部)。
• 4）校验和。检测UDP数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。该字段是可选的,当源主机不想计算校验和时，则直接令该字段为全0。

当传输层从P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应用进程，如图所示。

如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确(即不存在对应于端口号的应用进程)，那么就丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给发送方。

UDP校验

在计算校验和时,要在UDP数据报之前增加12B的伪首部，伪首部并不是UDP的真正首部。只是在计算校验和时，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。校验和就是按照这个临时的UDP数据报来计算的。

伪首部既不向下传送又不向上递交，而只是为了计算校验和。图给出了UDP数据报的伪首部各字段的内容。

UDP校验和的计算方法和P数据报首部校验和的计算方法相似。但不同的是，IP数据报的校验和只检验IP数据报的首部，但UDP的校验和则检查首部和数据部分。

发送方首先把全零放入校验和字段并添加伪首部，然后把UDP数据报视为许多16位的字串接起来。若UDP数据报的数据部分不是偶数个字节，则要在数据部分末尾填入一个全零字节(但此字节不发送)。然后按二进制反码计算出这些16位字的和，将此和的二进制反码写入校验和字段，并发送。接收方把收到的 UDP 数据报加上伪首部（如果不为偶数个字节，那么还需要补上全零字节）后，按二进制反码求这些16位字的和。当无差错时其结果应为全1，否则就表明有差错出现，接收方就应该丢弃这个UDP数据报。

注意：

• 1）校验时，若UDP数据报部分的长度不是偶数个字节，则需填入一个全0字节，如上图所示。但是此字节和伪首部一样，是不发送的。
• 2）如果UDP校验和校验出UDP数据报是错误的，那么可以丢弃，也可以交付给上层，但是需要附上错误报告，即告诉上层这是错误的数据报
• 3）通过伪首部，不仅可以检查源端口号、目的端口号和UDP用户数据报的数据部分，还可以检查IP数据报的源IP地址和目的地址。

这种简单的差错检验方法的检错能力并不强，但它的好处是简单、处理速度快。

TCP协议

TCP协议的特点

TCP是在不可靠的T层之上实现的可靠的数据传输协议，它主要解决传输的可靠、有序、无丢失和不重复问题。TCP是TCP/IP体系中非常复杂的一个协议，主要特点如下:

• 1)TCP是面向连接的传输层协议。
• 2)每条TCP连接只能有两个端点，每条TCP连接只能是点对点的（一对)。
• 3)TCP提供可靠的交付服务，保证传送的数据无差错、不丢失、不重复且有序。
• 4)TCP提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据，为此TCP连接的两端都设有发送缀存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
  发送缓存用来暂时存放以下数据:①发送应用程序传送给发送方TCP准备发送的数据;②TCP已发送但尚未收到确认的数据。接收缓存用来暂时存放以下数据:①按序到达但尚未被接收应用程序读取的数据;②不按序到达的数据。
• 5)TCP是面向字节流的，虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等)，但TCP把应用程序交下来的数据仅视为一连串的无结构的字节流。
  TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。UDP报文的长度由发送应用进程决定，而TCP报文的长度则根据接收方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来决定。如果应用进程传送到TCP缓存的数据块太长，TCP 就把它划分得短一些再传送;如果太短，TCP也可以等到积累足够多的字节后再组成报文段发送出去。
  
  

TCP报文段

• 1)源端口和目的端口。各占2B。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实现。
• 2)序号。占4B，范围为$0~2^{32}$，共$2^{32}$个序号。TCP是面向字节流的（即TCP传送时是逐个字节传送的)，所以TCP连接传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
  例如，一报文段的序号字段值是301，而携带的数据共有100B，表明本报文段的数据的最后一个字节的序号是400，因此下一个报文段的数据序号应从401开始。
• 3)确认号。占4B，是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。
  例如,B正确收到了A发送过来的一个报文段，其序号字段是501，而数据长度是200B(序号501～700)，这表明B正确收到了A发送的到序号700为止的数据。因此B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701。
• 4)数据偏移（即首部长度)。占4位，这里个定 双掂报刀力H似☆负的料摇却始外距离首部长度（首部中还有长度不确定的选项字段)，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”的里位定32’1D P此字段的值为15时，达到TCP首部的最大长度60B。
• 5)保留。占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。
• 6)紧急位URG。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)。但URG需要和紧急指针配合使用，即数据从第一个字节到紧急指针所指字节就是紧急数据。
• 7)确认位ACK。仅当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。
• 8)推送位PSH (Push)。接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满后再向上交付。
• 9)复位位RST(Reset)。RST= 1时，表明TCP连接中出现严重差错〈如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。
• 10)同步位SYN。同步SYN=1表示这是一个连接请求或连接接受报文。
  当SYN=1，ACK=0时，表明这是一个连接请求报文，对方若同意建立连接，则应在响应报文中使用SYN= 1，ACK=1.
• 11)终止位FIN (Finish)。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，并要求释放传输连接。
• 12)窗口。占2B，范围为0~216-1。它指出现在允许对方发送的数据量，接收方的数据缓存空间是有限的，因此用窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。
  例如，设确认号是701，窗口字段是1000。这表明，从701号算起，发送此报文段的一方还有接收1000字节数据（字节序号为701～1700）的接收缓存空间。
• 13)校验和。占 2B。校验和字段检验的范围包括首部和数据两部分。在计算校验和时，和UDP一样，要在TCP报文段的前面加上12B的伪首部(只需将UDP伪首部的第4个字段，即协议字段的17改成6，其他的和UDP一样)。
• 14)紧急指针。占2B。紧急指针仅在URG= 1时才有意义，它指出在本报文段中紧急数据.共有多少字节(紧急数据在报文段数据的最前面)。
• 15)选项。长度可变。TCP最初只规定了一种选项，即最大报文段长度(Maximum Segment Size,MSS)。MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度（注意仅仅是数据字段)。
• 16)填充。这是为了使整个首部长度是4B的整数倍。-

TCP连接管理

TCP是面向连接的协议，因此每个TCP连接都有三个阶段:连接建立、数据传送和连接释放。TCP连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常进行。
在TCP连接建立的过程中，要解决以下三个问题:

• 1)要使每一方能够确知对方的存在。
• 2)要允许双方协商一些参数（如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项、时间戳选项及服务质量等)。
• 3)能够对运输实体资源（如缓存大小、.连接表中的项目等）进行分配。TCP把连接作为最基本的抽象，每条TCP连接有两个端点，TCP连接的端点不是主机，不是主机的P地址,不是应用进程,也不是传输层的协议端口。TCP 连接的端口即为套接字(socket)或插口，每条TCP连接唯一地被通信的两个端点（即两个套接字）确定。

TCP连接的建立采用客户/服务器方式。主动发起连接建立的应用进程称为客户(Client)，而被动等待连接建立的应用进程称为服务器(Server).

TCP连接建立

连接建立前，服务器进程处于LISTEN(收听）状态，等待客户的连接请求。

• 第一步:客户机的TCP首先向服务器的TCP发送连接请求报文段。这个特殊报文段的首部中的同步位SYN置1，同时选择一个初始序号seq=x。TCP 规定，SYN报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
• 第二步:服务器的TCP收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向客户机发回确认，并为该TCP 连接分配缓存和变量。在确认报文段中，把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack =x+1，同时也为自己选择一个初始序号seq=y。注意，确认报文段不能携带数据，但也要消耗掉一个序号。这时，TCP服务器进程进入SYN-RcVD(同步收到）状态。
• 第三步:当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并为该TCP连接分配缓存和变量。确认报文段的ACK位置1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1。该报文段可以携带数据，若不携带数据则不消耗序号。这时，TCP客户进程进入ESTABLISHED(已建立连接）状态。

成功进行以上三步后，就建立了TCP连接，接下来就可以传送应用层数据。TCP提供的是全双工通信，因此通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。
另外，值得注意的是，服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击。

SYN洪泛攻击

TCP的连接释放

天下没有不散的筵席，TCP同样如此。参与TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接。TCP连接释放的过程通常称为四次握手，如上图所示。

• 第一步:客户机打算关闭连接时，向其TCP发送连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP连接，该报文段的终止位FIN置1，序号seq=u，它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1，FIN 报文段即使不携带数据，也消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。TCP是全双工的，即可以想象为一条TCP连接上有两条数据通路,发送FIN的一端不能再发送数据，即关闭了其中一条数据通路，但对方还可以发送数据。
• 第二步:服务器收到连接释放报文段后即发出确认，确认号ack =u+1，序号seq=v，等于它前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1。然后服务器进入CLOSE-WAIT（关闭等待）
• 第三步:若服务器已没有要向客户机发送的数据，就通知TCP释放连接，此时其发出FIN=1的连接释放报文段。设该报文段的序号为w在半关闭状态服务器可能又发送了一些数据)还须重复上次已发送的确认号ack m u+1。这时服务器进入LAST-ACK（最后确认）状态。
• 第四步:客户机收到连接释放报文段后，必须发出确认。把确认报文段中的确认位ACK置1，确认号ack = w +1，序号seq = u +1。此时TCP连接还未释放，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL《最长报文段寿命）后，客户机才进入CLOSED(连接关闭）状态。

总结

• 1)连接建立。分为3步:

• SYN= 1，seq=x。
• SYN= 1，ACK=1，seq=y，ack =x+1，
• ACK =1，seq=x+1，ack=y+1。

• 2)释放连接。分为4步:

• FIN=1，seq=u。
• ACK=1，seq = v，ack = u+1。
• FIN=1，ACK= 1，seq = w，ack =u+1。
• ACK=1，seq=u+1，ack = w+1.

注：ACK、SYN、FIN一定等于1

TCP可靠传输

序号

确认

重传

TCP流量控制

TCP拥塞控制

拥塞控制四种算法

慢开始和拥塞避免

快重传和快恢复

参考文献

[1] 谢希仁. 计算机网络. 7版. 北京：电子工业出版社，2017
[2] 王道论坛. 2022计算机网络考研复习指导. 北京：电子工业出版社，2021