基本服务

传输层功能

传输层的核心任务是为应用进程之间提供端到端的逻辑通信服务。
为此，传输层主要实现如下功能：传输层寻址；对应用层报文进行分段和重组；对报文进行差错检测；实现进程间的端到端可靠数据传输控制；面向应用层实现复用与分解；实现端到端的流量控制；拥塞控制等。
但是，通常大部分传输层协议只实现一部分功能，如Internet的传输层主要有两个协议：面向连接的TCP和无连接的UDP，前者提供可靠的数据传输服务，而后者则不提供可靠数据传输服务。

传输层寻址与端口

在前一章我们讲过，在计算机网络中利用IP+端口号的方式来确定一个进程，也可以将进程表示为一个通信端点，IP地址为一标识进程运行在那个主机上，统一主机上传输层协议端口号则可以唯一对应一个应用进程。
传输层端口号为16位证书，其中0～1023为熟知端口号；1024～49151为登记端口号，为没有熟知端口号的应用程序使用，必须在互联网数字分配结构登记。49152～65535为客户端口号或短暂端口号，留给客户进程或用户开发的非标准服务器暂时使用。

复用与分解

支持众多应用进程共用同一个传输层协议，并能够将收到的数据准确交付给不同的应用进程，是传输层需要实现的一项基本功能，称为传输层的多路复用与多路分解，也称复用与分解。

在同一主机上，多个应用进程同时利用同一个传输层协议进行网络通信，此时该传输层协议就被多个应用进程复用；另外，传输层协议接收到的报文段种，可能封装了不同应用进程的数据，传输层需要将数据交付给正确的应用进程，即实现分解。而实现复用与分解的关键是传输层的协议能够唯一标识一个套接字

停-等协议与滑动窗口协议

可靠数据传输基本原理

我们先讲讲不可靠传输信道的不可靠性体现在那一方面，不可靠传输信道在传输数据的过程中，可能发生比特差错。也就是说，交付给这样的信道传输的数据可能出现比特跳变，即0错成1或1错成0的现象，其次，不可靠传输信道在传输数据的过程中，可能出现乱序，即先发后到，后发先到。最后可能会出现数据的丢失，即部分数据不能到达目的地。
当基于不可靠传输信道设计可靠数据传输协议时，就需要草去一些措施来对底层信道的不可靠性所带来的问题。实现可靠数据传输的措施有：

差错检测：利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检测。
确认：接收方向发送方反馈接收状态
重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据
序号：确保数据按序到达。
计时器：解决数据丢失问题。当超时后重发。

停-等协议

实现可靠数据传输的最基本策略就是综合利用个汇总实现可靠数据传输的措施，当发送方向接收方发送一个报文段后，就停下来等待接收方的确认，如果收到ACK，则可以发送新的报文段；如果收到NAK或者超市，则重发刚发送的报文段，知道收到ACK为止。
接收方通过使用肯定确认ACK与否定确认NAK，可以让发送方知道哪些内容已被正确接收，那些内容需要重传。基于这种重传机制的可靠数据传输协议称为自动重传请求(ARQ)。最简单的ARQ协议就是停-等协议。

停-等协议的主要特点就是没发送一个报文段后就停下来等待接收方的确认，这也是该协议名称的基本含义。
停-等协议的基本工作过程是：
1.发送方发送经过差错编码和编号的报文段，等待接收方的确认；
2.接收方如果正确接收报文段，即差错检测无误且序号正确，则接收报文段，并向发送方发送ACK，否则丢弃报文段，并向发送方发送NAK；
3.发送方如果收到ACK，则继续发送后续报文段，否则重发刚刚的报文段。

在此需要大家来想以下停-等协议的一些弊端，或者还有那些细节需要修改。

停-等协议综合应用了差错检测、确认、重传、序号和计时器等措施，每种措施都在协议的运行中起到了至关重要的作用，实现了可靠数据传输。
停-等协议的特点是简单、所需缓冲存储空间小

滑动窗口协议

停-等协议是一个功能正确的协议，但是其性能通常并不令人满意。停-等协议的主要性能问题在于它的停止-等待机制降低了信道利用率。
假设发送方发送报文段的时间是$t_{seg}$(报文段的传输时延)，接收方发送ACK需要的时间是$t_{ACK}$,于是停-等协议的信道利用率$U_{Sender}$为$U_{Sender}=\frac{t_{Seg}}{t_{Seg}+RTT+T_{ACK}}$
如果不使用停止-等待协议的方式，允许发送方再没有收到确认之前连续发送3个分组，则协议的信道利用率相对于停-等协议就提高了3倍，在这种可靠数据传输协议种，从发送方向接收方传送的系列分组可以看成是填充到一条流水线种，故称这种协议为流水线协议或管道协议。

相对于停-等协议，流水线协议实现可靠数据传输时，需要做如下的改进：增加分组序号范围、协议的发送方和接收方必须缓存多个分组。

最典型的流水线可靠传输协议是滑动窗口协议。
滑动窗口协议实质上就是将可靠数据传输的工作过程，抽象到分组序号空间，即发送方确保分组按序发送，接收方确保分组按序提交。
滑动窗口协议根据采用的确认、计时以及窗口大小等机制的不同，可以有不同类型的滑动窗口协议设计。其中最具有代表性的便是回退N步(GBN)协议和选择重传(SR)协议。

GBN协议

GBN协议的发送端缓存能力较高，可以在未得到确认前连续发送多个分组，因此，GBN协议的发送窗口$W_{s}\ge1$。GBN接收端缓存能力很低，只能接收1个按序到达的分组，不能缓存未按序到达的分组，通常称GBN协议的接收端无缓存能力。因此，GBN协议的接收窗口$W_{r}=1$。

GBN发送方必须响应3种类型的事件：
上层调用、收到1个$ACK_{n}$(n为按序到达的第几个分组)、计时器超时

设发送窗口$W_{s}=7$,有14个分组需要发送，如果在第5个分组后没有按序到达(接收端接收到第5个分组后收到的第7个分组)则接收端丢弃所有乱序的分组，然后向发送端发送$ACK_{n-1}$(现在指向的是第6个分组)，则发送端便会从编号为6的分组开始重发。
所以，在差错率较低的情况下，GBN协议的信道利用率会得到很大提高。但是，如果信道误码率和丢包率较高，会导致大量分组的重发，是信道传输能力降低。GBN协议比较适用于低误码率、低丢包率、带宽高时延积信道，且对接收方缓存能力要求低。

SR协议

GBN协议发送方可以基于流水线方式连续发送多个分组，通常情况下，可以提高信道利用率，然而，当发送窗口长度和带宽时延积都很大时，在传输时的分组容易出错，这个时候可以增加接收窗口的缓存能力使$W_{t}\ge1$，等缺失分组到达后一并向上层按序提交。基于这种设计思想的滑动窗口协议就是选择重传(SR)协议。

SR发送方主要响应3个事件，并完称响应操作：
1.上层调用，请求发送数据
2.定时器超时。
3.收到$ACK_{n}$
接收方的主要操作：
1.正确接收到序号在接收窗口范围内的分组$PKT_{n}$
2.正确接收到序号在接收窗口左侧的分组$PKT_{n}$
3.其他情况，接收方可以直接丢弃分组，不做任何响应

对于滑动窗口协议，信道利用率与发送窗口的大小有关，当$W_{s}$足够大时，可以使$W_{s}*t_{seg}\ge(t_{seg}+RTT+t_{ACK})$

UDP

用户数据报协议UDP是Internet传输层协议，提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。
当应用进程将一个报文发送进UDP套接字时，UDP并不保证将该报文送达到接收进程，也可能是乱序到达的。UDP没有拥塞控制机制，所以UDP发送端可以用任何速率向其下层注入数据。
DNS便是一个使用UDP的应用层协议的例子。
使用UDP的原因：
1.应用进程更容易控制发送什么数据以及何时发送。
2.无需建立连接
3.无连接状态
4.首部开销小

UDP数据报结构

应用层数据占用UDP报文段的数据字段，而首部只有4个字段，每个字段有两个字节组成。源端口号字段和目的端口号字段用于UDP实现复用与分解。长度字段指示了在UDP报文段中的字节数。校验和字段被接收方用来校验和检测该报文段是否出现了差错。

UDP校验和

UDP校验和提供了差错检测功能。也就是说，UDP的校验和用于检测UDP报文段从源到目的地传送过程中，其中的数据是否发生改变。
UDP在计算校验和时，对所有参与运算的内容按16位求和，求和过程中遇到的任何益处(即进位)都被回卷（即进位与和的最低位再加），最后得到的和取反码，UDP在生成校验和时，校验和字段取全0。
参与校验和计算的内容包括3部分：UDP伪首部、UDP首部和应用层数据

TCP

传输控制协议(TCP)是Internet一个重要的传输层协议。TCP提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。
为了提供可靠数据传输，TCP采用了差错检测、重传、累积确认、定时器以及序号和确认序号等机制。
TCP提供全双工通信服务，即TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据和接收数据。

TCP为每块客户数据配上一个TCP首部，从而形成多个TCP报文段。这些报文段被交付给网络层，网络层将其分别v封装在网络层IP数据包中。

TCP报文段结构

TCP报文段由首部字段和一个数据字段组成。
首部字段：
1.源端口号与目的端口号字段分别占16位，标识发送该报文段的源端口和目的端口，用于多路复用/分解来自或送到上层应用的数据
2.序号字段与确认序号字段分别占32位
3.首部字段占4位，指出TCP段的首部长度，以4字节位计算单位
4.保留字段占6位，目前值为0
5.URG(标识紧急数据)、ACK(确认序号是否有效)、PSH(将报文段中的数据尽快交付接收应用进程)、RST(表明TCP连接中出现严重错误)、SYN(建立新连接的确认字段)和FIN(释放一个TCP连接)各占1位
6.接收窗口字段占16位，用于向对方通告接收窗口大小，用于流量控制。
7.校验和字段占16位，校验和字段检验的范围类似于UDP。
8.紧急指针字段占16位，用于标识紧急数据共有多少个字节
9.选项字段的长度可变
10.填充字段，长度位0～3字节
其中固定首部字段1、2、3、4、5、6、7、8共占20个字节

TCP连接管理

TCP连接管理包括连接建立与连接拆除。连接建立通过“三次握手实现”，连接拆除通过四次挥手实现

三次握手

其中seq为数据包序号，ack为确认序号，左右两边是客户端和服务器分别所处的状态：关闭状态CLOSED；同步以发送状态SYN_SENT；已建立状态ESTABLISHED，表示可以传送数据。

四次挥手

其最后等待的时间为保证在断开连接后，该连接的本地端点地址(IP+端口号)不被再次使用，避免可能的较早连接请求到达，被误解成新连接请求。

如果服务器收到客户发送的FIN段(第一次挥手时)，刚好服务器向客户发送的最后一个数据段也发送完了，此时第二次挥手的ACK段和第三次挥手的FIN段可以合并为一个段发送。这个段是不封装应用层数据的，但是作为FIN段仍然要消耗掉一个序列号。

TCP可靠数据传输

TCP的可靠数据传输实现机制包括差错编码、确认、序号、重传、计时器等。序列号是每个字节编号；确认序号为期望接收字节序号，TCP通常采用累积确认；通常采用单一的重传计时器，计时器超时时间采用自适应算法设置超时时间；重传数据段主要针对两类时间，计时器超时和三次重复确认。

TCP能够提供可靠的数据传输服务，是通过以下工作机制来实现的：
1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块(通常是MSS)，封装成TCP段，传递给IP
2.当TCP发出一个段后，启动一个计时器，等待目的端确认收到这个报文段。
3.TCP首部中设有校验和字段，用于检测数据在传输过程中是否发生差错。
4.将收到的乱序TCP报文段进行排序，然后交给应用层
5.将重复的报文段丢弃
6.提供流量控制

TCP流量控制

流量控制的目的是协调协议发送方与接收方的数据发送与接收速度，避免因发送方发送数据太快，超出接收方的数据接收和处理能力，致使数据在接收方被丢弃。
在TCP中通过控制未确认字段的应用层数据总量不超过最近一次接收端通告的接收窗口大小，从而确保接收端不会发生缓存溢出。

TCP拥塞控制

拥塞是指太多主机以太快的速度向网络中发送太多的数据，超出了网络处理能力，导致大量数据分组“拥挤“在网络中间设备队列中等待转发，网络性能显著下降的现象。
拥塞的直接后果如下：
数据分组通过网络的时延显著增加
由于队列满导致大量分组被丢弃

拥塞控制就是通过合理调度、规范、调整向网络中发送数据的主机数量、发送速率或数据量，以避免拥塞或尽快消除已发生的拥塞。
拥塞控制可以在不同的层实现，比较典型的是在网络层和传输层进行拥塞控制。

TCP的拥塞控制是从端到端的角度，推测网络是否发生拥塞，如果推断网络发生拥塞，则立即将数据发送速率降下来，以便缓解网络拥塞。
TCP中通过对窗口的调节来控制数据发送的速率，而控制窗口可分为慢启动阶段和拥塞避免阶段，后来又在此基础上增加了快速重传和快速恢复的阶段