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admin 5个月前 (06-21) 科技 65 1

运输层

本节重点

  • 运输层为相互交互的通讯的应用历程提供逻辑通讯
  • 端口和套接字的意义
  • 无毗邻的UDP寄义
  • 面向毗邻的TCP特点
  • 在不可靠的网络上实现可靠传输的事情原理,住手守候协媾和ARQ协议

运输层最近又添加了第三种协议 ,STCP(Stream Cntrol Transmission Protocol) [建议尺度] 它具有TCP和UDP的协议的配合优点

运输层协议概述

历程间的通讯

运输层向他上面的应用层提供通讯。
当网络边缘的主机使用网络的焦点功效举行端对端通讯时,只有主机的协议栈才有运输层,焦点部门一样平常都只有三层结构 。
通讯的真正端点时主机和主机之间的历程
逻辑通讯 : 从应用层来看,只要把应用层报文交给下面的运输层,运输层就可以把报文传输给对方的物理层。
运输层还要对收到的报文举行检错。前面的网络层, 只是对应的数据报的首部的检测。
网络层为主机之间提供逻辑通讯,而运输层为应用历程之间提供端到端的逻辑通讯

运输层的两个协议

TCP/IP运输层的两个协议都是互联网的正式尺度即:

  • 用户数据协议UDP(User Datagram Protocol)
  • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
    凭据OSI的术语: 两个对等的运输实体在通讯传输时的数据单元叫做运输数据控制单元 TPDU(Transport Protocol Data Unit 。 在TCP和UDP划分称之为TCP报文段(segmentUDP用户数据报
    使用UDP和TCP 协议的种种应用和应用栈协议
应用 应用层协议 运输层协议
域名转换 DNS(域名)系统 UDP
文件传输 TFTP(简朴文件传输) UDP
路由选择协议 DHCP(动态主机设置) UDP
网络治理 SNMP(简朴网络治理协议) UDP
远程文件服务 NFS(网络文件系统) UDP
IP电话 专用协议 UDP
流式多媒体通讯 专用协议 UDP
多播 IGMP(网络组治理协议) UDP
电子邮件 SMTP(简朴邮件传输协议) TCP
远程终端接入 TELNET(远程终端协议) TCP
万维网 HTTP(超文本传输协议) TCP
文件传送 FTP(文件传送协议) TCP

TCP和UDP使用一个16位的端口号来标示一个端口号。端口号只有内陆意义,就是为了示意盘算机应用层中的个历程在 和运输层在交互时的接口。 16位的端口号允许65535个差别的端口号。

  • 服务器使用的端口号 ,或者对照熟知的端口号(Well-known port number)或者系统端口号 :

常用的熟知的端口号

应用程序 FTP TELNET SMTP DNS TFTP HTTP SNMP SNMP(trao) HTTPS
熟知的端口号 21 23 25 53 69 80 161 162 443

另一类叫做挂号端口号,数值为1024-49151 。 这类端口时为没有熟知端口号的应用程序的使用, 使用这类端口号必须在IANA凭据划定的手续挂号,以防止重复

  • 客户端使用的端口号 熟知为49152-65535 短暂端口号

用户数据包协议UDP

UDP只在IP的数据报之上添加了很少的功效。就是复用和分用以及 差错检错的功效 :

  1. 特点:
  • UDP是无毗邻的
  • 尽最大努力交互
  • UDP时面向报文的 对应用层传过来的数据添加UDP首部后就直接的交付给下层IP协议
  • UDP没有壅闭控制
  • UDP支持一对一,一对多和多对多的相互通讯
  • UDP的首部开销少

UDP的首部花样

共8个字节

  • 源端口 需要对对方回信时选用 。不需要为可以全为0
    当运输层收到UDP数据报,就是凭据首部中的目的地址,把UDP数据报通过响应的端口,上交给最后的终点---应用历程
    图中伪首部,主要时为了盘算磨练和,暂且添加到UDP用户数据报之前。
  • 数据磨练的方式:首部和数据部门一起磨练
  1. 用0填充首部磨练和字段
  2. 取偶数个字节举行加法运算 (奇数,补零 ,运算,现实的数据中没有)
  3. 效果求反码放入到首部磨练和字段
  • 接受方:
    将伪首部和UDP数据报举行求和,效果全为 1 ,无错,否则抛弃。

传输层控制协议TCP

TCP协议的主要特点 :

  • TCP时面向链接的运输层协议
  • 每一条TCP链接只能有两个端点。TCP链接只能时点对点
  • TCP提供可靠交付服务
  • TCP提供双全共服务
  • 面向字节省
    TCP把链接作为最基本的抽象,TCP的许多特征都与TCP是面向链接的这个基本属性有关。 TCP的两个端点叫套接字或接口 。
    [RPC 793]界说: 端口号拼接到(Connection with)IP地址即构成了套机字。
套接字socket = (IP地址:端口号) 

每条TCP链接唯一地被通讯两个端点(即套接字) 所确定。即:

TCP链接::={socket1,socket2}= {(IP,端口号),(IP2,端口号)}

TCP报文段的首部花样

其中个体字段注释:

  • 序号: 在TCP链接中传输的字节省中的每个字节都是按顺序编号的。字节的起始信号在确立链接时刻确认。

  • 确认号 : 期望收到下一个报文段的第一个字节的序列

  • 数据偏移 : 数据离起始TCP报文段起始处有多远

  • 紧要URG(URgent) : 优先处置 ,配合紧要指针使用

  • 推送PSH(PuSH):不缓冲立刻发送

  • 复位RST(ReSeT) : 解释TCP链接泛起严重的差错,必须释放毗邻,然后重新确立 。

  • SYN标志,示意请求确立一个毗邻。我们称携带SYN标志的TCP报文段为同步报文段。

  • FIN标志,示意通知对方本端要关闭毗邻了。我们称携带FIN标志的TCP报文段为竣事报文段。

  • 16位窗口巨细(window size):是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口,指的是吸收通告窗口(Receiver Window,RWND)。它告诉对方本端的TCP吸收缓冲区还能容纳若干字节的数据,这样对方就可以控制发送数据的速率。

  • 16位校验和(TCP check sum):由发送端填充,吸收端对TCP报文段执行CRC算法以磨练TCP报文段在传输历程中是否损坏。注重,这个校验不仅包罗TCP头部,也包罗数据部门。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。

  • 16位紧要指针(urgent pointer):是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加示意最后一个紧要数据的下一字节的序号。因此,确切地说,这个字段是紧要指针相对当前序号的偏移,不妨称之为紧要偏移。TCP的紧要指针是发送端向吸收端发送紧要数据的方式

  • TCP头部选项:TCP头部的最后一个选项字段(options)是可变长的可选信息。这部门最多包罗40字节,由于TCP头部最长是60字节(其中还包罗前面讨论的20字节的牢固部门
    随着生长TCP报文花样也发生这转变,使得传输加倍的高效,可靠。
    例如: 窗口扩大 选择确认

可靠传输的原理

  • 理想的传输条件具备的两个特点:   
  1. 传输信道不发生差错
  2. 不管发送方以 多块的速率发送数据,接受方总是来得及处置接受到的新闻  

住手守候协议

就是每发送一个分组就住手发送,守候对方确认。收到确认后在发送下一个分组。 

  • 每次发送完都需要保留一个暂时的副本。只有收到确认分组才气消灭
  • 需要对分组和分组确认编号
  • 设定超时盘算器
    三种情形:
  • 正常,无差错
  • 泛起差错 ,继续重发
  • 确认丢失和确认迟到 (会发送重复的包忽略)
    上述协议也可以称为自动重传ARQ(Automatic Repeat reQuest)。意思时: 重传的请求时自动举行的,接受方不需要请求发送方重传某个失足请求
  • 改善的思绪: 使用流水线一次发送多个分组,在请求确认。

延续的ARQ协议

位于滑动窗口内的5个分组都可以延续的发送出去,而不需守候确认。 发送每收到一个确认就把窗口向前滑动一个分组的单元。接受方不必对收到的数据逐个发送确认,而是在收到几个分组朱颜,对按序到达的最后一个分组发送确认。 泛起差错时,使用Go-back-N(回退N。

TCP实现可靠传输的特点

同样TCP使用的滑动窗口实现的,然则若是存在确认丢失,那么也是接纳超时重传的方式来确定。 然则超时时间设置也是对照的庞大 ,接纳自适应算法

超时重传时间的选择

TCP接纳的是一种自适应算法,它是纪录一个报文发出的时间,以及收到响应简直认时间 。这两时间之差就是报文的往返时间RTT TCP保留了一个加权平均往返时间RTTs,这又称为平滑的往返时间。 当第一次测量到RTT样本时,RTTs值就为RTT样本的值,以后没采测到一次,就凭据下面的公式盘算一次:

新的RTTs=(1-α)× (旧的RTTs) + α× (新的RTT样本) 

尺度建议设置为:0.125

  • 上面时RTT的盘算方式,下面给出超时重传时间RTO(Retransminssion Time-OUT) 应略大于上面得出的加权平均时间RTTs。
    尺度建议 :
RTO  =  RTTs + 4* RTT<sub>D</sub>

RTTD 建议的盘算值: 当一次盘算时,RTTD 的取值为RTT样本值的一半 ,以后的盘算方式

新的RTT<sub>D</sub>  =  (1-β)×(旧的RTT<sub>D</sub>)+ β×ABS(RTTs-新的RTT样本)

β的推荐值0.25
但时这种算法有缺陷。重传后,收到前面的一个确认报文,无法确准时谁人分组的RTT。
若是前一个,则RTTS和D增大, 若是后一个削减。

  • 解决上述问题Karn提出思绪: 发送重传时不盘算. 映入了一个新的问题: 假设重传时延变得非常大,不盘算重传,就无法重新盘算RTO的时间
  • 在为了解决上述的问题,将RTO的时间确定的大一点,重传的时间直接盘算为原来的2倍。

选择确认 SACK

若收到的报文无差错 , 只是序号序号未凭据序号,中心的缺少一些数据,不必重传,只需要传输缺少的数据

TCP流量控制

所谓的流量控制(flow contro)就是让发送方发送速率不要太快,要让接受方来的及接受
假设问题:B发送rwnd= 0,A接受到后不在发送数据,然则一段时间后,B的rwnd = 400,然则在发送rwnd=400的报文段丢失了。那么A就一直守候B发送︿( ̄︶ ̄)︿非零窗口的报文段,B也在守候A的数据报陷入相互死锁的问题 。 
解决办法:使用一个连续的计时器,时间一到就发送一个零窗口的探测报文段。  

  • TCP的传输效率  
    当应用历程吧数据传送到TCP后,TCP就缓冲起来了,剩下的发送义务就由TCP来来控制了 。TCP提供了差别的机制来控制TCP报文段的发送时机
  • TCP 维持一个变量MSS 。只有缓冲到达MSS,就启动发送
  • 发送方应用指明晰TCP支持的push操作,直接发送
  • 维持一个计时器,时间到就发送
    在TCP实现中使用的是Nagle算法 : 先发送一个字节,然后守候确认,然后后面到达的数据缓冲,再把缓冲中的所有数据组装成一个数据段在发送出去。
    只有接受到前一个数据段简直认在发送下一个。
  • 糊涂窗口综合征(silly window syndrome): 接受方的缓冲处置太慢,而发送方接受到确认后,继续发送,部门数据丢失,同样是的效率减低 。解决方式:① 吸收方守候一段时间后 ② 守候吸收缓冲区有一半空闲的空间。 在发送确认数据段,并通知当前窗口的巨细。

TCP的拥塞控制

网络中某一资源超过了网络性能就会变坏。
TCP举行拥塞控制的算法一共有四种。
慢最先 拥塞制止 快重传 快恢复

  • 慢最先:最先cwnd为1 , 通过轮次(上一轮的数据报都发送完)的方式,行使乘法来扩大拥塞窗口 ,且不能超过1到2个发送方的SMSS的最大报文段 (新的尺度3-4个巨细)
    SMSS 在SYN中协商,默认时536字节。
    现实中,发送方只要接受到对新报文简直认就立刻对cwnd窗口值加1,不需要守候上一轮次所有传送完毕。
    为了防止cwnd太大,需要设置慢最先门限。 当cwnd>门限值,使用拥塞制止算法
  • 拥塞制止 就是加法运算,每次对cwnd增1,当泛起超时,设置门限值为cwnd/2 ,同时设置 cwnd为1,最先慢算法。
  • 快算法解决报文丢失,再次引起慢算法的问题。若发生丢失报文段,则接受方延续的发送前一个数据段的 重复确认3次,累计4次 ,发送方就知道了简直没有收到丢失的报文,因而当立刻重传,而不是网络拥堵。 启动快速恢复算法。 调整发送方的门限值为8,同时设置cwnd = 8。

TCP的传输链接治理

TCP时面向链接的协议,运输毗邻是用来传输TCP报文的。TCP运输毗邻简直立和选择时面向毗邻的通讯中必不可少的。 因此运输毗邻必有三个阶段,即: 毗邻确立,数据传送,毗邻释放。 运输毗邻的治理就是使得运输毗邻简直立和释放都能正常的举行。

  1. TCP毗邻确立解决的三大问题:
  • TCP 的每一方都要能够感知对方的存在 
  • 要允许双方协议一些参数
  • 能够对运输实体资源(缓存的巨细,毗邻表中的项目)举行分配。 
    TCP 毗邻确立接纳的时客服服务器模式,自动提议确立请求的应用历程叫做客户,被动守候确立毗邻的时应用历程叫做服务器   
  1. TCP的毗邻确立  
    TCP确立毗邻的历程叫做握手(三报文握手), 握手需要在客户和服务器之间交流三个TCP报文段

详细历程: 

  • 假定A运行的时TCP客户端程序,B运行的时服务器段的程序。最初两头的TCP历程都处于CLOSED(关闭状态).此时A自动的打开毗邻,B被动打开毗邻 
    B历程TCP服务器先建立传输控制块TCB,准备接受客户端历程的请求毗邻。然后服务器处于 LISTEN(收听)状态,守候客户端的毗邻请求。 
  • A的TCP历程首先建立传输控制模块TCB, 然后计划确立TCP毗邻,向B发送毗邻请求报文,这是首部的同步位为1,同时选择一个初始化序列SYN=1 ,同时选择一个初始化序号seq=x (TCP划定SYN为1的报文段不能携带数据)然则要消耗一个序号。 
    TCP客户端历程进入发SYN-SENT(同步已发送)阶段。 
  • B接受带请求报文后,若是赞成确立,则向A发送确认。在确认报文段中应把SYN位和ACK为置一。确认号是ack=x+1。同时也为自己选择一个初始化序号seq=y. 同样这个报文段也不能携带数据,然则消耗一个序号。 这是TCP 服务器历程进入到SYN-RCVD(同步收到)状态。  
  • TCP客户端收到B的请求后,另有给B发出确认请求。确认报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而自己的seq=x+1, 由于SNY=0,以是序号不用增添就是ack=y+1,而seq仍然为x+1.
  • B收到A的请求后,也进入到ESTABLISTEND(已确立)状态
    为什么最后一次还要发送一次确认? 主要时为了防止已经失效的毗邻请求报文段突然又穿送到了B,发生错误。
    失效的毗邻 A发出毗邻请求,但由于请求毗邻报文滞留在网络。以至于A的毗邻释放后才到达了B,B认为是一个新的请求毗邻,发送确认报文段(若是两次握手,那么已经确立毗邻,A不予回应)虚耗资源。

TCP的毗邻释放。

TCP的毗邻关闭也是对照的庞大的,需要四次握手。

  • 在数据传输竣事后,通讯的双发都可释放毗邻。现在A和B都处于ESTABLESHED状态。A的应用历程先向其TCP发出毗邻释放报文段,并住手发送数据,自动关闭TCP毗邻。A毗邻释放报文段的首部终止控制位置1,其序号为 seq = u ,u为前面已经传送的过的数据的最后一个序号加1。这是A进入到 FIN-WAIT-1(住手守候1)状态。 守候B简直认。 TCP划定FIN报文段纵然不携带数据,它也消耗一个序号
  • B收到毗邻释放报文段后立刻发送确认。确认号时是ack=u+1; 而这个报文段自己的序列号时V。即是B前面已经传送的数据的最后一个字节加1。然后B进入到CLOSE-WAIT
    (关闭守候)TCP的服务端历程这时通知高层应用程序历程,因而从A到B的这个毗邻就是释放了,这是TCP毗邻处于半关闭状态, 即A已经没有要发送的数据了。然则B若发送数据A仍然接受 。B到A的毗邻还没有关闭,将会保持一段的时间。 
  • A收到的B简直认,就进入到FIN-WAIT2(住手守候2) 状态。 守候B发出的毗邻释放报文段 
  • 若B已经没有要向A发送的数据,其应用历程就通知TCP释放毗邻。这时B发出的释放毗邻报文必须时FIN=1。 现在假设B的序号为w(在B的半关闭状态有向A发送了一些数据),B照样必须重复上次已经发送过简直认号ack = u+1; 这是B就进入到了LAST-ACK(最后确认)状态 ,守候A简直认。 
    A在收到B的毗邻释放报文段后,必须对此发出确认。 在确认报文段中吧ACK置1。确认号ack=w+1。然后进入到TIME-WAIT(时间守候)状态。现在TCP还没有正在的释放掉,必须守候时间等地计时器(TIME-AWIT timer)设置的时间2MSL后,A进入到CLOSED状态。 时间MSL叫做最长报文寿命(Maximum Segment Lifetime)。尺度推荐为2分钟。 守候4分钟之后,打消响应的传输控制块TCB,就竣事了本次毗邻。
  • 为何A在TIME-WAIT状态守候2MSL?两个理由
    • 保证A发送的最后一个ACK报文能够到达B。若是B没有收到,A就会超时重传,重新启动2MSL计时器,B就可以在2MSL时间内收到这个FIN+ ACK简直认段。若是没有2MSL计时器,B若是没有收到A简直认, B就无法正常的进入到CLOSED阶段。 造成资源的虚耗
    • 再次防止,已失效的请求毗邻报文段 A在发送完ACK报文段后,在经由2MSL,就可以使得本毗邻连续的时间发生的所有报文从网络中消逝。可以使得下一次毗邻中不会泛起旧的请求毗邻报文。
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