计算机网络（1）：运输层（TCP/UDP）

1. 运输层功能

1、复用与分用：

1. 运输层一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务。当这些报文到达目的主机后，目的主机的运输层就使用其分用功能，通过不同的端口将报文分别交付到相应的进程。
   

2. 运输层协议和网络层协议主要区别
   

运输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，使高层用户看不见实现通信功能的物理链路是什么，看不见数据链路采用的是什么规程，也看不见下面到底有几个子网以及这些子网是怎样互连起来的，运输层使高层用户看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的可靠的通信通路

2. TCP和UDP的区别

TCP UDP ①面向连接的， 非面向连接的 ②可靠交付的数据流传输 尽最大努力交付不可靠传输 ③面向字节流 面向报文 ④只能点到点（一对一）通信 一对一、一对多、多对一通信 ⑤有拥塞控制 无拥塞控制 TCP首部开销大20字节 UDP首部开销小8字节

③面向报文的传输方式是：发送方，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，对IP层交上来的UDP用户数据报，去掉首部后就原封不动交给上层。

因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，则IP层需要分片，降低效率。若太短，会是IP太小。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。这也就是说，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（长度由应用进程给出）。

TCP中流指的是进程流入或流出的字节序列。有发送和接受缓存。

⑤UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）

TCP提供可靠的通信传输，而UDP则常被用于让广播和细节控制交给应用的通信传输。

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UDP(User Datagram Protocol)

    UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立刻按照原样发送到网络上的一种机制。    即使是出现网络拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。此外，传输途中如果出现了丢包，UDO也不负责重发。甚至当出现包的到达顺序乱掉时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么不得不交给由采用UDO的应用程序去处理。换句话说，UDP将部分控制转移到应用程序去处理，自己却只提供作为传输层协议的最基本功能。UDP有点类似于用户说什么听什么的机制，但是需要用户充分考虑好上层协议类型并制作相应的应用程序。

TCP(Transmission Control Protocol)

    TCP充分实现爱呢了数据传输时各种控制功能，可以进行丢包的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。而这些在UDP中都没有。此外，TCP作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。    TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。此处不一一叙述。

TCP与UDP如何加以区分使用？

    TCP用于在传输层有必要实现可靠性传输的情况。由于它是面向有连接并具备顺序控制、重发控制等机制的。所以它可以为应用提供可靠传输。    另一方面，UDP主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。举一个IP电话进行通话的例子。如果使用TCP，数据在传送途中如果丢失会被重发，但是这样无法流畅地传输通话人的声音，会导致无法进行正常交流。而采用UDP，它不会进行重发处理。从而也就不会有声音大幅度延迟到达的问题。即使有部分数据丢失，也只是影响某一小部分的通话。此外，在多播与广播通信中也使用UDP而不是UDP。RIP、DHCP等基于广播的协议也要依赖于UDP。

TCP与UDP区别总结：

1、TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
3、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

TCP使用“连接”（而不是“端口”）作为最基本的抽象。一个连接由它的两个端点来标识。这样的端点就叫做插口（socket），或套按字。插口的概念并不复杂，但非常重要。插口包括IP地址（32bit）和端口号码（16 bit），共48 bit。在整个Internet中，在运输层通信的一对插口必须是唯一的。
　如一条连接的一对插口可以为：
　　（131.6.3.13,500）和（130.42.85.15,25）其中，25表示SMTP。
　　套接字 socket=ip地址：端口号

3. TCP三次握手详解

3.1 三次握手

TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

• ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；
• SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手；
• FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息。

3.2 三次握手流程

1. 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

2. 第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

3.3 三次握手原因

3.4 其他资料

复习TCP连接

4. TCP四次挥手

5. TCP连接后传输过程中的流量控制、拥塞控制等

5.1 流量控制

流量控制指点对点通信量的控制，是端到端正的问题。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。这里是通过滑动窗口机制来实现的。发送方的发送窗口不能超过接收方的接收窗口。TCP的窗口单位是字节，不是报文段。
（TCP将所要传送的整个报文（这可能包括许多个报文段）看成是一个个字节组成的数据流，然后对每一个字节编一个序号。）

这上图中B一共进行了三次流量控制：第一次将窗口减小到300，第二次减小到100，最后减小到0，这时发送方暂停发送知道B发送一个新的窗口值为止。

如果B发送了一个新的窗口值到A，但是A并没有收到，就会造成死锁。为解决这个问题，TCP为每个链接设置有一个持续计时器。只要TCP收到一个0窗口，就启动计时器。若计时器设置的时间到了，就发送一个探测报文，而接收方在确认的时候会给出一个现在的窗口值。

5.2 拥塞控制

防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

慢开始和拥塞避免

发送方维持一个拥塞窗口cwnd的状态变量。发送方让自己的发送窗口小于等于拥塞窗口。

• 慢开始：由小到大的逐渐增大拥塞窗口。首先将cwnd设置为一个最大报文段MMS，在收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加一个MMS。——指数增长

• 拥塞避免：当慢开始到门限值（ssthresh）后，使用拥塞避免算法（cwnd每次加1）。当发现网络拥塞后，将cwnd置为1，ssthresh减半，再次执行慢开始。

快重传和快恢复

快重传：当接收方收到一个失序报文段后就立即发送重复确认而不要等到自己发送数据时捎带确认。当发送方连续收到三个重复确认时，应立即重传接收方尚未收到的报文段。

快恢复：与快重传结合使用。

在连续收到三个重复确认时，将慢开始的ssthresh减半，这是为了防止网络拥塞（ * 接下来并不执行慢开始 * ）。

由于发送方现在认为 网络很可能没有拥塞，于是接下来不执行慢开始，而是将cwnd值设置为ssthresh减半后的值，然后执行拥塞避免。