运输层概述

计算机网络体系结构中的物理层，数据链路层以及网络层它们共同解决了将主机通过异构网络互联起来所面临的问题，实现了**主机到主机（端系统到端系统）**的通信。

但实际上在计算机网络中进行通信的真正实体是位于通信两端主机中的进程

如何为运行在不同主机上的应用进程提供直接的通信服务是运输层的任务，运输层协议又称为端到端协议

运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑，所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的好像是在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道

根据应用需求的不同，因特网的运输层为应用进程提供了两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。

运输层端口号，复用，分用的概念

为什么出现端口号这个定义？

运行在计算机上的进程使用进程标识符PID来标志，但是因特网上的计算机并不是使用统一的操作系统，不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符，为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程之间能够进行网络通信，就必须使用统一的方法对TCP/IP体系的应用进程进行标识。TCP/IP体系的运输层使用端口号来区分应用层的不同应用进程。

端口号使用16比特表示，取值范围0~65535；

熟知端口号：0~1023，IANA把这些端口号指派给了TCP/IP体系中最重要的一些应用协议，例如：FTP使用21/20，HTTP使用80，DNS使用53

登记端口号：1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用。使用这类端口号必须在IANA按照规定的手续登记，以防止重复。例如：Microsoft RDP微软远程桌面使用的端口是3389

短暂端口号：49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。

端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标识本计算机应用层中的各进程，在因特网中，不同计算机中的相同端口号是没有联系的

UDP和TCP的对比

用户数据报协议UDP：
1.无连接
2.支持单播，多播，广播，即一对一，一对多，多对多交互通信。
3.对应用层交付的报文直接打包
4.尽最大努力交付也就是不可靠；不使用流量控制和拥塞控制
5.首部开销小，仅8字节

传输控制协议TCP：
1.面向连接
2.每一条TCP连接只能有两个端点，只能是一对一通信。只支持单播
3.面向字节流
4.可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
5.首部最小20字节，最大60字节。

TCP的流量控制

一般来说，我们总是希望数据传输地更快一些。
但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。

所谓流量控制（flow control）就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收

利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制
TCP接收方利用自己的接收窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小
TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器。持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文

TCP的拥塞控制

在某段时间内，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞
在计算机网络中的链路容量（即带宽），交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。

若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

TCP四种拥塞控制算法的基本原理

发送方维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化
拥塞窗口cwnd的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些。
判断出现网络拥塞的依据：没有按时收到应当到达的确认报文（即发生超时重传）

发送方将拥塞窗口作为发送窗口swnd，即swnd = cwnd

维护一个慢开始门限ssthresh状态变量
当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法
当cwnd > ssthresh时, 停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法
当cwnd = ssthresh时，即可使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法。

发送的报文段部分丢失，重传计时器超时，判断网络很可能出现了拥塞，进行以下工作：
将ssthresh值更新为发生拥塞时cwnd值的一半。
将cwnd值减少为1，并重新开始执行慢开始算法。

慢开始

“慢开始”是指一开始向网络注入的报文段少，并不是指拥塞窗口cwnd增长速度慢；

拥塞避免

“拥塞避免”并非指完全能够避免拥塞，而是指在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

为了改进TCP的性能，增加了两个新的拥塞控制算法：快重传和快恢复。
有时，个别报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞。
这将导致发送方超时重传，并误认为网络发生了拥塞；
发送方把拥塞窗口cwnd又设置为最小值1，并错误地启动慢开始算法，因而降低了传输效率。

快重传

利用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。

所谓快重传，就是使发送方尽快进行重传，而不是等超时重传计时器超时再重传。
要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认。
即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。
发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的超时重传计时器超时再重传。
对于个别丢失的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误认为出现了拥塞（进而降低拥塞窗口cwnd为1）.使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

快恢复

发送方一旦收到3个重复确认，就知道现在只是丢失了个别的报文段，于是不启动慢开始算法，而执行快恢复算法；
发送方将慢开始门限ssthresh值和拥塞窗口cwnd值调整为当前窗口的一半；开始执行拥塞避免算法。
也有的快恢复实现是把快恢复开始时的拥塞窗口cwnd值再增大一些，即等于新的ssthresh + 3.理由如下：
既然发送方收到3个重复的确认，就表明有3个数据报文段已经离开了网络。
这3个报文段不再消耗网络资源而是停留在接收方的接收缓存中
可见现在网络中不是堆积了报文段而是减少了3个报文段。因此可以适当把拥塞窗口扩大些。

TCP超时重传时间的选择

TCP可靠传输的实现

TCP基于以字节为单位的滑动窗口来实现可靠传输
发送方在未收到接收方的确认时，可将发送窗口内还未发送的数据全部发送出去
接收方只接收序号落入发送窗口内的数据

虽然发送方的发送窗口是根据接收方的接收窗口设置的，但在同一时刻，发送方的发送窗口并不总是和接收方的接收窗口一样大
网络传送窗口值需要经历一定的时间滞后，并且这个时间还是不确定的
发送方还可能根据网络当前的拥塞情况适当减小自己的发送窗口尺寸

对于不按序到达的数据应如何处理，TCP并无明确规定
如果接收方把不按序到达的数据一律丢弃，那么接收窗口的管理将会比较简单，但这样做对网络资源的利用不利，因为发送方会重复传送较多的数据
TCP通常对不按序到达的数据是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程

TCP要求接收方必须有累积确认和捎带确认机制，这样可以减少传输开销。接收方可以在合适的时候发送确认，也可以在自己有数据要发送时把确认信息顺便捎带上
接收方不应过分推迟发送确认，否则会导致发送方不必要的超时重传，这反而浪费了网络的资源
TCP标准规定，确认推迟的时间不应超过0.5s，若收到一连串具有最大长度的报文段，则必须每隔一个报文段就发送一个确认（RFC 1122）
捎带确认实际上并不经常发生，因为大多数应用程序很少同时在两个方向上发送数据

TCP的通信是全双工通信，通信中的每一方都在发送和接收报文段，因此，每一方都有自己的发送窗口和接收窗口。在谈到这些窗口时，一定要弄清楚是哪一方的窗口。

TCP的运输连接管理

TCP是面向连接的协议，它基于运输连接来传送TCP报文段

TCP运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程

TCP运输连接有以下三个阶段:
1.建立TCP连接
2.数据传送
3.释放TCP连接

TCP的运输连接管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行

TCP的连接建立

TCP的连接建立要解决以下三个问题：
1.使TCP双方能够确知对方的存在
2.使TCP双方能够协商一些参数（如最大窗口值，是否使用窗口扩大选项和时间戳选项以及服务质量等）
3.使TCP双方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

发送针对TCP连接请求的确认的确认是否多余？
不多余！这是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了TCP服务器，因而导致错误。

注意：
1.TCP的标准规定，SYN=1的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号

2.TCP的标准规定，普通的确认报文段如果不携带数据，则不消耗序号。

TCP的连接释放

最后

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