1. 运输层概述
- 网络层、数据链路层、物理层解决了网络中主机和主机之间的通信;
- 运输层解决网络中不同主机上的进程之间的通信,这种服务是端到端的;
- 进程通过唯一的端口号进行标识;
- 根据应用需求不同,运输层主要向应用层提供两种不同的运输协议:1)面向连接的TCP;2)无连接的UDP;
2. 端口号
- 网络中不同主机使用的操作系统可能不一致,因此在这些主机上的进程会使用不同格式的pid进行标识;
- 为了使得不同主机上进程之间的相互通信,运输层使用端口号标识进程;
- 端口号取值范围为 [0,65535],占用两个字节大小,可分为以下三类:
1)熟知端口号:[0,1023],IANA(Internet号码分配机构)将此范围内端口号分配给一些重要的应用协议,比如HTTP使用80、DNS使用53、FTP使用21/20;
2)登记端口号:[1024,49151],为一些不熟知的应用程序使用,这类端口号必须在IANA按照规定登记,放置端口号重复;
3)短暂端口号:[49152,65535],供用户进程短暂使用,通信结束后,端口号释放;
3. 运输层复用和分用
复用
- 发送方上不同进程向运输层发送应用报文,运输层根据应用需求选择不同的协议;
- 网络层IP协议将运输层发送的数据(报文段或用户数据报)放入数据载荷,使用协议字段表示传输层数据使用何种协议:TCP使用6标识,UDP使用17标识;
分用
- 发送方发送的IP数据报到达接收方以后,接收方开始对数据报进行分析;
- 网络层IP协议通过协议字段解析出数据载荷中的数据使用了何种运输层协议,然后将数据解析为对应类型数据(报文段或用户数据报);
- 运输层将对应数据通过不同的端口将数据传送给不同的应用进程;
4. 应用层常见协议使用的运输层熟知端口号
5. TCP协议对比UDP协议
TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议 | UDP(User Datagram Protocol) 用户数据报协议 |
---|---|
面向连接:1)三次握手建立连接;2)四次挥手释放连接; | 无连接 |
仅支持单播,即一对一通信 | 支持单播、多播、广播,即支持一对一、一对多、一对全通信 |
面向字节流 | 面向应用报文 |
向上层提供面向连接可靠传输,使用流量控制、拥塞控制机以及确认应答机制、超时重传机制、累计确认机制、捎带应答机制 | 向上层提供无连接不可靠传输,尽最大努力交付 |
报文段首部最小长度20字节,最大60字节 | 数据报首部仅占据8字节 |
6. TCP的流量控制
- 目的:控制发送方的发送速率,使接收方来得及接收数据;
- 解决方案:使用滑动窗口机制可实现流量控制(TCP连接接收方通过自己的接收窗口大小限制发送方的发送窗口大小);
1)TCP连接双方均有缓存,即发送缓存和接收缓存。建立TCP连接时,接收方告诉发送方自己的接收窗口大小,发送方随即将发送窗口设置为对应大小;
2)发送方只能发送滑动窗口内部的数据,滑动窗口内数据发送后收到接收方的累计确认后,移动窗口,调整窗口大小,将已发送的数据从缓存中删除;
3)如果发送方收到接收方的零窗口通知,则开启持续计时器,计时器超时时发送方发送零窗口探测报文(仅携带一字节数据),接收方对该报文进行确认,告知自己当前的接收窗口大小:
(1)如果接收窗口大小仍然为0,则重启计时器,重复操作;
(2)如果接收窗口大小不为0,则打破TCP连接双方的死锁局面,发送方调整发送窗口,继续进行发送;
7. TCP的拥塞控制
- 网络拥塞:对网络资源的需求量超过当前所能提供的可用量,网络性能下降,此时称为网络拥塞;
- 网络拥塞会导致网络吞吐量随输入负荷的增大而下降;
理想情况下,网络吞吐量未达到饱和之前,输入负荷与吞吐量相等;
- TCP的4种拥塞控制算法:慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复;
7.1 慢开始算法、拥塞避免算法
- 慢开始算法:在开始阶段向网络输入的报文段数量较少,逐渐增大;
- 拥塞避免:降低拥塞窗口的扩大速率,改为线性增长(每次加1),使网络发生拥塞的可能性降低;
- 发送方判断网络是否发生拥塞的标准:发生超时重传(即发送方发送的部分报文段未按时收到确认报文);
- 拥塞窗口的维护原则:未发生拥塞则扩大,发生拥塞就缩小;
- 拥塞窗口的大小是动态变化的,取决于网络拥塞程度;
- 发送方发送窗口swnd=拥塞窗口cwnd;
- 拥塞控制流程:
1)一开始先执行慢开始算法(维护慢开始阈值ssthresh),初始化cwnd=1,以指数形式扩大cwnd;
2)当cwnd<ssthresh时一直进行慢开始算法,直到cwnd=ssthresh时,转为执行拥塞避免算法,以线性规律扩大cwnd;
3)在执行上述算法过程中,如果发生网络拥塞,则进行如下工作:
(1)将慢开始阈值ssthresh变为当前拥塞窗口大小的一半,即ssthresh=cwnd/2;
(2)令拥塞窗口大小为cwnd=1,重新开始执行慢开始算法;
7.2 快重传算法
- 发送方通过是否发生超时重传判断是否发生网络拥塞,此方式进行判断存在一个问题:有时报文段丢失发生超时重传时,网络并未发生拥塞,如果此时重启慢开始算法则会降低网络性能;
- 快重传算法就是通过提前重传丢失的报文段,而避免发生不必要的超时重传,以此避免错误的慢开始算法;
- 快重传算法流程:尽早告知发送方存在报文段丢失的情况,尽快重传
1)发送方按序发送拥塞窗口内的报文段,如果接收方发现收到了失序的报文段,说明发生了报文段丢失;
2)接收方收到失序报文段后立马向发送方发送重复确认报文;
3)发送方一旦收到3个连续的重复确认报文,就立即重传对应报文段;
7.3 快恢复算法
- 发送方收到3个重复确认时,可知有部分报文段丢失,所以立即重传对应报文。与此同时,执行快恢复算法;
- 快恢复算法执行流程:
(1)将慢开始阈值ssthresh变为当前拥塞窗口大小的一半,即ssthresh=cwnd/2;
(2)令拥塞窗口大小为cwnd=ssthresh(或者cwnd=ssthresh+3),开始执行拥塞避免算法;
8. TCP超时重传时间的选择
TCP超时重传时间(RTO)的选择是一个比较复杂的问题,已知报文段实际往返时间(RTT):
1)如果RTO的选择小于RTT,则会发生不必要的重传,增大网络负荷;
2)如果RTO的选择远大于RTT,则会使网络空闲时间增大,降低网络传输效率;
有上述分析,可知RTO的选择是比较复杂的,通常RTO要略大于RTT。
8.1 超时重传时间计算
- RTT不是一个固定值,因此简单测量的RTT不能直接用于计算超时重传时间;
- 标准建议通过下列方式计算RTO:
- 在通信过程中,如果发生超时重传现象,则每发生一次便将RTO增大一些,典型做法是将RTO设置为RTO旧的2倍;
9. TCP可靠传输的实现-滑动窗口
- TCP使用滑动窗口机制实现可靠传输;
9.1 注意事项
-
TCP规定接受方只能对按序到达的最高序号进行确认;
10. TCP连接的建立与释放
- 需要明确TCP连接双方有各自的角色:1)客户端:主动请求建立连接的一方;2)服务器:被动同意建立连接的一方;
- 通信双方建立TCP连接的目的是互相确认对方的发送能力和接收能力正常,可以进行可靠传输;
10.1 三次握手建立连接
- 连接建立工作流程(客户端、服务器一开始均处于CLOSED关闭状态),下列步骤中2~4步即为“三次握手”过程:
- 1)服务器进程创建传输控制块TCB(包括TCP连接表、指向发送和接收缓存的指针、当前发送和接收的序号等信息),进入LISTEN监听状态,等待客户端发送TCP连接请求;
- 2)客户端进程创建传输控制块TCB,发送TCP连接请求(报文段头部SYN=1,序列号seq赋随机值x),进入SYN-SENT同步已发送状态;
- 3)服务器接收2)发送的报文段,同意建立TCP连接,发送对应确认报文段(报文段头部SYN=1,ACK=1,序列号seq赋随机值y,确认号ack=x+1),服务器进入SYN-RCVD同步已接收状态;
- 4)客户端收到服务器对其TCP请求报文的确认报文段,发送对该确认报文段的确认报文段(报文段头部ACK=1,序列号seq=x+1,确认号ack=y+1),发送端进入ESTABLISHED连接已建立状态;
- 5)服务器收到3)中确认报文段后进入ESTABLISHED连接已建立状态,至此双方成功建立TCP连接,可进行可靠的数据传输了!!
- 注意:1)TCP规定SYN=1的报文段不能携带数据,但会消耗一个序号;2)TCP规定普通确认报文段如果不携带数据,则不会消耗序号!!
-
两次握手建立连接会导致,客户端失效的TCP连接请求报文段到达服务器,使得服务器误进入连接已建立状态,造成资源的浪费!!
- 四次握手是将三次握手过程的第二个步骤拆分为两步进行,即:1)服务器发送对TCP连接请求报文段的确认(ACK=1,ack=x+1);2)服务器发送TCP连接请求报文段(SYN=1,seq=y)。这两步完全可以合并,一起发送,所以三次握手刚好满足连接建立的要求!!!
10.2 四次挥手释放连接
- TCP连接具有半关闭特性,A->B的连接释放了,但B仍可以向A发送数据,而TCP连接的释放指连接双方均释放连接;
- 连接释放工作流程(客户端、服务器一开始均处于ESTABLISHED连接已建立状态),下列步骤中2~4步即为“四次挥手”过程:
1)客户端主动发送TCP连接释放请求报文(FIN=1,ACK=1,seq=u,ack=v),进入FIN-WAIT1中止等待1状态;
2)服务器收到连接释放请求后,发送普通确认报文(ACK=1,seq=v,ack=u+1),并通知应用进程客户端想释放连接,进入CLOSE-WAIT关闭等待状态。客户端收到确认报文进入FIN-WAIT2中止等待2状态。此时,客户端->服务器的单向连接已关闭,TCP连接处于半关闭状态,服务器仍可以给客户端发送数据。此后,服务器向客户端发送连接释放请求报文(FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1),进入LAST-ACK最后确认状态。
3)客户端收到服务器发来的释放请求报文后,发送普通确认报文(ACK=1,seq=u+1,ack=w+1),进入TIME-WAIT时间等待状态。
4)服务器收到确认报文后,进入CLOSED关闭状态。与此同时,客户端经历2MSL后进入CLOSED关闭状态。至此,TCP连接完整释放!!
- TIME-WAIT状态等待2MSL(最大报文段存活时间)的作用:
- 1)确保服务器可以收到TCP连接释放请求的确认报文,避免持续重发释放请求报文,服务器一直处于LAST-ACK最后确认状态而无法关闭连接,浪费资源;
- 2)客户端TCP进程在时间等待状态持续2MSL可使网络中关于该TCP连接的所有报文段消失,避免影响后续新的TCP连接。
- 保活计时器的作用:
- 存在的问题:客户端发生故障,服务器无法及时得知,一直处于等待状态,浪费计算机资源。
- 解决方案:保活计时器;
- 工作原理:1)服务器每收到客户端的一次数据,就重启保活计时器(2小时定时);2)如果保活计时器超时,则说明固定时间内客户端未发送数据。此时,服务器向客户端发送探测报文,此后每75秒发送一次,如果连续10次探测报文均为收到客户端的确认报文,则认为客户端出现故障,服务器关闭此TCP连接。
- 三次挥手不能实现TCP连接释放,因为:TCP连接具有半关闭特性,两次挥手释放客户端->服务器的连接之后,服务器仍可以向客户端发送数据,如果第三次挥手和第二次挥手合并,则无法实现半关闭状态下服务器->客户端的单向数据传输了。因此两次挥手只能释放单向连接,要想释放双向连接则需要四次挥手。
10.3 TCP连接状态转移图
- TCP连接的建立与释放过程中,双方状态转移图:
粗实线表示客户端,粗虚线表示服务端
11. TCP报文段首部格式
- TCP报文段采用面向字节流的方式,以实现可靠传输;
- TCP报文段由首部和数据载荷两部分构成;
- 发送缓存中的部分或全部字节作为TCP报文段数据载荷,添加首部信息后即可作为报文段进行传输;
- 首部大小最小20字节(固定大小),最大60字节;
11.1 首部中字段解析
文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-566900.html
字段名 | 作用 |
---|---|
源端口 | 占据16位,标识客户端TCP应用进程 |
目的端口 | 占据16位,标识客户端TCP应用进程 |
数据偏移 | 占据4位,以4字节为单位,表示首部大小,最小为5,最大为15 |
保留 | 保留字段,用于后序功能扩展,占据6位,暂设置为0 |
窗口 | 占据16位,以字节为单位。表示该主机作为接收方时对应的接收窗口大小,窗口值结合发送方的拥塞窗口大小共同决定发送方发送窗口的大小 |
校验和 | 占据16位,发送端填充,使接收方检查报文段的首部和数据是否有差错 |
SYN标志位 | 占据1位,用于标识TCP连接请求报文 |
FIN标志位 | 占据1位,用于标识TCP连接释放请求报文 |
ACK标志位 | 占据1位,标识该报文段为确认报文段,TCP规定连接建立后所有报文段必须设置ACK=1 |
序号seq | 占据32位,表示该报文段第一个字节序号 |
确认号ack | 占据32位,当ACK=1时有效,表示对接收到的报文段序号进行确认,同时期望后续接收的报文段的第一个字节的序号 |
PSH标志位 | 占据1位,表示推送操作,该报文段应尽快交付 |
RST标志位 | 占据1位,表示连接复位操作,说明TCP连接存在异常,需要重新建立连接 |
URG标志位 | 占据1位,表示紧急操作 |
紧急指针 | 占据16位,标记紧急数据的大小,仅当URG=1有效 |
选项 | 扩充TCP功能,目前有如下选项: |
填充 | 用于填充首部,保证首部大小是4字节的整数倍,因为数据偏移以4字节为单位 |
参考:《计算机网络微课堂》文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-566900.html
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