计算机网络传输层

基本理论和基本机制

端到端的连接

传输层vs网络层

网络层：提供主机之间的逻辑通信
传输层：提供应用进程之间的逻辑通信
位于网络层之上、依赖网络层服务、对网络层服务进行可能的增强

1.多路复用和多路分用：

接收端：多路分用
相同目的地址目的端口号的UDP会被导向同一个socket
每个srcIp srcPort DestIp DestPort 导向自己独有的socket(创建多个socket)
(服务器也可以让一个进程创建多个线程与tcp连接绑定)
发送端：多路复用

2.可靠数据传输机制

什么是可靠？不错、不乱、不丢

可靠数据传输协议

• 可靠数据传输对应用层、传输层、链路层都很重要
• 网络Top-10问题

• 信道的不可靠性决定了可靠数据传输协议（RDT）的复杂性

  
  可靠数据传输协议
• 只考虑单向数据传输(但是控制信息双向流动)
• 利用状态机（Finite State Machine,FSM）刻画传输协议

滑动窗口协议

• 窗口 ：允许使用的序列号范围
  窗口尺寸为N：最多有N个等待确认的消息
• 滑动窗口 :随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前滑动
• 滑动窗口协议：GBN,SR

GBN
1.发送方 分组头部包含k-bit序列号
窗口尺寸为N，最多允许N个分组未确认

滑动窗口协议
ACK（n）:确认到序列号n包含n的分组均以被正确接收（可能收到重复ACK）
为空中的分组设计计时器
超时时间:重传序列号大于等于n，还未收到ACK的所有分组

3.流量控制机制

4.拥塞控制机制

Internet的传输层协议：（TCP/UDP均不保障延迟/带宽）

TCP（可靠的、按序交付服务）：

TCP报文段结构

序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。而不是报文段的编号（这里防止被攻击混入其他的段难以检测的问题）。
建立TCP连接时，双方随即选择序列号

ACKs表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。
累计确认：该序列号之前所有的字节均已被正确接收到（GBN）

简单telnet

TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务
流水线机制
累积确认
TCP使用单一重传定时器
触发重传的事件
超时
收到重复ACK
渐进式
暂不考虑重复ACK
暂不考虑流量控制
暂不考虑拥塞控制

1.点对点 一个sender 一个 reciever

2.可靠的、按序的字节流

3.流水线机制

TCP拥塞控制

拥塞原因

• 拥塞 ：非正式定义：“太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快
  ，以至于网络无法处理”。（导致大量的资源浪费）
  表现：
  分组丢失（路由器缓存溢出）
  分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

拥塞控制方法（为什么选在传输层做拥塞控制）

• 端到端拥塞控制
  网络层不需要显式的提供支持
  端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞（TCP采取这种方法）
• 网络辅助的拥塞控制
  路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息
  简单的拥塞指示(1bit)：SNA,DECbit, TCP/IP ECN, ATM)
  指示发送方应该采取何种速率

案例：

image.png

TCP拥塞控制原理

• Sender限制发送速率
  LastByteSent-LastByteAcked<= CongWin
  rate ≈ CongWin*RTT Bytes/sec
• CongWin:
  动态调整以改变发送速率
  反映所感知到的网络拥塞
• 如何感知网络拥塞
  Loss事件=timeout或3个重复ACK
  发生loss事件后，发送方降低速率
• 如何合理地调整发送速率
  加性增—乘性减: AIMD
  原理：逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，直到发生loss
  Additive Increase: 每个RTT将CongWin增大一个MSS（最大段长度）——拥塞避免
  Multiplicative Decrease: 发生loss后将CongWin减半
  慢启动: SS
  原理：当连接开始时，指数性增长
  TCP连接建立时，CongWin=1
  例：MSS=500 byte,RTT=200msec，初始速率=20k bps，可用带宽可能远远高于初始
  速率：希望快速增长
  指数性增长：初始速率很慢，但是快速攀升
  每个RTT将CongWin翻倍
  收到每个ACK进行操作
  SS慢启动

何时应该指数性增长切换为线性增长(拥塞避免)?
当CongWin达到Loss事件前值的1/2时.
实现方法:利用一个变量 Threshold， Loss事件发生时, Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2。

Loss事件处理办法
3个重复ACKs:CongWin切到一半然后线性增长
Timeout事件:CongWin直接设为1个MSS，然后指数增长，达到threshold后, 再线性增长（拥塞更严重了）

TCP拥塞控制算法

Th = ?
CongWin = 1 MSS
/* slow start or exponential increase */
While (No Packet Loss and CongWin < Th) {
send CongWin TCP segments
for each ACK increase CongWin by 1
}
/* congestion avoidance or linear increase */
While (No Packet Loss) {
send CongWin TCP segments
for CongWin ACKs, increase CongWin by 1
}
Th = CongWin/2
If (3 Dup ACKs) CongWin = Th;
If (timeout) Cong

4.接收方/发送方缓存

5.全双工：同一连接中能传输双数据流

6.面向连接(连接管理)

通信双发在发送数据之前必须建立连接
连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点并不维护状态

TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等
客户端初始化的序列号是随机的

三次握手 三次握手 四次握手关闭连接

7.流量控制机制：发送方不会传输的太多、太快以至于淹没接收方（buffer溢出）

image.png
接收方为TCP连接分配buffer
上层应用可能处理buffer中数据的速度较慢
速度匹配机制
Receiver通过在Segment的头部字段将RcvWindow 告诉Sender
Sender限制自己已经发送的但还未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸
Receiver告知SenderRcvWindow=0时，即使=0发送方也可以发送一个很小的段，防止接收不到接下来的RecvWindow

8.复用/分用

UDP（不可靠的交付任务）：

1.基于“尽力而为”的网络层，没有做（可靠性）
丢失
非按序到达

2.基于Internet IP协议
复用/分用
简单的错误校验

3.无连接
UDP发送方和接收方之间不需要握手
每个UDP段的处理独立于其他段

UPD优点：
1.无需建立连接（减少延迟）-DNS
2.实现简单，无需维护连接状态
3.头部开销小（8byte）
4.没有拥塞控制：应用可更好的控制发送时间和速率

常用于流媒体应用
1.容忍丢失
2.速率敏感

DNS/SNMP

在UDP上实现可靠数据传输

• 在应用层增加可靠性机制

• 应用特定的错误恢复机制

  
  UDP报文段格式

UDP校验和：检测UDP段在传输过程中是否发生错误