传输层

计算机网络

用户数据报协议 UDP

• UDP 是无连接的。
• UDP 尽最大努力交付。
• UDP 对交付下来的报文既不拆分也不合并。
• UDP 没有拥塞控制。
• UDP 支持一对一、一对多和多对多的交互通信。
• UDP 的首部开销小。

• 长度：UDP 用户数据报的长度，其最小值是 8。
• 检验和：检测 UDP 用户数据报在传输中是否有差错，UDP 的检验和是把首部和数据部分一起检验。UDP 用户数据报首部中的计算方法有些特殊，在计算检验和时需要加上 12 个字节的伪首部，检验之后再丢弃。

传输控制协议 TCP

特点

• TCP 在使用之前必须先建立 TCP 连接。
• TCP 是点对点的。
• TCP 提供全双工通信。
• TCP 面向字节流。

• 序号：TCP 连接中传送的每一个字节都按顺序编号，序号表示本报文段所发送的数据的第一个字节的编号。
• 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
• 数据偏移：指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处的偏移量。
• 保留：保留为今后使用，目前置为 0。
• 紧急 URG：当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效，这个报文将不再按原来的排队顺序传输，而是尽快传输。
• 确认 ACK：在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置为 1。
• 推送 PSH：当 PSH = 1 时，立即创建一个报文段，而不用等到报文段填满再传输。
• 复位 RST：当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重错误，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
• 同步 SYN：当 SYN = 1 而 ACK = 0 时，表明这生死一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则在响应的报文段中使 SYN = 1 和 ACK = 1.
• 窗口：窗口值告诉对方对方允许发送的数据量，作为发送方设置发送窗口的依据。
• 校验和：在计算校验和时，需要在前面加上 12 字节的伪首部。
• 紧急指针：它指出紧急数据的末尾在报文段中的位置。
• 选项：长度可变。

可靠传输

停止等待协议

每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认，收到确认后再发送下一个分组。
接收方检测到分组出现了差错直接丢弃分组，什么都不做。
发送方对每一个发送的分组设置了超时计时器，超过时间没有收到确认就重传。
接收方收到重复的分组也要发送确认。
为了提高传输效率，可以采用流水线传输的方式，发送方可以连续发送多个分组。

连续 ARQ 协议

发送方需要维持一个发送窗口，发送方每接收到一个确认就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。
接收方采用累计确认的方式，仅对按序到达的最后一个分组发送确认。
接收方可以在发送数据的时候将确认信息捎带上。

超时重传时间的选择

TCP 采用自适应算法，每一个报文段都会测量报文段的往返时间 RTT。当第一次测量时就将 RTT_S 值设为这个 RTT 样本值，之后每一次测量到新的 RTT 样本都按照下式重新计算 RTT_S。

$新的 RTT_S = (1 - α) * (旧的 RTT_S) + α * (新的 RTT 样本)$

标准建议 α 值为 0.125
超时重传的算法为

$新的 RTT_D = (1 - β) * (旧的 RTT_D) + β * |RTT_S - 新的 RTT 样本|$

当发生重传时难以确定收到的确认是重传前还是重传后的确认，因此对于重传的确认不使用以上算法，而是取新的重传时间为旧的重传时间的 2 倍。

选择确认 SACK

当接收方收到不连续的数据块时可以仅对其中部分数据块发送确认，在确认中指出接收到的数据块的左右边界，左边界为第一个字节的序号，右边界为最后一个字节的序号减 1。

TCP 的流量控制

接收方在窗口字段可以对发送方的发送窗口大小进行限制。为了避免死锁，TCP 为每一个连接设有一个持续计时器，只要一方收到了零窗口通知，就启动持续计时器，当时间到期时就发送一个零窗口探测报文段，对方在发回的确认中给出现在的窗口值。

TCP 的拥塞控制

发送方维持一个叫拥塞窗口 cwnd 的状态变量，发送方的发送窗口不能够大于拥塞窗口。为了防止拥塞窗口变得过大，还需要设置一个慢开始门限 ssthresh。

• 慢开始

  一开始设置 cwnd = 1，发送方每收到一个对新报文的确认就将 cwnd 增大 1，因此每经过一个传输轮次，拥塞窗口就会加倍。
  当出现超时重传时，设置 ssthresh = cwnd/2，cwnd = 1 并且开始执行慢开始。

• 拥塞避免

  当 cwnd 超过 ssthresh 就改为使用拥塞避免，拥塞避免中拥塞窗口按照线性规律增大。

• 快重传

  接收方在接收到报文时要立即发送确认，即使收到了失序的报文段也要对已收到的报文段发送重复确认。
  当发送方一连收到 3 个重复确认时就能够确定报文段丢失，然后立即重传。

• 快恢复

  快重传表明只是个别报文段丢失，而不是发生了拥塞，因此快重传之后执行快恢复。
  设置 ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh，并开始执行拥塞避免。

主动队列管理 AQM

旧的 AQM 为随机早期检测 RED，路由器需要维持两个参数，最小门限和最大门限。目前还没有标准的方法能够替代 AQM。

• 若平均队列长度小于最小门限，则把新的分组放入队列。
• 若平均队列长度大于最大门限，则把新的分组丢弃。
• 若平均队列长度在最小门限和最大门限之间，则按照一个丢弃概率 p 把新到达的分组丢弃。

TCP 的运输连接管理

TCP 建立连接需要经过三次握手。

• 客户端向服务器端发出连接请求报文段，然后进入 SYN-SENT（同步已发送）状态。连接请求报文段不能携带数据，但是需要消耗一个序号。
• 服务器端接收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则发送确认报文段，然后进入 SYN-RCVD（同步已收到）状态。这个报文段不能携带数据，但是需要消耗一个序号。
• 客户端收到服务器端的确认后还要向服务器端给出 ACK 报文段，然后进入 ESTABLISHED 状态。ACK 报文段可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号。
• 服务器端收到确认后也进入 ESTABLISHED 状态。
  

TCP 释放连接需要经过四次分手

• 客户端先发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接，然后进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态。FIN 报文段即使不携带数据，也需要消耗一个序号。
• 服务器端收到连接释放报文段后发出确认，然后进入 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
• 客户端收到确认后进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态。这时 TCP 连接处于半关闭状态，客户端已经没有数据需要发送了，服务器端发送的数据客户端仍然需要接收。
• 若服务器端已经没有需要发送数据，就发出连接释放报文段，然后进入 LAST-ACK（最后确认状态）。
• 客户端收到连接释放报文段后，必须对此发出确认。然后等待两倍 MSL（最长报文段寿命）再进入 CLOSED 状态，在此时间中可能收到来自服务器端的超时重传。
• 服务器端收到 ACK 报文段即进入 CLOSED 状态。
  
  TCP 还设有一个保活计时器，服务器如果两小时没有收到客户的数据就发送一个探测报文段，之后每隔 75 秒发送一个探测报文段，如果一连发送 10 个探测报文段都没有收到响应，就关闭这个连接。