计算机网络——传输层

第五章_传输层

5.1 传输层提供的服务

传输层提供的服务如下图所示:

特别的,针对传输层协议、端口和进程 ,需做如下图所示的简单说明:

5.2 UDP 协议

5.2.1 UDP 与 TCP 的特点对比

UDP:

  1. UDP 首部很小,只占 8B
  2. UDP 每次传输一个完整的报文,不支持报文自动拆分、重装,如果应用层交给 UDP 的数据超过了 UDP 数据报允许的最大大小,一般会出现 发送失败或需要应用层自己拆分。
  3. UDP 是无连接的、不可靠的(可靠性可以交给应用层处理),也不支持拥塞控制
  4. UDP 支持一对一(封装成单播 IP 数据报)、一对多传输(封装成广播 / 多播 IP 数据报)
  5. UDP 接收方检验出错会直接丢弃数据报,不通知发送方。

TCP:

  1. TCP 首部更大,占 20~60B
  2. TCP 支持报文自动拆分、重装,因此可以传输长报文
  3. TCP 是有连接的、可靠的、支持拥塞控制
  4. TCP 仅支持一对一传输(因为通信双方的传输层必须先建立连接)
  5. TCP 接收方检验出错会丢弃数据报之后通知发送方重传。

因此,UDP 无法传输大数据,常用于一次性传输少量数据的应用(如 DHCP、DNS)等,提醒一下,在网络层 IP 数据报在超过 MTU 时候还会分片,不只是 TCP 会拆分数据。

5.2.2 UDP 数据报

UDP 数据报格式如下图所示:

5.2.3 UDP 检验

发送方 进行 UDP 检验和的计算前,需添加一个伪首部 ,计算完成后再去掉。如图所示:

接着发送方 先将检验和字段置为全 0 ,然后将 伪首部 + 首部 + 数据部分 视为一连串 16 位字。若 UDP 数据部分的长度为奇数个字节,则在计算时末尾补全一个 0B。计算过程如图所示:

注意,接收方 将伪首部添上,然后将伪首部 + 首部 + 数据部分 视为一连串 16 位字(有需要补 0B),直接进行二进制加法(记得回卷)即可。UDP 检验出错,直接丢弃数据报,不通知发送方!!

不用再先将首部校验和设为全 0 计算出结果再和首部校验和相加,这样多此一举

以一个真题为例进行练习:

5.3 TCP 协议

5.3.1 TCP 协议的框架梳理

TCP 协议分为"三大阶段 ",如图所示:

对于其中一些模糊的概念,我们先要进行明晰:

  1. TCP 报文和 TCP 报文段(TCP 段),指的是一个东西,因为 TCP 协议支持报文拆分重装,因此应用层的报文较长也是可以的。
  2. 一次链接可以传输多个报文(初学者易混,但我不是初学者,嘿嘿),如图所示:

5.3.2 TCP 报文段格式

我们需要理解并记住各个 TCP 报文段各个字段的作用,接下来我将从上到下,挨个探讨各个字段:

  1. ACK、ack 和 序号

    注意:只有握手 1 报文段的 ACK 都必须置为 0,其余必须全置为 1。

  2. 数据偏移、保留 和 填充:

  3. URG、PSH、RST 和 紧急数据:

  4. SYN 和 FIN:

  5. 接收窗口:

  6. 检验和:

  7. 选项:

5.3.3 TCP 连接管理(建立连接)

TCP 建立连接阶段通常会有三个考点

  1. SYN、ACK、FIN、seq、ack_seq 的值是多少?
  2. 每发出/收到一个握手/挥手报文段之后,进程的 TCP 状态转换。
  3. 建立连接、断开连接的最短耗时分析。

SYN、ACK、FIN、seq、ack_seq 的值:

以一个真题来熟悉:

TCP 状态转换:

建立连接、断开连接的最短耗时分析:

5.3.4 TCP 连接管理(释放连接)

TCP 释放连接阶段和建立连接阶段具有同样的三个考点

  1. SYN、ACK、FIN、seq、ack_seq 的值是多少?
  2. 每发出/收到一个握手/挥手报文段之后,进程的 TCP 状态转换。
  3. 建立连接、断开连接的最短耗时分析。

SYN、ACK、FIN、seq、ack_seq 的值:

TCP 状态转换:

以一个真题来熟悉:

建立连接、断开连接的最短耗时分析:

以一个真题来熟悉:

5.3.5 TCP 可靠传输和流量控制

可靠传输:

关于可靠传输,详细要点如下:

由于可靠传输需要动态 的过程进行演示,所以首先给出原理示意图,后续的过程都可以在这张图上进行演示,如图所示:

关于这张原理示意图,值得注意的是同一端口是可以绑定多个 TCP 连接的,如图所示:

对于可靠传输要点挨个举例如下,可在上方的原理示意图中自行进行动态演示:
累计确认和捎带确认

超时重传机制:

快重传机制:

采用延迟确认机制和超时重传机制可能会出现如下图所示的问题,由此引出快重传(立即确认)机制。

以一个真题来熟悉快重传机制:

现实中,这些可靠传输机制一般以下三者共存:

立即确认是现代TCP的默认行为(收到失序包时)

快重传是现代TCP的默认行为(收到3个重复ACK时)

超时重传是现代TCP的兜底机制(快重传失效或极端情况时)

流量控制(滑动窗口机制):

要点如下图所示,就是滑动窗口机制,没什么好特别介绍的。

5.3.6 TCP 拥塞控制

TCP 采用四种算法进行拥塞控制:慢开始、拥塞避免、快重传 和 快恢复

TCP 拥塞控制的基本思想是基于发送方维护的拥塞窗口(cwnd) 进行实现,其控制原则如下图所示:

对于 慢开始 和 拥塞避免:

只需要掌握下面这张图,便能解决绝大多数问题:

通过两个真题来熟悉 慢开始拥塞避免 算法:

对于 快重传 和 快恢复:

与上图类似,不过上图 第 12 轮次遇到的是"严重拥塞",而下图处理的是网络遇到"有点拥塞",故采用快恢复。

附言

快结束了,差个应用层(睡...睡...)

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