《计算机网络（第5版）》第五章 运输层

aramae2026-06-17 22:09

《计算机网络（第5版）》第五章 运输层

一、运输层协议概述

1. 运输层的作用

  • 端到端通信 ：真正的通信端点是主机中的进程，而不是主机本身
  • 复用与分用 ：
    • 复用：发送方多个应用进程使用同一个运输层协议传送数据
    • 分用：接收方运输层将数据正确交付给目的应用进程
  • 运输层向高层用户屏蔽网络核心细节
  • 网络层提供主机之间的逻辑通信，运输层提供应用进程之间的端到端逻辑通信

2. 运输层的两个主要协议

协议 全称 特点 服务
UDP 用户数据报协议 无连接，不可靠，面向报文 尽最大努力交付
TCP 传输控制协议 面向连接，可靠，面向字节流 可靠交付，全双工

3. 运输层的端口

  • 端口：软件端口，用于标志应用层进程（16位，0~65535）
  • 端口分类 ：
    • 熟知端口 （0~1023）：指派给重要应用程序
      • FTP:21, TELNET:23, SMTP:25, DNS:53, TFTP:69, HTTP:80, SNMP:161
    • 登记端口（1024~49151）：需在IANA登记
    • 短暂端口（49152~65535）：客户端临时使用
  • 套接字（Socket）：IP地址 + 端口号，唯一标识一个通信端点
  • TCP连接：由两个套接字唯一确定 {IP1:port1, IP2:port2}

二、用户数据报协议（UDP）

1. UDP特点

  • 无连接，不建立/释放连接
  • 尽最大努力交付，不保证可靠
  • 面向报文：应用层交给UDP多长的报文，就原样发送（不合并不拆分）
  • 无拥塞控制
  • 支持一对一、一对多、多对一、多对多通信
  • 首部开销小（8字节）

2. UDP首部格式（8字节）

字段 长度 说明
源端口 2字节 需要对方回信时使用，否则填0
目的端口 2字节 交付报文时必须使用
长度 2字节 UDP用户数据报总长度（最小8字节）
检验和 2字节 检测传输是否有错，有错则丢弃

3. UDP检验和计算

  • 伪首部 （12字节）：临时添加，用于计算检验和，不向下传送
    • 源IP地址(4)、目的IP地址(4)、全0(1)、协议(1, 17)、UDP长度(2)
  • 计算范围：伪首部 + UDP首部 + 数据（若长度为奇数则补全0字节）
  • 计算方法：二进制反码求和，结果为全1表示无差错

三、传输控制协议（TCP）概述

1. TCP主要特点

  • 面向连接，必须先建立连接，结束后释放
  • 每条TCP连接只能有两个端点（点对点）
  • 可靠交付：无差错、不丢失、不重复、按序到达
  • 全双工通信，两端都有发送缓存和接收缓存
  • 面向字节流 ：
    • TCP把应用程序交下来的数据看成无结构的字节流
    • TCP不知道字节流的含义
    • 接收方应用程序收到的字节流必须与发送方发出的完全一样

2. TCP连接

  • 端点：套接字（Socket）= IP地址 + 端口号
  • TCP连接 = {socket1, socket2} = {(IP1:port1), (IP2:port2)}
  • 同一个IP地址可以有多个TCP连接，同一个端口号可以出现在多个不同连接中

四、可靠传输的工作原理

1. 停止等待协议

原理：发送方每发送一个分组，就停止等待接收方的确认；收到确认后再发下一个。

三种情况：

  • 无差错：发送 → 接收 → 确认 → 发送方收到确认 → 发下一个
  • 分组丢失（超时重传）：发送方启动超时计时器，超时未收到确认则重传
  • 确认丢失或延迟：若确认丢失，发送方超时重传，接收方收到重复分组则丢弃并重发确认

注意：

  • 每发送完一个分组必须暂时保留已发送分组的副本（以备重传）
  • 分组和确认都需要编号，以便识别重复分组
  • 超时计时器时间应略大于平均往返时间RTT

信道利用率：U = Td / (Td + RTT + Ta)（Td为发送时间，Ta为确认发送时间），通常较低。

2. 连续ARQ协议（滑动窗口协议）

  • 流水线传输：发送方可连续发送多个分组，不必每发一个就停下来等待确认
  • 滑动窗口：发送窗口内的分组可以连续发送，收到确认后窗口向前滑动
  • 累积确认：接收方只对按序到达的最后一个分组发送确认，表示该分组之前的所有分组都已正确收到
  • Go-back-N：如果某个分组丢失，发送方重传从丢失分组开始之后的所有分组

五、TCP报文段的首部格式

TCP首部最小20字节，最大60字节（可选字段）。固定部分各字段：

字段 长度 说明
源端口 16位
目的端口 16位
序号 32位 本报文段所发送数据的第一个字节的序号（mod 2^32）
确认号 32位 期望收到对方下一个报文段第一个字节的序号，且确认该序号之前所有数据已收到
数据偏移 4位 TCP首部长度（单位32位字，最小5，最大15）
保留 6位 保留为今后使用，应为0
URG 1位 紧急指针有效
ACK 1位 确认号有效（连接建立后所有报文段ACK=1）
PSH 1位 推送，接收方应尽快交付应用层
RST 1位 复位，连接出现严重差错，释放连接
SYN 1位 同步，用于连接建立（SYN=1表示连接请求或接受）
FIN 1位 终止，用于释放连接
窗口 16位 接收窗口大小（流量控制），单位字节
检验和 16位 计算范围：伪首部+TCP首部+数据
紧急指针 16位 URG=1时有效，指出紧急数据的字节数
可选字段 可变 如MSS（最大报文段长度）、窗口扩大、SACK、时间戳等
填充 可变 使首部长度为4字节的整数倍

关键点：

  • 序号：TCP是面向字节流的，序号基于字节编号（不是报文段编号）
  • 确认号：期望收到的下一个序号，同时隐含确认之前所有数据（累积确认）
  • 检验和：与UDP类似，需要伪首部（但协议字段=6）

六、TCP可靠传输的实现

1. 以字节为单位的滑动窗口

窗口概念：

  • 发送窗口：允许发送的字节序号范围（由接收窗口和拥塞窗口共同决定）
  • 接收窗口：接收方允许接收的字节数（通过TCP首部的"窗口"字段通告）
  • 滑动 ：收到确认后，窗口向前滑动

发送方发送窗口内的三种状态：

  • 已发送并已确认（窗口外左侧）
  • 已发送但未确认（窗口内）
  • 允许发送但尚未发送（窗口内）
  • 不允许发送（窗口外右侧）

接收方：

  • 接收窗口内的数据：期望收到，收下并缓存
  • 按序到达的数据交给应用层，并滑动窗口
  • 失序到达的数据暂存，等待缺失部分补齐

2. 超时重传时间的选择

  • RTT：报文段发出到收到确认的时间
  • 加权平均RTT（平滑RTT） ：RTTs = (1-α)·RTTs + α·RTT，α推荐0.125
  • RTT偏差 ：RTTd = (1-β)·RTTd + β·|RTT - RTTs|，β推荐0.25
  • 超时重传时间RTO ：RTO = RTTs + 4·RTTd

Karn算法：发生重传的报文段不用于计算RTT；且当重传时，RTO加倍（指数退避）

3. 选择确认SACK

  • 若接收方收到失序数据，可告知发送方哪些数据已收到（需要SACK选项）
  • 发送方只重传缺失的数据，避免重复传输

七、TCP流量控制

1. 利用滑动窗口实现流量控制

  • 接收方通过TCP首部的"窗口"字段告知发送方自己的接收窗口大小（rwnd）
  • 发送方保证未确认数据量不超过接收窗口
  • 零窗口 ：接收窗口=0，发送方停止发送，并启动持续计时器
    • 持续计时器超时后，发送方发送零窗口探测报文（1字节），接收方回复当前窗口

2. 传输效率考虑

  • Nagle算法：减少小分组数量。在已发送数据未确认前，将后续小数据合并发送；或等到数据达到MSS再发
  • 糊涂窗口综合征：接收方每次只通告很小的窗口。解决：接收方窗口小于一定值（如MSS）时通告0；发送方避免发送小数据

八、TCP拥塞控制

1. 拥塞控制的一般原理

  • 拥塞：对网络资源的需求超过可用量，导致性能下降
  • 拥塞控制：全局性过程，防止过多数据注入网络
  • 流量控制：端到端问题，控制发送速率不压垮接收方
  • TCP拥塞控制基于拥塞窗口（cwnd），实际发送窗口 = min(cwnd, rwnd)

2. 几种拥塞控制方法

慢启动（Slow Start）：

  • 初始cwnd=1 MSS（或2-4个MSS）
  • 每收到一个ACK，cwnd加倍（指数增长）
  • 直到cwnd ≥ 慢启动阈值（ssthresh）

拥塞避免（Congestion Avoidance）：

  • cwnd达到ssthresh后，每经过一个RTT，cwnd增加1 MSS（线性增长）
  • 目的：避免网络拥塞

快重传（Fast Retransmit）：

  • 接收方每收到一个失序报文段，立即发送重复ACK（不等待）
  • 发送方连续收到3个重复ACK ，立即重传丢失报文段（不等超时）

快恢复（Fast Recovery）：

  • 收到3个重复ACK时：ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh + 3 MSS（或直接设为ssthresh）
  • 然后进入拥塞避免阶段

拥塞控制流程图解：

复制代码 
     cwnd
      |
  慢启动    拥塞避免
  指数增长   线性增长
      |        |
    ssthresh  ssthresh

超时与重复ACK的处理：

  • 超时：ssthresh = cwnd/2，cwnd = 1 MSS，重新慢启动（慢启动+拥塞避免）
  • 收到3个重复ACK：快重传+快恢复（不回到慢启动）

3. 随机早期检测RED

  • 在路由器中实现，主动检测队列长度，提前以概率丢弃分组（避免全局同步）
  • 使TCP连接在拥塞前就开始减少发送窗口

九、TCP的运输连接管理

1. TCP连接建立（三次握手）

步骤（以客户端A、服务器B为例）：

  1. 第一次握手（A → B）：A发送SYN=1, seq=x（SYN报文段，不携带数据，消耗一个序号）
  2. 第二次握手（B → A）：B收到后，发送SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1（SYN+ACK报文段）
  3. 第三次握手（A → B）：A收到后，发送ACK=1, seq=x+1, ack=y+1（可携带数据，若不携带则不消耗序号）

连接建立后，全双工通信。

2. TCP连接释放（四次挥手）

  1. 第一次挥手 （A → B）：A发送FIN=1, seq=u（FIN报文段，消耗一个序号），A进入FIN-WAIT-1状态
  2. 第二次挥手 （B → A）：B收到FIN后，发送ACK=1, seq=v, ack=u+1，B进入CLOSE-WAIT 状态。A收到后进入FIN-WAIT-2状态
  3. 第三次挥手 （B → A）：B发送完所有数据后，发送FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1，B进入LAST-ACK状态
  4. 第四次挥手 （A → B）：A收到FIN后，发送ACK=1, seq=u+1, ack=w+1，A进入TIME-WAIT 状态（等待2MSL），B收到后进入CLOSED状态

2MSL等待（Maximum Segment Lifetime）：

  • 保证A最后发送的ACK能到达B（若丢失，B会重发FIN，A可再确认）
  • 防止"已失效的连接请求报文段"出现在新连接中

3. TCP有限状态机

关键状态转换：

  • LISTEN → SYN-SENT（主动打开）
  • LISTEN → SYN-RCVD（被动打开）
  • SYN-SENT → ESTABLISHED（收到SYN+ACK）
  • ESTABLISHED → FIN-WAIT-1（主动关闭）
  • ESTABLISHED → CLOSE-WAIT（被动关闭）
  • TIME-WAIT → CLOSED（经过2MSL）

十、重要公式与数值总结

公式/数值 说明
UDP首部长度 8字节
TCP首部最小长度 20字节
TCP端口号范围 0~65535
熟知端口 0~1023
TCP序号空间 2^32
RTO = RTTs + 4·RTTd 超时重传时间
慢启动初始cwnd 1~4 MSS
快重传阈值 3个重复ACK
2MSL时间 2 × MSL（通常2分钟）
持续计时器 防止零窗口死锁

十一、UDP与TCP对比总结

特性 UDP TCP
连接 无连接 面向连接
可靠性 不可靠（尽最大努力） 可靠（确认、重传、序号）
流量控制 无 有（滑动窗口）
拥塞控制 无 有（慢启动、拥塞避免等）
报文边界 面向报文（保留） 面向字节流（无边界）
首部开销 8字节 20~60字节
通信模式 一对一、一对多、多对一、多对多 点对点
应用示例 DNS, SNMP, 实时音视频 HTTP, FTP, SMTP, Telnet
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