计算机网络之传输层
１传输层协议概述
注意：只有主机的协议栈才有运输层，而网络核心部分的路由器在转发分组时都只用下三层（物理层、数据链路层、网络层）的功能。
我们知道，IP协议能够把源主机Ａ发送的分组按照首部中的目的地址发送给目的主机Ｂ，那么为什么还需要传输层呢？
从IP层来看，通信的两端是两个主机，但是通信的实质并不是主机之间的通信，而是主机的进程间的通信，，端到端的通信指的就是应用进程间的通信，而传输层真正意义上实现了端到端通信。
从这里可以看出网络层和传输层之间的区别，网络层为主机之间提供了逻辑通信，而传输层为应用进程之间提供了端到端的逻辑通信。
２传输层的两个主要协议和几个概念
（１）用户数据报协议UDP
（２）传输控制协议TCP
UDP在传输数据之前不需要建立连接，远方主机的传输层在收到UDP报文后，也不需要给出确认，即UDP提供了不可靠传输，如：DNS域名解析器、QQ聊天和屏幕分享广播。
而TCP则是面向连接的传输服务，数据传送之前应该建立连接而数据传输之后释放连接。由于TCP提供的是可靠的、面向连接的服务，不可避免地增加一些开销。
UDP和TCP的对比见上一篇博客 计算机网络问题集锦
下面介绍在传输层中会用到的几个
复用：发送方的不同应用进程都可以使用同一个运输层。
分用：接收方的传输层接收到
IP报文以后，将报文去掉头部后可分发给不同而应用进程。
３UDP
UDP知识在IP服务至善加了一点功能：分用、复用、差错检测。
UDP特点如下：
（１）无连接 因此减小了开销和时延。
（２）尽最大努力交付，即提供的是不可靠传输。
（３）面向报文的传输
（４）没有拥塞控制
（５）支持一对一、一对多、多对多和多对一的通信
（６）首部开销比较小
４TCP
TCP的主要特点如下：
（１）TCP是面向连接的协议
（2）每一条TCP连接只能有两个端点， 每一条TCP连接都必须是点对点的。
（3）提供可靠传输
（4）面向字节流的传输
（5）全双工通信
4.1TCP的连接
TCP把连接作为基本的抽象。TCP的很多特征都与TCP是面向连接的这一基本特征有关。TCP连接的端点叫做套接字或插口。
套接字socket=（IP地址：端口号）
每一条TCP连接唯一地被通信两端的连个端点所确定，即：
TCP连接：：={sockte1，socket2}={（IP1:port1），（IP2：port2）｝
４.２TCP可靠传输
为了实现可靠传输，我们可以采用停止等待协议（简单地说，停止对等待协议要求A发送数据后等待B的确认消息，A收到B的确认后再发送下一条分组，当确认丢失或者确认迟到后就要进行重传），但是停止等待协议的效率太低。
为了提高停止等待协议的传输效率，采用了流水线传输的方式（流水线传输就是发送方可以连续发送多个分组，不需要每个分组都要等待确认）
此处省略了TCP报文段首部1格式的介绍，这部分内容虽然简单，但需要理解清楚，并记忆几个重要的部分，只有弄清楚TCP首部各个字段的作用才能掌握TCP的工作原理。
4.3TCP可靠传输的实现
关于滑动窗口问题的几点强调：
第一，虽然A的发送窗口是根据B的接受窗口所设定的，但是在同一时刻，A的发送窗口并不是总和B的接收窗口一样大，这是因为通过网络传送窗口值也存在一定的时滞后，（A可以根据网络的拥塞情况，来适当地减少自己的的窗口大小）
第二，对于不按顺序到达的数据该如何处理，TCP并无明确规定。如果接收方把没有按照顺序到达的数据一律丢掉，则接收窗口的管理会比较简单，但是对网络资源的利用不利（因为发送方要重新发送数据）。
第三，TCP要求接收方应该有累积确认的功能，这样可以减少传输的开销。接收方可以在适当的时候发送确认，也可以在自己有数据要发送的时候把确认信息捎带上。但是接收方不应该过分推迟发送确定，因为会造成发送方的不必要重传。
4.4TCP流量控制
利用滑动窗口实现流量控制。
一般来说，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，这就造成了数据的丢失。所谓的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
利用滑动窗口技术，就可以很好的实现对发送方的流量控制。
这个流量控制过程简单地说就是：设A向B发送数据。B会告诉A他的接收窗口是多大，A的发送窗口就不会大于B的接收窗口。比如当B告诉A他的接收窗口是300时，A的发送窗口就不会大于300.当B的接收窗口为0时，A就会暂停数据的发送。注意： 此时，当B的接收缓存又有了一些存储空间后，比如这个缓存空间是100，那么B就会向A发送一个窗口是100的非零窗口报文段。但是这个报文段在传送的过程中很有可能会丢失，但A一直在等待B的非零窗口的通知，这就会陷入死锁，即一直等待状态。为了解决这个问题，TCP为每一个连接设置了一个持续计时器，只要TCP连接中的一方收到了对方发送的零窗口通知，这个计时器就会启动。若计时器到期，则就会发送一个零窗口探测报文段，以打破死锁。
4.5TCP的拥塞控制
······带宽、结点的缓存容量、处理机都是网络的资源。若某个时间段，对资源的需求量大于了该资源所能提供的可用部分，网络性能就会变坏。这个现象就是拥塞。
造成网络拥塞的原因有很多：
比如结点的缓存不足，到达该结点的分组因为无法储存，而不得不丢掉，当扩充缓存后，因为处理机速度不足，同样会出现分组队满后丢包的现象。解决了处理机的速度问题以后，其他的问题又会随之而来。问题的实质往往是整个系统的各个部分不匹配，只有所有的部分都平衡了，问题才会得到解决。
拥塞控制：就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或者链路不过载，拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及降低网络传输性能的相关的所有因素。流量控制往往是点对点的通信量的控制，是一个端到端的问题。
４.5.1拥塞控制的四种算法
·····拥塞控制的算法主要有四种，在讨论这四种算法时为我们假定：
（１）数据是单向的
（２）假定接收方和发送方都有足够大的缓存空间，因而发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定。（感觉这个也是拥塞控制和流量控制的一个大的区别）。
拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制：
开环控制，在设计网络时把因素考虑到
闭环控制，基于反馈环路，使用拥塞的信息来进行调整网络。
１慢开始和拥塞避免
发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd，根据网络来进行动态的调整大小，网络拥塞的时候，路由器会丢弃报文，当发送方没有按时收到确认报文，那么就知道网络发生了拥堵。现在结合拥塞窗口cwnd的变化来看一下上述两个方法。慢开始的“慢”指的是，初始cwnd=1（此时表示的是报文段的个数，而不是真正传输时使用的字节流）。
我们来简单的论一下这个过程：
（１）开始时发送方cwnd=1，发送报文段M1，如果收到确认M1，那么此时增大cwnd=2，并发送M2，M3
（２）要注意，发送方每收到一个确认报文段，cwnd+1（不包括缺失重传的确认）也就是说，每经过一个传输伦次（RTT时间），cwnd加倍。但是，为了防止拥塞窗口cwnd增长过大而引起网络拥塞，设置一个慢开始门限ssthresh。
～～当cwnd<ssthresh，使用上述的慢开始算法
～～当cwnd>ssthresh，停止使用慢开始，使用拥塞避免算法
～～当cwnd==ssthresh，两者都可以使用
接下来介绍一下拥塞避免算法：
拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd+1，而不是加倍（也就是收到两个，四个确认，仍然+1），这样cwnd就按线性增大。
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口cwnd设置为1，执行慢开始算法。如下图：
拥塞控制的具体过程如下：
（1）TCP连接初始化，将拥塞窗口设置为1
（2）执行慢开始算法，cwnd按指数规律增长，直到cwnd=ssthresh时，开始执行拥塞避免算法，cwnd按线性规律增长
（3）当网络发生拥塞，把ssthresh值更新为拥塞前ssthresh值的一半，cwnd重新设置为1，按照步骤（2）执行AIMD(加法增大乘法减小)
乘法减小：无论在慢启动阶段还是在拥塞控制阶段，只要网络出现超时，就是将cwnd置为1，ssthresh置为cwnd的一半，然后开始执行慢启动算法（cwnd<ssthresh）。
加法增大：当网络频发出现超时情况时，ssthresh就下降的很快，为了减少注入到网络中的分组数，而加法增大是指执行拥塞避免算法后，是拥塞窗口缓慢的增大，以防止网络过早出现拥塞。
这两个结合起来就是AIMD算法，是使用最广泛的算法。拥塞避免算法不能够完全的避免网络拥塞，通过控制拥塞窗口的大小只能使网络不易出现拥塞。
２快重传和快恢复
快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。 由于不需要等待设置的重传计时器到期，能尽早重传未被确认的报文段，能提高整个网络的吞吐量。
采用快恢复算法时，慢开始只在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。
当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。
考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。
５TCP的传输连接管理
这部分内容比较重要，见另外一篇文章 TCP连接之三次握手四次挥手