计算机网络-传输层
2021 年 01 月 13 日 1630 2324 字 16 条评论

01.概述

1.1 传输层的意义

  • 网络层可以把数据从一个主机传送到另一个主机,但是没有和进程建立联系。
  • 传输层就是讲进程和收到的数据联系到一起,使数据能够为应用服务。
  • 所以说传输层是主机才有的层次。

1.2 传输层的两个协议

  • TCP:可靠,面向连接,时延大,适用于大文件。
  • UDP:不可靠,无连接,时延小,适用于小文件。

1.3 传输层的寻址和端口

  • 端口号只用于计算机分辨本地进程,总共有2^16=65536种端口号,端口号有很多种,不能随便使用。

  • 常见的应用程序端口号

02.UDP协议

2.1 UDP概述

  • 因为UDP一次发送一个完整报文不会分片,所以需要应用层传输过来的数据不要太大,否则网络层分片任务就很重,但是也不能太小,不然效率较低。
  • UDP适合一些实时应用,因为实时应用延迟要求高,需要立即响应。

2.2 UDP首部格式

2.2.1 UDP的校验位构成

  • 这里的伪首部只是用来计算检验和的,计算完了就丢弃,可以见下UDP的校验方式。

2.2.2 UDP校验方式

  • 总结一下步骤:
  • 在发送端的时候

    • 就是将每一行(4字节)拆成两部分,左右平均2字节大小,将这两字节数据写成二进制,那么2字节一共就需要2*8=16位。此时检验和没有计算,默认填充0,同时如果数据字段不整齐,则用0补齐,这样就可以写出几十行二进制数。
    • 计算着几十行二进制数按二进制反码运算求和,二进制反码运算可以参考。
    • 得到的最后结果再反码,之后将反码之后的放入原来的检验和字段。
  • 在接收端的时候

    • 与发送端的时候不同的是,此时检验和字段不是0了。
    • 按照发送端的步骤再将所有数据写成二进制进行二进制反码运算求和。
    • 如果最后得到结果全1就是没问题,否则丢弃。

03.TCP协议

3.1 TCP协议的特点

  • TCP必须要建立连接之后才可以进行数据交换,所以TCP是面向连接的。

  • TCP传输数据是随机切割数据的

3.2 TCP报文段的首部

  • TCP是将数据随机分割后加上TCP头传输的。
  • 序号就是为了标记这些随机分割之后的数据,这里把第一个字节的编号当成序号。
  • 确认号就是收到之后做一下标记,代表这之前的都收到了,希望收到的下一个编号的数据就是确认号打头的那个数据。
  • 偏移量就是为了标记一下距离TCP开始多少字节是数据,这里的单位是4B,这个偏移量就是TCP首部长度。

  • 窗口就是接收方告诉发送方,还有多少地方(缓存)可以放数据。
  • 校验和:检验首部+数据。
  • 紧急指针就是告诉TCP从哪里到哪里是紧急数据。

  • TCP的六个控制位
  • 紧急位URG

    • URG的特点就是让数据插队,URG=1的就会在缓存中被提前到第一个传输。

  • 确认位ACK

  • 推送位PSH

    • 就是接收端的URG,将PSH=1的数据尽快接收。
    • 注意一下,如果没有PSH,一般都是接收方缓存满了之后再将数据发送到主机。

  • 复位RST

  • 同步位SYN

    • A和B主机要建立连接,就A先发一个报文,其中SYN=1。
    • B收到之后也回复一个SYN=1的报文,代表接受连接。

  • 终止位FIN

3.3 TCP连接管理

3.3.1 TCP三次握手(建立连接)

注释:

第一段的意思是

SYN=1:(A)要建立连接了!

seq=x(随机):因为还没有数据,所以写什么都无所谓

第二段的意思是

SYN=1:我(B)同意你(A)建立连接!

ACK=1:连接建立了,之后的ACK必须都置为1

seq=y(随机):因为还没有数据,所以写什么都无所谓

ack=x+1:之前发送方(A)说发送的是第x位数据(虽然发送方是瞎说的),所以我(B)要的是x+1位数据

第三段的意思是

SYN=0:SYN只有在建立连接时才为1,其他时候均设为0

ACK=1:连接建立了,之后的ACK必须都置为1

seq=x+1:我(A)发送的报文段的第一个字节就是x+1

ack=y+1:之前接收方(B)说发送的是第y位数据(虽然接收方是瞎说的),所以我(A)要的是y+1位数据

注意一下,TCP是双向的,所以不存在绝对不变的发送方接收方,这里的两台主机都同时是发送方和接收方

  • TCP三次握手特性导致的SYN洪泛攻击

3.3.2 TCP四次挥手(连接释放)

注释:

第一段的意思是

FIN=1:(A)要释放连接了!

seq=u:发了好多数据,这里只是用u指代一下,这里u是有确定值的

第二段的意思是

ACK=1:连接建立了,之后的ACK必须都置为1

seq=v:发了好多数据,这里只是用v指代一下,这里v是有确定值的

ack=u+1:之前发送方(A)说发送的是第u位数据,所以我(B)要的是u+1位数据(尽管此时A已经决定释放连接了)

第三段的意思是

FIN=1:(B)要释放连接了!

ACK=1:连接建立了,之后的ACK必须都置为1

seq=w:发了好多数据,这里只是用w指代一下,这里w是有确定值的

ack=u+1:之前发送方(A)说发送的是第u位数据,所以我(B)要的是u+1位数据(因为A直接不发数据了,所以第二段第三段的ack都是u+1)

第四段的意思是

ACK=1:连接建立了,之后的ACK必须都置为1

seq=u+1:之前发的数据时第u位数据,B也要第u+1位数据,所以我发第u+1位数据

ack=w+1:之前发送方(B)说发送的是第w位数据,所以我(A)要的是w+1位数据

为什么需要等待计时2MSL?

因为这样可以保证B可以收到A的终止报文段进而进入关闭状态

比如说如果A的第四段报文丢失,那么等待一个MSL之后B就会重传第三段报文,花费小于1MSL之后A就会再收到第三段报文,之后就可以再次向B发送第四段报文提示B关闭连接

3.4 TCP可靠传输

  • TCP是提供可靠传输,UDP这种本身还是不可靠传输的就再靠应用层解决了。

3.4.1 序号

  • 就是TCP根据下方数据链路层的MTU(最大传输单元)来随即将数据切割成好几端并且进行编号。

3.4.2 确认

  • 发送方每一次发送数据之后都需要接收方进行确认。
  • TCP使用的是累计确认机制,就是从第一个丢失的字节开始请求丢失的报文段。如图中456丢失,78到达,但仍然请求发送的数据序号是4。

3.4.3 重传

  • 为什么要使用自适应算法?网络环境太复杂,路径又长又短,RTT设置短了照顾不了距离远的,RTT设置长了又导致网络利用率降低,所以使用RTTs。

3.5 TCP流量控制

  • 接收方可以动态的发送信息告诉发送方发送窗口的大小。
  • 接收方接收不过来了就让发送方发送窗口小点,这样发送方发送的速率就慢下来了,接收方就有时间处理它的数据了
  • 接受方处理完了也可以发送请求让发送方发送窗口大点,这样发送方发送的速率就快起来了,接收方就可以处理更多数据而不是空闲等着收数据了。

  • 案例

  • 使用的累计确认机制(一次回复收到ack=201)和三次流量控制机制。
  • 但是有一个情况就是,如果最后B不允许A再发送数据了,B在处理完数据之后想要恢复窗口大小时发送的有rwnd大小的数据报丢了怎么办?此时A有B的指令在前,发送窗口为0无法发送数据,B也在等待A回复,造成了类似死锁的现象。

    • 使用定时器解决。

3.6 TCP拥塞控制

  • 流量控制是对单独一个来说的,拥塞控制是一群。

3.6.1 拥塞控制四种算法

3.6.2 慢开始和拥塞避免

  • 这里开始时以指数形式增长ssthresh的意思是慢开始门限,代表从这个地方注入的报文段就比较多了,需要开始慢速增加了。
  • 之后一段都是线性增长,每次增加1,直至达到网络拥塞状态。
  • 瞬间将cwnd设置为1,同时调整原来的ssthresh的值到之前达到网络拥塞状态的1/2,(这里是24降到12)。
  • 重复以上步骤,但是注意此时ssthresh变了之后线性增长的转折点也变了。

3.6.3 快重传和快恢复

  • 先指数增长再转变为线性增长。
  • 不同的点是快重传和快恢复算法是在收到连续的ack确认之后执行,这里的ack就是冗余ack
  • 冗余ack的特点是如果多次对某一段请求的数据没有被收到,达到一定数目之后就会立即执行重传。
  • 但是此时只是降到现在cwnd的一半,再重新线性增长。而不是像慢开始和拥塞避免的从头开始。


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