计算机网络篇——传输层

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计算机网络系列

上一篇文章中讲到网络层是负责把数据报准确的传送到目的主机,但是仅仅传输到目的主机还不够,因为一台主机上会有多个应用,要想在应用间通信,还得加一个应用间的标识(端口号)。这个工作就是由传输层完成。传输层主要讲两个协议,即UDP和TCP。

UDP

UDP不提供复杂的控制机制,利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻,立即按照原样发送到网络上的一种机制。

由于UDP面向无连接,它可以随时发送数据。再加上UDP的处理既简单又高效。因此经常用于以下几个方面:

  • 包总量较少的通信(DNS、SNMP)
  • 视频、音频等多媒体通信(即时通信)
  • 限定于LAN等特定网络中的应用通信
  • 广播通信(广播、多播)

UDP首部

UDP数据报格式

校验和用来判断数据在传输过程中是否损坏。计算这个校验和的时候,不仅考虑源端口号和目标端口号,还要考虑 IP 首部中的源 IP 地址,目标 IP 地址和协议号(这些又称为 UDP 伪首部)。这是因为以上五个要素用于识别通信时缺一不可,如果校验和只考虑端口号,那么另外三个要素收到破坏时,应用就无法得知。这有可能导致不该收到包的应用收到了包,该收到包的应用反而没有收到。由于UDP比较简单,这里就不做过多的讲解。

TCP

TCP与UDP的区别相当大。TCP是一种面向连接的协议,只有在确认通信对方存在时才会发送数据。它充分地实现了数据传输时各种控制功能,可以进行丢包时的重发控制,还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。

所以根据TCP的这些机制,它可以提供可靠传输。

TCP建立连接的时候需要三次握手,断开连接的时候需要四次挥手:

TCP的连接与断开

在建立连接的同时,也可以确定发送数据包的单位,我们称其为“最大消息长度”(MSS)。建立连接后,按照MSS的大小对数据进行分割发送。

序列号与确认应答提高可靠性

在TCP中,发送端以段为单位进行发送数据,每一个段都有一个序列号,当发送端的数据到达接收主机时,接收端主机会返回一个确认应答(ACK)。

数据包丢失的情况
确认应答丢失的情况

数据丢失无非就是数据包丢失和确认应答丢失两种情况,上图都已经解释得很清楚。重传超时时间(RTO)不是一个固定值,这个时间总是略大于连接往返时间(RTT,Round Trip Time)。这个设定可以这样理解:“数据发送给对方,再返回到我这里,假设需要 10 秒,那我就等待 12秒,如果超过 12 秒,那估计就是回不来了。”

窗口控制

由于TCP以段位单位,每次发一个段进行一次确认应答的处理,这样的效率太低了。所以就引入了窗口这个概念。

滑动窗口

窗口大小指无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小为4个段。使用窗口后,它无需等待确认应答就可以继续发送数据包的最大数量。

窗口控制

通过窗口控制,使用了大量缓冲区,实现了对多个段同时进行确认应答的功能。这样就大大提升了性能。引入窗口的概念后,被发送的数据不能立刻丢弃,需要缓存起来以备将来需要重发。

高速重发控制

如果发送的数据丢失,发送端会一直收到相应的数据的序号的确认应答。发送端如果连续3次收到同一个确认应答,就会将其对应的数据进行重发。

如果是确认应答丢失,可以通过下一个确认应答进行确认。因为每一个确认都表示

没有确认应答也不受影响

拥塞控制

有了TCP窗口后,收发主机之间即时不再以一个数据段为单位发送确认应答,也能连续发送大量数据包。然而,如果在通信刚开始时就发送大量数据,有可能引发网络拥堵等一些其他问题。因此,TCP采用了慢启动机制。

慢启动

慢启动的过程如下:

  1. 通信开始时,发送方的拥塞窗口大小为 1。每收到一个 ACK 确认后,拥塞窗口翻倍。
  2. 由于指数级增长非常快,很快地,就会出现确认包超时。
  3. 此时设置一个“慢启动阈值”,它的值是当前拥塞窗口大小的一半。
  4. 同时将拥塞窗口大小设置为 1,重新进入慢启动过程。
  5. 由于现在“慢启动阈值”已经存在,当拥塞窗口大小达到阈值时,不再翻倍,6. 而是线性增加。
  6. 随着窗口大小不断增加,可能收到三次重复确认应答,进入“快速重发”阶段。
  7. 这时候,TCP 将“慢启动阈值”设置为当前拥塞窗口大小的一半,再将拥塞窗口大小设置成阈值大小(也有说加 3)。
  8. 拥塞窗口又会线性增加,直至下一次出现三次重复确认应答或超时。
慢启动的过程

TCP首部

TCP首部

看完前面的介绍其实这些字段的意义大家可能也理解得差不多了,我就简单的说一个关键字段吧:

  • 序列号:它表示发送数据的位置,假设当前的序列号为 s,发送数据长度为 l,则下次发送数据时的序列号为 s + l。在建立连接时通常由计算机生成一个随机数作为序列号的初始值。
  • 确认应答号:它等于下一次应该接收到的数据的序列号。假设发送端的序列号为 s,发送数据的长度为 l,那么接收端返回的确认应答号也是 s + l。发送端接收到这个确认应答后,可以认为这个位置以前所有的数据都已被正常接收。
  • 数据偏移:TCP 首部的长度,单位为 4 字节。如果没有可选字段,那么这里的值就是 5。表示 TCP 首部的长度为 20 字节。
  • 控制位:该字段长度为 8 比特,分别有 8 个控制标志。依次是 CWR,ECE,URG,ACK,PSH,RST,SYN 和 FIN。
  • 窗口大小:用于表示从应答号开始能够接受多少个 8 位字节。如果窗口大小为 0,可以发送窗口探测。
  • 紧急指针:尽在 URG 控制位为 1 时有效。表示紧急数据的末尾在 TCP 数据部分中的位置。通常在暂时中断通信时使用(比如输入 Ctrl + C)。

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