传输层

UDP

概述

• UDP（User Datagram Protocol, 用户数据报协议），面向无连接、不提供可靠性，即不保证数据能够到达目的地。

UDP首部

• UDP长度：指UDP首部（8个字节）和UDP数据之和的数据长度。

• UDP检验和：覆盖UDP首部和UDP数据，而IP的首部并不覆盖IP数据报中的数据。
  
  图1 UDP首部

• 伪首部（UDP和TCP均含有伪首部）

  • UDP数据报和TCP段都包含一个12个字节长的伪首部，它是为计算检验和而设置的。
  • 伪首部包含IP首部一些字段。目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地。
    
    图2 UDP校验和计算过程中使用的各个字段

UDP应用方面

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

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TCP

概述

• TCP（Transmission control Protocol, 传输控制协议），提供一种面向连接的、可靠的、字节流服务。
  • 面向连接：两个主机是哟个TCP的应用在交换数据之前必须先建立一个TCP连接。
  • 可靠性传输：TCP有很多机制来尽可能的保证数不丢失
  • 字节流：不区分ASCII字符和二进制，数据解释交给应用层。

TCP首部

• 控制位（Control Flags）

  • FIN - 结束; 结束会话 Finsh
  • SYN - 同步; 表示开始会话请求 Sequence
  • RST - 重建连接 Reset
  • PUSH - 推送; 数据包立即发送 Push
  • ACK - 应答 Acknowledgment
  • URG - 紧急 Urgent
  • ECE - 显式拥塞提醒回应 ECN-Echo
  • CWR - 拥塞窗口减少 Congestion Window Reduced
    
    图3 TCP首部

建立连接（三次握手）

• 三次握手过程

  • Synchronization : 同步；Sequence : 序列；Acknowledgment : 答复

  • step1: 客户端：Seq=x （SYN）

  • step2: 服务端：Seq=y, Ack=x+1 （SYN+ACK）

  • step3: 客户端：Seq=x+1, Ack=y+1 （连接建立）

图4 三次握手

• 三次握手原因

  • 一个TCP连接是全双工的，即数据在两个方向上能同时传输数据，因此，建立连接的过程也就必须确认双方的收发能力是正常的。
  • 防止已经过期的连接请求报文又突然传送到服务器，因为若采用两次握手，服务器无法通过SYN判断是迟到的报文还是新的连接请求。
  • 此外，四次或是四次以上握手也可以，但是没有必要。

断开连接（四次挥手）

• 四次挥手过程
  • Finsh : 结束；Sequence: 序列；Acknowledgment : 答复
  • step1: 客户端：Seq=u （FIN）
  • step2: 服务端：Ack=u+1 （ACK）
  • step3: 服务端：Seq=v （FIN）
  • step4: 客户端：Ack=v+1 （ACK）

图5 四次挥手

• 四次挥手原因

  • 确保数据能够完成传输，但关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文通知时，它
    仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭 SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送 FIN 报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的 ACK 报文和 FIN 报文多数情况下都是分开发送的

TCP的流量控制机制

• 慢启动

  • TCP开始发送设置拥塞窗口cwnd=1。
  • 不要以开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。
  • 为防止cwnd增长过大引起网络拥塞，设置一个慢开始门限（ssthresh状态变量）
    • 当 $cnwd ＜ ssthresh$cnwd＜ssthresh，使用慢开始算法
    • 当 $cnwd=ssthresh$cnwd=ssthresh，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法
    • 当 $cnwd＞ssthresh$cnwd＞ssthresh，使用拥塞避免算法

• 拥塞避免

  • 在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按照线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。
  • 使拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT九八发送方的拥塞控制窗口加1。

• 快速重传

  • 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，而不要等到自己发送数据时捎带确认。
  • 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。

• 快速恢复

  • 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。
    
    图6

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UDP和TCP对比

• UDP和TCP特点对比

	连接	可靠性	流量控制、拥塞控制	模式	系统资源	首部
UDP	无	不可靠，丢包不会重发、顺序乱掉不会纠正	不使用	数据报	少	简单，开销少
TCP	有	可靠，丢包会重新发送，顺序打乱会进行排序	使用	流	多	复杂，开销较大

• UDP和TCP首部对比
  
  图7