计算机网络——传输层

一. 传输层

  为进程提供通用的数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。传输层具有复用和分用功能，复用就是多个应用层进程可以同时使用下面传输层的服务；分用则相反，指传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应进程。主要使用传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。

二. UDP（用户数据报协议）

• UDP是无连接的
• 尽最大可能交付
• 没有拥塞控制
• 面向报文，发送方的 UDP 对应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部就向下交付给 IP 层，一次发送一个报文，报文长度是应用进程给出的；接收方的 UDP 对 IP 层交上来的数据报去除首部后就交付给上层的应用进程。（UDP的数据传输流程）
• UDP的首部开销小，只有8个字节（TCP的首部至少有20个字节），包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。
• 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
  

三. TCP（传输控制协议）

• TCP是面向连接的
• 提供可靠交付
• 有流量控制、拥塞控制
• 面向字节流，把应用层传下来的报文看成字节流，发送到TCP的缓存中，然后给它加上TCP首部构成 TCP 报文段，它是TCP数据传输单元，报文段的长度根据窗口值和网络拥塞程度来决定；接着传送到IP层，加上IP首部（20个字节），再传送到链路层，加上链路层的首部和尾部后才离开主机发送到物理链路。
• 每一条 TCP 连接只能有两个端点，连接只能是点对点的（一对一）。TCP 连接的端点叫套接字（socket），IP地址通过冒号拼接上端口号就构成了套接字。套接字 = (IP地址 : 端口号） 。（比如IP地址为 192.3.4.5，端口号为80，则拼接出的套接字为 192.3.4.5:80）
• 提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

发送消息或浏览网页，需要确保用户数据不丢失，所以使用TCP协议；
视频聊天或看直播，即使几个画面丢失，对用户影响也不大，所以使用UDP协议。

四. TCP 可靠传输

  TCP 使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

五. TCP 滑动窗口

  窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息（比如拥塞情况）来设置自己的窗口大小。发送窗口不能超过接收窗口的数值。TCP窗口单位是字节。

六. TCP 拥塞控制

  拥塞控制指防止过多的数据注入到网络，以防路由器或链路过载，是个全局性的过程。
  TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

慢开始与拥塞避免：

  首先使用慢开始算法，发送方维持一个叫做拥塞窗口的状态变量（cwnd），一开始发送方设置cwnd的值为1，也就是发送方只能发送1个报文段，当收到确认后，将cwnd的值乘以2，每个轮次都这样增长，也就是2,4,8,16… 为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，所以需要设置一个慢开始门限状态变量（ssthresh）。当cwnd小于ssthresh时，使用慢开始算法；当cwnd大于ssthresh时，改用拥塞避免算法，每个轮次只将cwnd加1，控制为线性增长，使网络比较不容易出现拥塞。如果出现了超时，就将ssthresh设为当前cwnd值的1/2，同时设置cwnd=1，然后重新进入慢开始阶段。

快重传与快恢复：

  在接收方，要求每次接收到报文段都对最后一个已收到的有序报文段进行确认。比如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，则应当发送对 M2 的确认。在发送方，如果收到三个重复确认，那么就可以知道下一个报文段丢失了，此时执行快重传算法，立即重传下一个报文段。比如收到三个 M2，则是 M3 丢失了，立即重传 M3。这种情况只是丢失个别报文段，并不是网络拥塞，因此执行快恢复算法，令 ssthresh = 当前 cwnd / 2 ，然后设置 cwnd = ssthresh，接着执行拥塞避免算法。
  慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

七. TCP 流量控制

  流量控制是指控制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收，是个端到端的问题。
  接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。