计算机网络 传输层

简介网络层只把分组发送到目的主机,但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信,传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节,使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。 UDP和TCP的特点 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部),支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通

网络层只把分组发送到目的主机,但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信,传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节,使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

UDP和TCP的特点

  • 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部),支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

  • 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)是面向连接的,提供可靠交付,有流量控制,拥塞控制,提供全双工通信,面向字节流(把应用层传下来的报文看成字节流,把字节流组织成大小不等的数据块),每一条 TCP 连接只能是点对点的(一对一)。

UDP首部格式

首部字段只有 8 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。

TCP首部格式

  • 序号:用于对字节流进行编号,例如序号为 301,表示第一个字节的编号为 301,如果携带的数据长度为 100 字节,那么下一个报文段的序号应为 401。TCP用序列号对数据包进行标记,以便在到达目的地后重新重装,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。

  • 确认号:期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段,序号为 501,携带的数据长度为 200 字节,因此 B 期望下一个报文段的序号为 701,B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。ACK为1时有效,上次成功收到的数据字节序号+1(如接收到的为1024--2048,则返回2049),也是下一次发送端要发送数据的序列号。4位首部长度: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。

  • 数据偏移:指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量,实际上指的是首部的长度。

  • 6个保留位:

    URG => 紧急指针;
    ACK => 为1表示确认序号有效;
    PSH => 缓存区将满,接收方应尽快将此报文段交给应用层;
    RST => 连接断了重建连接;
    SYN => 同步序号为1,用来发起一个新连接;
    FIN => 为1表示发端完成发送任务

  • 确认ACK:当 ACK=1 时确认号字段有效,否则无效。TCP 规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。

  • 同步SYN:在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1,ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接,则响应报文中 SYN=1,ACK=1。

  • 终止FIN:用来释放一个连接,当 FIN=1 时,表示此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放连接。

  • 窗口:窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制,是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

  • 16位窗口大小:TCP流量控制,字节数,说明本地可接收数据段的数目,这个值的大小是可变的。当网络通畅时将这个窗口值变大加快传输速度,当网络不稳定时减少这个值可以保证网络数据的可靠传输。它是来在TCP传输中进行流量控制的

  • 16位检验和:包括计算TCP首部和数据综合的二进制反码和检验和。

  • 16位紧急指针:URG为1时有效,正向的偏移量,加上序号字段值表示最后一个字节的序号。通常在暂时中断通信时使用(比如输入 Ctrl + C)。

TCP的三次握手


三次握手:

第一次握手主机A通过一个标识为SYN标识位的数据段发送给主机B请求连接,通过该数据段告诉主机B希望建立连接,需要B应答,并告诉主机B传输的起始序列号。客户端发送syn包(seq=x)到服务器,并进入SYN_SEND(发送)状态,等待服务器确认;
第二次握手是主机B用一个确认应答ACK和同步序列号SYNC标志位的数据段来响应主机A,一是发送ACK告诉主机A收到了数据段,二是通知主机A从哪个序列号做标记。服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=x+1),同时自己也发送一个SYN包(seq=y),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV(接收)状态;
第三次握手是主机A确认收到了主机B的数据段并可以开始传输实际数据。客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=y+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(已建立)状态,完成三次握手。


假设 A 为客户端,B 为服务器端。

  • 首先 B 处于 LISTEN(监听)状态,等待客户的连接请求。

  • A 向 B 发送连接请求报文,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。

  • B 收到连接请求报文,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文,SYN=1,ACK=1,确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。

  • A 收到 B 的连接确认报文后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为 x+1。

  • B 收到 A 的确认后,连接建立。

三次握手的原因

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器,让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留,那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后,就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器,如果不进行三次握手,那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手,客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认,不进行第三次握手,因此就不会再次打开连接。

第一次握手主要是确定服务端确认客户端能够发送信号;第二次握手主要是客户端确认服务端能够接收和发送信号;第三次握手主要是服务端确认客户端能够接收信号。SYN和ACK是标志位(0/1)(ACK=1表明ack有效),seq是序列号,ack是确认号。2)给对方的确认方式就是把对方传来的seq+1并赋给ack。


TCP的四次挥手


四次挥手:

主机A发送FIN控制位发出断开连接的请求。主动关闭方发送一个FIN,用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送,也就是主动关闭方告诉被动关闭方:我已经不 会再给你发数据了(当然,在fin包之前发送出去的数据,如果没有收到对应的ack确认报文,主动关闭方依然会重发这些数据),但是,此时主动关闭方还可 以接受数据。
主机B进行响应,确认收到断开连接请求。被动关闭方收到FIN包后,发送一个ACK给对方,确认序号为收到序号+1。
主机B提出反方向的关闭要求。被动关闭方发送一个FIN,用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送,也就是告诉主动关闭方,我的数据也发送完了,不会再给你发数据了。
主机A确认收到的主机B的关闭连接请求。主动关闭方收到FIN后,发送一个ACK给被动关闭方,确认序号为收到序号+1,至此,完成四次挥手。


以下描述不讨论序号和确认号,因为序号和确认号的规则比较简单。并且不讨论 ACK,因为 ACK 在连接建立之后都为 1。

  • A 发送连接释放报文,FIN=1。

  • B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。

  • 当 B 不再需要连接时,发送连接释放报文,FIN=1。

  • A 收到后发出确认,进入 TIME-WAIT 状态,等待 2 MSL(最大报文存活时间)后释放连接。

  • B 收到 A 的确认后释放连接。

四次挥手的原因

客户端发送了 FIN 连接释放报文之后,服务器收到了这个报文,就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据,传送完毕之后,服务器会发送 FIN 连接释放报文。


第一次挥手是服务端确认客户端需要断开连接;第二次挥手是客户端确认服务器接收断开请;第三次挥手是客户端确认服务器数据发完,断开连接;第四次挥手是服务端确认客户端断开连接,断开连接。所以如果服务端的数据全部发送完,是没有第三次挥手,直接进入第四次挥手。


TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态,此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由:

  • 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文,那么就会重新发送连接释放请求报文,A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。

  • 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失,使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

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。

一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT,加权平均往返时间 RTTs 计算如下:

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs,TCP 使用的超时时间计算如下:

其中 RTTd 为偏差。

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设置自己的窗口大小。

发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。


流量控制和拥塞控制参考:[1119]

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