目錄
一、多路復(fù)用和多路分解
1、運(yùn)輸層端口號(hào)
2、概述
3、原理
?1、無連接的多路復(fù)用與多路分解 - UDP
2、面向連接的多路復(fù)用與多路分解 - TCP
二、無連接運(yùn)輸——UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議
1、UDP概述
2、UDP的優(yōu)點(diǎn)
三、可靠數(shù)據(jù)傳輸原理
1、概述
2、rdt1.0——可靠信道上的可信數(shù)據(jù)運(yùn)輸
3、rdt2.0——產(chǎn)生位錯(cuò)誤的信道
4、rdt2.1——發(fā)送方處理錯(cuò)誤的ACK/NAK
5、rdt2.2——不需要NAK的協(xié)議
6、rdt3.0—— 比特差錯(cuò)和丟包的信道、比特交替協(xié)議
四、流水線可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
1、流水線技術(shù)
2、回退N步協(xié)議GBN
3、選擇重傳
五、面向連接的傳輸——TCP傳輸控制協(xié)議
1、TCP概述
2、TCP報(bào)文段結(jié)構(gòu)?
（1）端口號(hào)
（2）序號(hào)和確認(rèn)號(hào)
（3）數(shù)據(jù)偏移
（4）保留
（5）窗口rwnd
（6）校驗(yàn)和
（7）標(biāo)志位
① 緊急標(biāo)志位URG
② 推送標(biāo)志位PSH
③ 復(fù)位標(biāo)志位RST
④ 同步標(biāo)志位SYN
⑤ 終止標(biāo)志位FIN
（8）緊急指針
（9）選項(xiàng)（長度可變）
（10）填充
3、TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
4、TCP超時(shí)重傳時(shí)間的選擇
（1）超時(shí)重傳時(shí)間RTO選擇
（2）計(jì)算超時(shí)重傳時(shí)間RTO的方法
?① RTTs加權(quán)平均往返時(shí)間
② RTTd偏差的加權(quán)平均
（3）誤差分析
5、TCP流量控制
6、TCP擁塞控制
（1）慢開始
（2）擁塞避免
（3）快重傳
（4）快恢復(fù)
7、TCP連接管理
（1）建立TCP連接
（2）釋放TCP連接
六、UDP和TCP比較?
七、TCP吞吐量
八、相關(guān)習(xí)題
一、多路復(fù)用和多路分解
1、運(yùn)輸層端口號(hào)
- 運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的進(jìn)程用進(jìn)程標(biāo)識(shí)符PID標(biāo)志
- 不同的操作系統(tǒng)（windows、Linux）用不同格式的PID
- TCP/IP體系的運(yùn)輸層用端口號(hào)來區(qū)分應(yīng)用層的不同進(jìn)程
端口號(hào)用16bit表示，取值范圍0~65535
- 熟知端口號(hào)【0~1023】
- 指派給重要應(yīng)用協(xié)議，例如：FTP——21/20，HTTP——80，DNS——53
- 登記端口號(hào)【1024~49151】
- 為沒有熟知端口號(hào)的應(yīng)用程序使用
- 短暫端口號(hào)【49152~65535】
- 留給客戶進(jìn)程選擇暫時(shí)使用
端口號(hào)只有本地意義，只是為了標(biāo)識(shí)本計(jì)算機(jī)應(yīng)用層的各進(jìn)程
2、概述
一個(gè)進(jìn)程對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)套接字
- 多路分解（接收端）：報(bào)文段→各套接字?將運(yùn)輸層報(bào)文段中的數(shù)據(jù)交付到正確的套接字的工作
- 多路復(fù)用（發(fā)送端）：各套接字→報(bào)文段 從不同套接字中收集數(shù)據(jù)塊，并在數(shù)據(jù)塊封裝上首部信息生成報(bào)文段，將這些報(bào)文段傳遞給網(wǎng)絡(luò)層
3、原理
?1、無連接的多路復(fù)用與多路分解 - UDP
UDP套接字用二元組標(biāo)識(shí)（目的IP地址，目的端口號(hào)）
如果兩個(gè)UDP報(bào)文段具有不同的源IP地址（或源端口號(hào)），但具有相同的目的ip地址和目的端口號(hào)，則這倆報(bào)文段將通過相同的目的套接字定向到相同的進(jìn)程
2、面向連接的多路復(fù)用與多路分解 - TCP
- 主機(jī)A的P1和主機(jī)B的P3除了源IP地址外均相同，主機(jī)C能準(zhǔn)確區(qū)分P1和P3
- 主機(jī)B的P2和P3除了源端口號(hào)外均相同，主機(jī)C能準(zhǔn)確區(qū)分P2和P3
TCP套接字用四元組標(biāo)識(shí)
（源IP地址 源端口號(hào) 目的IP地址 目的端口號(hào)）
兩個(gè)TCP報(bào)文段具有不同的源IP地址（或源端口號(hào)），將被定向到兩個(gè)不同的套接字
二、無連接運(yùn)輸——UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議
1、UDP概述
- UDP從應(yīng)用進(jìn)程得到數(shù)據(jù)，附加上用于多路復(fù)用/多路分解服務(wù)的【源、目的端口號(hào)】，將形成的報(bào)文段交給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將其封裝到IP數(shù)據(jù)報(bào)，然后將其交付給接收主機(jī)
- 當(dāng)報(bào)文段到達(dá)接收主機(jī)，UDP使用目的端口號(hào)將報(bào)文段的數(shù)據(jù)交給正確的進(jìn)程
- 在發(fā)送報(bào)文段之前，發(fā)送方和接收方運(yùn)輸層實(shí)體之間沒有握手，因此是無連接的
- DNS是一個(gè)通常使用UDP的應(yīng)用層協(xié)議的例子
- UDP段使用應(yīng)用層協(xié)議提供可靠性
2、UDP的優(yōu)點(diǎn)
- 無需建立連接 TCP需要三次握手，而UDP無須任何準(zhǔn)備直接可以傳輸數(shù)據(jù)
- 無需維護(hù)連接狀態(tài)
- 分組首部開銷小 每個(gè)TCP報(bào)文段有20字節(jié)的首部開銷，UDP只有8個(gè)字節(jié)的開銷
三、可靠數(shù)據(jù)傳輸原理
1、概述
注：本節(jié)研究藍(lán)框和綠框代表的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
（1）有限狀態(tài)機(jī)FSM
2、rdt1.0——可靠信道上的可信數(shù)據(jù)運(yùn)輸
- 假設(shè)：下層信道完全可靠：既不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤，也不會(huì)丟棄分組（理想狀態(tài)）
- 在發(fā)送方向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收方不必要向發(fā)送方反饋任何消息，因?yàn)榘l(fā)送方能100%確保數(shù)據(jù)可以正確無誤地發(fā)送到接收方
3、rdt2.0——產(chǎn)生位錯(cuò)誤的信道
- 假設(shè)：可能發(fā)生比特位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤：checksum 檢測比特位錯(cuò)誤（2.1，2.2都是這個(gè)錯(cuò)誤）
- ACKs（肯定確認(rèn)）：接收方告知發(fā)送方，分組已正確接收——停等協(xié)議
- NAKs（否定確認(rèn)）：接收方告知發(fā)送方，分組有錯(cuò)誤
- 當(dāng)發(fā)送方收到NAK，重傳數(shù)據(jù)包（pkt）——自動(dòng)重傳協(xié)議ARQ
rdt2.0缺點(diǎn)：
- 如果ACK/NAK出錯(cuò)，發(fā)送方不知道接收方出了什么情況
- 不能直接重傳，因?yàn)榭赡馨l(fā)生重復(fù)傳輸
- 發(fā)送方需要讓接收方知道自己發(fā)送的數(shù)據(jù)是新的還是舊的——在數(shù)據(jù)報(bào)添加順序號(hào)
4、rdt2.1——發(fā)送方處理錯(cuò)誤的ACK/NAK
給分組添加序列號(hào)
- 假設(shè)：ACK或NAK分組發(fā)生比特差錯(cuò)：如果發(fā)送方收到了含糊不清的ACK或NAK分組（發(fā)生比特差錯(cuò)）時(shí)，只需要重傳當(dāng)前分組既可。
- 然而這種方法會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：接收方不知道發(fā)送方是否正確地收到了ACK或NAK分組，因此接收方無法事先確認(rèn)它收到的是新的分組還是一次重傳。解決這個(gè)問題的簡單辦法就是讓發(fā)送方對其數(shù)據(jù)分組編號(hào)，并在分組中添加一個(gè)序號(hào)字段。這樣接收方就可以根據(jù)分組序號(hào)來判斷收到的是新的分組還是一次重傳。
發(fā)送方：
接收方：
5、rdt2.2——不需要NAK的協(xié)議
- 與rdt2.1類似，但只使用ACKs，給ACK加上順序號(hào)，不需要NACK
- 發(fā)送方收到重復(fù)的ACK，將進(jìn)行與接收NAK后一樣的動(dòng)作：重傳數(shù)據(jù)報(bào)
6、rdt3.0—— 比特差錯(cuò)和丟包的信道、比特交替協(xié)議
- 假設(shè)：既會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)，又會(huì)產(chǎn)生分組丟失
- 對于分組丟失：發(fā)送方發(fā)送一個(gè)分組時(shí)啟動(dòng)一個(gè)倒計(jì)數(shù)定時(shí)器，如果在倒計(jì)數(shù)定時(shí)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束之前收到了ACK響應(yīng)，則中斷定時(shí)器，進(jìn)入準(zhǔn)備接收來自上層的下一次調(diào)用。如果倒計(jì)數(shù)定時(shí)器超時(shí)，則發(fā)送方認(rèn)為分組丟失，向接收方重傳該分組，并且重新啟動(dòng)定時(shí)器
注：
- 定時(shí)器超時(shí)有以下三種可能：數(shù)據(jù)分組確實(shí)丟失、ACK丟失、過度時(shí)延（發(fā)送方與接收方之間的一個(gè)往返時(shí)延大于倒計(jì)數(shù)定時(shí)器）
- 重傳在發(fā)送方到接收方的信道中引入了冗余數(shù)據(jù)分組，但是rdt3.0是基于rdt2.2的，rdt2.2可以處理冗余數(shù)據(jù)分組，因此rdt3.0也可以處理冗余數(shù)據(jù)分組
四、流水線可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
1、流水線技術(shù)
?
- 必須增加序號(hào)范圍。因?yàn)槊總€(gè)輸送中的分組(不計(jì)算重傳的)?必須有一個(gè)唯一的序號(hào)，?而且也許有多個(gè)在輸送中的未確認(rèn)報(bào)文。
- 發(fā)送方和接收方需要緩存多個(gè)分組。發(fā)送方最低限度應(yīng)當(dāng)能緩沖那些已發(fā)送但沒有確認(rèn)的分組。接收方或許也需要緩存那些已正確接收的分組。
- 所需序號(hào)范圍和對緩沖的要求取決于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如何處理丟失、損壞及延時(shí)過大的分組。
解決流水線的差錯(cuò)恢復(fù)有兩種基本方法：?
- 回退N步(Go-Back-N，GBN)?
- 選擇重傳(Selective?Repeat,?SR)
2、回退N步協(xié)議GBN
GBN協(xié)議：允許發(fā)送方發(fā)送多個(gè)分組而不需等待確認(rèn)，但它也受限于在流水線中未確認(rèn)的分組數(shù)不能超過某個(gè)最大允許數(shù)N，接收方丟棄所有失序分組?
- 上圖給出窗口長度N=4的GBN協(xié)議運(yùn)行情況，發(fā)送方先發(fā)送分組0~3，在繼續(xù)發(fā)送前，必須等待直到一個(gè)或多個(gè)分組被確認(rèn)
- 當(dāng)收到每一個(gè)連續(xù)的ACK（ACK0-ACK1），窗口向前滑動(dòng)，可以發(fā)分組4、5
- 因?yàn)榉纸M2丟失，則接收方丟棄失序分組3、4、5
GBN缺點(diǎn)：一旦超時(shí)，會(huì)有許多不必要重傳的分組被重新傳送，尤其是當(dāng)窗口長度N很大時(shí)，隨著差錯(cuò)率的提升，信道中會(huì)充斥著不必要重傳的分組
3、選擇重傳
SR協(xié)議：讓發(fā)送方僅重傳那些它懷疑在接收方出錯(cuò)（丟失或受損）的分組從而避免不必要的重傳，失序分組將被接收方緩存
五、面向連接的傳輸——TCP傳輸控制協(xié)議
1、TCP概述
- 點(diǎn)對點(diǎn)通信：發(fā)送者→接受者
- 全雙工：可以同時(shí)雙向傳輸數(shù)據(jù)（全雙工——電話，半雙工——對講機(jī)）
- 面向連接：通信前雙方先握手（交換控制報(bào)文），建立數(shù)據(jù)傳輸所需狀態(tài)（套接字、緩存、變量）
- 可靠、有序的字節(jié)流：不保留報(bào)文邊界
- 流水線
2、TCP報(bào)文段結(jié)構(gòu)?
（1）端口號(hào)
- 源端口號(hào)：16bit，發(fā)送方
- 目的端口號(hào)：16bit，接收方
（2）序號(hào)和確認(rèn)號(hào)
- 序號(hào)：32bit 指出本TCP報(bào)文段數(shù)據(jù)載荷的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)
- 確認(rèn)序號(hào)ack：指出期望收到對方下一個(gè)TCP報(bào)文段數(shù)據(jù)載荷的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)，也是對之前收到的所有數(shù)據(jù)的確認(rèn)
- （若確認(rèn)號(hào)=n，說明到序號(hào)n-1為止所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)正確接收，期望收到序號(hào)為n的數(shù)據(jù)）
- 只有當(dāng)ACK位取值為1時(shí)，確認(rèn)序號(hào)段才有效，TCP規(guī)定在連接建立后所有傳送的TCP報(bào)文段都必須把ACK置1
（3）數(shù)據(jù)偏移
- 數(shù)據(jù)偏移占4bit，以4B字節(jié)為單位
- 指出【TCP報(bào)文段的數(shù)據(jù)載荷部分的起始】距離【TCP報(bào)文段的起始處】有多遠(yuǎn)
實(shí)際上指出TCP報(bào)文段的首部長度
- 首部固定長度為20字節(jié)（5個(gè)單位），因此數(shù)據(jù)偏移字段的最小值為0101
- 首部最大長度為60字節(jié)（15個(gè)單位），因此數(shù)據(jù)偏移字段最大值為1111
- 設(shè)數(shù)據(jù)偏移=0101，則偏移值為5，5×4=20字節(jié)，即首部長度=20字節(jié)
（4）保留
- 占6bit，保留為今后使用，目前置為0
（5）窗口rwnd
- 占16bit，以字節(jié)為單位
- 指出發(fā)送本報(bào)文段一方的接收窗口
- 本報(bào)文【接收方】按照本報(bào)文【發(fā)送方的報(bào)文的窗口值】來設(shè)置自己的窗口值
- 以接收方的接收能力來控制發(fā)送方的發(fā)送能力，稱為流量控制
（6）校驗(yàn)和
- 占16bit
- 檢查范圍：TCP報(bào)文段首部 + 數(shù)據(jù)載荷
（7）標(biāo)志位
① 緊急標(biāo)志位URG
- URG=1時(shí)，緊急指針字段有效，URG=0時(shí)，緊急指針字段無效
- 當(dāng)發(fā)送方有緊急數(shù)據(jù)時(shí)，可以將緊急數(shù)據(jù)插隊(duì)到發(fā)送緩存的最前面，并立刻封裝到報(bào)文段發(fā)送
② 推送標(biāo)志位PSH
- 盡快上交應(yīng)用進(jìn)程，不必等到接收緩存都填滿再向上交付
③ 復(fù)位標(biāo)志位RST
- 復(fù)位TCP連接
- 當(dāng)RST=1時(shí)，表明TCP連接出現(xiàn)異常，必須釋放連接，再重新建立連接
- 用于拒絕一個(gè)非法報(bào)文段或拒絕打開一個(gè)TCP連接
④ 同步標(biāo)志位SYN
- 在TCP連接建立時(shí)用于同步序號(hào)
⑤ 終止標(biāo)志位FIN
- 用來釋放TCP連接
（8）緊急指針
占16bit，指明緊急數(shù)據(jù)的長度
（9）選項(xiàng)（長度可變）
- 最大報(bào)文段長度MSS選項(xiàng)：TCP報(bào)文段數(shù)據(jù)載荷部分的最大長度
- 窗口擴(kuò)大選項(xiàng)：擴(kuò)大窗口，提高吞吐率
- 時(shí)間戳選項(xiàng)：用于計(jì)算往返時(shí)間RTT，用于處理序號(hào)超范圍的情況（防止序號(hào)繞回PAWS）
（10）填充
因?yàn)檫x項(xiàng)長度可變，所以要用填充確保報(bào)文段首部能被4整除
3、TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
5.7 TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)_嗶哩嗶哩_bilibili
TCP基于以字節(jié)為單位的滑動(dòng)窗口來實(shí)現(xiàn)可靠傳輸
用SR選擇重傳協(xié)議——將失序分組保存在緩存中
?相關(guān)題目：
4、TCP超時(shí)重傳時(shí)間的選擇
（1）超時(shí)重傳時(shí)間RTO選擇
- 如果超時(shí)重傳時(shí)間RTO < 往返時(shí)間RTT——引起報(bào)文段不必要的重傳，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大
- 如果超時(shí)重傳時(shí)間RTO >> 往返時(shí)間RTT——網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間增大，降低傳輸效率
?綜上：RTO應(yīng)該設(shè)置為略大于RTT的值
（2）計(jì)算超時(shí)重傳時(shí)間RTO的方法
?
?① RTTs加權(quán)平均往返時(shí)間
② RTTd偏差的加權(quán)平均
出現(xiàn)超時(shí)重傳，新的RTO=2倍舊RTO
（3）誤差分析
5、TCP流量控制
5.4 TCP的流量控制_嗶哩嗶哩_bilibili
流量控制：讓發(fā)送方的發(fā)生速率不要太快，要讓接收方來得及接收，利用調(diào)整滑動(dòng)窗口長度的機(jī)制
收到確認(rèn)后，先滑動(dòng)窗口，再流量控制（改變窗口大?。?/span>
?
?
?相關(guān)習(xí)題：
6、TCP擁塞控制
5.5 TCP的擁塞控制_嗶哩嗶哩_bilibili
擁塞：對網(wǎng)絡(luò)的某一資源需求超過該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)性能就會(huì)變壞
發(fā)送方維護(hù)一個(gè)擁塞窗口cwnd的狀態(tài)變量：?其值取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)變化
擁塞窗口cwnd的維護(hù)原則：
- 只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些
- 但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減少一些
判斷出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的依據(jù)：?沒有按時(shí)收到應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)的確認(rèn)報(bào)文?(即發(fā)生超時(shí)重傳)
發(fā)送方將擁塞窗口作為發(fā)送窗口swnd，即swnd?=?cwnd
維護(hù)一個(gè)慢開始門限sshresh狀態(tài)變量：
- 當(dāng)cwnd?<?sshresh時(shí),使用慢開始算法
- 當(dāng)cwnd?>?sshresh時(shí)，停止使用慢開始算法而改用擁塞避免算法
- 當(dāng)cwnd?=?sshresh時(shí)，既可使用慢開始算法，也可使用擁塞避免算法
（1）慢開始
- 擁塞窗口cwnd是x，就可以發(fā)生x個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段
- 如果接收方返回已傳數(shù)據(jù)報(bào)個(gè)數(shù)m的確認(rèn)報(bào)文段，則擁塞窗口cwnd=cwnd+m
- 當(dāng)擁塞窗口值達(dá)到sshresh（慢開始門限），則進(jìn)入擁塞避免算法
（2）擁塞避免
擁塞窗口只能+1，即cwnd=cwnd+1
假設(shè)報(bào)文段發(fā)生丟失，則發(fā)送方會(huì)對這些丟失報(bào)文段超時(shí)重傳，則判斷出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞
- 將【慢開始門限值】更新為【發(fā)生擁塞時(shí)擁塞窗口的一半】
- 將擁塞窗口減少為1，并重新開始慢開始算法
（3）快重傳
快重傳：使發(fā)送方盡快進(jìn)行重傳，而不是等超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳
- 要求接收方不要等待自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行捎帶確認(rèn)，?而是要立即發(fā)送確認(rèn)
- 即使收到了失序的報(bào)文段也要立即發(fā)出對已收到的報(bào)文段的重復(fù)確認(rèn)
- 發(fā)送方一旦收到3個(gè)連續(xù)的重復(fù)確認(rèn)，?就將相應(yīng)的報(bào)文段立即重傳，?而不是等該報(bào)文段的超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳
- 對于個(gè)別丟失的報(bào)文段，發(fā)送方不會(huì)出現(xiàn)超時(shí)重傳，也就不會(huì)誤認(rèn)為出現(xiàn)了擁塞?(進(jìn)而降低擁塞窗口cwnd為1) ，使快重傳可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高約20%
（4）快恢復(fù)
發(fā)送方一旦收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)，知道只是丟了個(gè)別報(bào)文段，不啟動(dòng)慢啟動(dòng)算法，執(zhí)行快恢復(fù)算法
慢開始門限和擁塞窗口值cwnd=當(dāng)前窗口的一半，執(zhí)行擁塞避免算法
?
7、TCP連接管理
TCP是面向連接的協(xié)議，基于運(yùn)輸連接來傳輸TCP報(bào)文段
（1）建立TCP連接
三報(bào)文握手目的：建立可靠傳輸，確保數(shù)據(jù)丟失后可以恢復(fù)
?相關(guān)習(xí)題：
?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-507756.html
（2）釋放TCP連接
四報(bào)文揮手
六、UDP和TCP比較?
七、TCP吞吐量
一條鏈路的平均吞吐量 = 最大段長度MSS × 最大場口尺寸W /?RTT
八、相關(guān)習(xí)題
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文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-507756.html
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