计算机网络-传输层

• 传输层概述与UDP 需求/服务/协议、多路复用/分解、UDP协议
• 可靠传输 可靠传输基础知识、TCP可靠传输
• TCP 报文段结构、超时间隔、流量控制、连接管理
• TCP拥塞控制 网络拥塞、TCP拥塞控制、吞吐量分析

传输层概述

可靠传输

GBN(Go-Back-N)

发送方

• 初始化一个大小为 N 的滚动窗口,其中 base 表示窗口的起始序号,nextSeqNum 表示下一个要发送的序号。
• 发送窗口内的数据包,并更新 nextSeqNum。
• 当 nextSeqNum 达到 base + N 时,开启定时器。
• 收到 ACK 时,更新 base 并重启定时器。
• 如果定时器超时,从 base 重新发送整个窗口内的数据包。
• 可以采用累积确认的方式,即收到序号为 n 的 ACK 时,表示已正确接收到序号小于等于 n 的所有数据包,此时更新 expectedSeqNum 为 n+1。

接收方

• 定义一个期望的序号 expectedSeqNum。
• 收到数据包时,检查其序号是否等于 expectedSeqNum,如果是,则接收并发送 ACK,同时 expectedSeqNum++，如果不是仍然发送带有expectedSeqNum的ACK，这是为了告诉发送方目前期待的包序号为expectedSeqNum
• 如果序号不等于 expectedSeqNum,则丢弃该数据包。 回退N步就体现在，当有接受方的ACK丢失时，发送方就重新发送[base, base + N]的包

选择重传

思路相对简单 发送方将数据全部发送，然后打开定时器并记录接收方发送的ACK 接收方接收到数据，发送对应的ACK，否则就不发送，等待发送方的计时器结束

TCP

流程

利用了校验和、确认、序号、定时器、流水线等 技术 序号：基于字节流，报文段数据首字节的字节流 编号 确认号：已确认的最大序号加一，含义是：期望 从对方收到的下一个字节的序号 确认机制：累积确认（类似回退N步） 重传：只重传丢失或损坏的分组（类似选择重传） 快速重传：连续发送三个相同序号的ACK 定时器：针对窗口中最早未确认的分组 是回退N步和选择重传的混合体

一个包丢失的情况

sequenceDiagram
    participant Sender as 发送方
    participant Receiver as 接收方

    Sender->>Receiver: seq = 92
    Sender->>Receiver: seq = 100 传输失败
    Receiver-->>Sender: ack = 100
	Sender->>Sender: 开启定时器
    Sender->>Receiver: seq = 100, 8bytes
    Receiver-->>Sender: ack = 108

建立连接(三次握手)

目的：

• 使双方知道对方的存在
• 协商参数（rwnd） 握手的关键字段是SYN

1. 第一次握手(C->S)：
   • 客户端选择一个初始序列号x，并发送一个SYN（Synchronize）报文给服务器。 SYN=1，seq=x
2. 第二次握手(S->C)：
   • 服务器收到SYN报文后，选择一个初始序列号y，并发送一个SYN=1报文给客户端。SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1
3. 第三次握手(C->S)：
   • 客户端收到SYN报文后，发送一个ACK=1报文给服务器，确认号seq=y+1，表示确认收到服务器的SYNACK报文，连接建立完成。 ACK=1，ack=y+1

sequenceDiagram
    participant Client as 客户端
    participant Server as 服务器

    Client->>Server: SYN位=1, seq=x
    Note right of Client: 选择初始序号x，发送SYN报文
    Server-->>Client: SYN位=1, seq=y
ACK位=1, ack=x+1
    Note left of Server: 选择初始序号y，发送SYNACK报文，确认SYN报文
    Client->>Server: ACK位=1, ack=y+1
    Note right of Client: 接收报文SYNACK(x+1)
说明服务器正在运行
发送ACK以确认SYNACK
    Note left of Server: 接收ACK(y+1)
说明客户端还在运行

握手过程中，客户端仅仅消耗一个序号 三次握手B站视频

• 第三次握手是否多余？ 如果没有第三次握手，客户端在网络不畅的情况下发送建立连接的请求，没有相应后会发起第二次请求，传输完成后，第一次请求如果被服务端接收，因为客户端已经无意建立连接，服务器发送的建立连接请求会被忽略，从而导致服务端一直挂起，产生了不必要开销

断开连接(四次挥手)

挥手的关键字段是FIN

1. 第一次挥手(C-S)：客户端发送一个FIN（终止）报文，序列号为u，表示它已经没有数据要发送了。 FIN=1, ACK=1, seq=u, ack=v

2. 第二次挥手(S-C)：服务器收到FIN报文后，发送一个ACK报文，确认号为u+1，表示它收到了客户端的FIN报文。 ACK=1, ack=u+1, seq=v

3. 第三次挥手(S-C)：服务器发送一个FIN报文，序列号为v，表示它也没有数据要发送了。 FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1

4. 第四次挥手(C-S)：客户端收到服务器的FIN报文后，发送一个ACK报文，确认号为v+1，表示它收到了服务器的FIN报文。此时，连接正式关闭。 ACK=1, ack=w+1 seq=u+1 第二次和第三次挥手之间，服务端可能还会传输数据，大小为w-v 第三次挥手之后，客户端需要等待一段时间(两倍的MSL (Maximum Segment Lifetime)) 防止第三次报文丢失 导致服务端无法结束连接

sequenceDiagram
    participant Client as 客户端
    participant Server as 服务器

    Client->>Server:    FIN=1, ACK=1, seq=u, ack=v
    Note right of Client: 客户端发送FIN报文，表示没有数据要发送了
    Server-->>Client: 	ACK=1, ack=u+1, seq=v
    Note left of Server: 服务器确认FIN报文
    Server->>Client:     FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1
    Note left of Server: 服务器发送FIN报文，表示没有数据要发送了
    Client-->>Server:     ACK=1, ack=w+1 seq=u+1
    Note right of Client: 客户端确认FIN报文

四次挥手B站视频

![[TCP练习.png]]

CLOSE-WAIT 状态有什么意义？

服务端收到客户端关闭连接的请求并确认之后，就会进入 CLOSE-WAIT 状态。此时服务端可能还有一些数据没有传输完成，因此不能立即关闭连接，而 CLOSE-WAIT 状态就是为了保证服务端在关闭连接之前将待发送的数据处理完。

TIME-WAIT 有什么意义？

TIME-WAIT 状态发生在第四次挥手，当客户端向服务端发送 ACK 确认报文后进入 TIME-WAIT 状态。

• 防⽌旧连接的数据包 如果客户端收到服务端的 FIN 报文之后立即关闭连接，但是此时服务端对应的端口并没有关闭，如果客户端在相同端口建立新的连接，可能会导致新连接收到旧连接残留的数据包，导致不可预料的异常发生。
• 保证连接正确关闭 假设客户端最后一次发送的 ACK 包在传输的时候丢失了，由于 TCP 协议的超时重传机制，服务端将重发 FIN 报文，如果客户端没有维持 TIME-WAIT 状态而直接关闭的话，当收到服务端重新发送的 FIN 包时，客户端就会使用 RST 包来响应服务端，导致服务端以为有错误发生，然而实际关闭连接过程是正常的。

流量控制

接受方希望可以控制发送方的发送速度 TCP 使用滑动窗口机制来实现流量控制

1. 接收方告知发送方自己的接收窗口大小(rwnd, Receive Window)
2. 发送方发送数据时,只能发送窗口内的数据
3. 每收到一个确认(ACK),发送窗口就向前滑动到ACK的序号位 发送多少要取min(rwnd, 拥塞窗口大小) 已发送未确认（没有收到对应ACK）的字节数 <= rwnd 即 LastByteSent – LastByteAcked <= rwnd 流量控制B站视频

拥塞控制

慢启动阈值（Slow-Start Threshold）当出现超时时，sst变为原始的一半 MSS （Maximum Segment Size 最大分段大小）MSS 的主要作用是限制每个 TCP 段中所包含的用户数据的大小，从而避免在网络传输过程中因为过大的数据段导致的分片（fragmentation）问题。

• 如何增加cwnd（Congestion Window 拥塞窗口）？ 线性增加(拥塞避免)： 每个RTT增加一个MSS 增长速度慢，但一旦发生拥塞损失小 指数增加(慢启动)： 每个RTT增加一倍MSS 增长速度快，但一旦发生拥塞损失大 最好先指数增加，超过一定阈值以后线性增加
• 丢包时，如何降低cwnd？ 定时器超时 说明拥塞 将cwnd降为初始值，进入慢启动（指数增长）阶段
• 收到3个冗余ACK 虽然某个分组丢失了，但有些分组被收到了，说明拥塞 不是很严重 将cwnd减半，进入拥塞避免（线性增长）阶段 ![[拥塞控制.png|500]]

吞吐量分析

因为网络原因，有效吞吐量和理想的吞吐量指之间因为有网络延迟而不同 $\text{有效吞吐量}=\frac{数据量W}{\frac{数据量W}{理想链路速率}*RTT}$