《计算机网络》学习总结----第五章-传输层
《计算机网络》学习总结----第五章-传输层
协议介绍：
应用层 http https ftp DNS STMP PoP3 RDP
传输层 TCP UDP
网络层 IP（RIP OSPF BGP） ICMP IGMP ARP/RARP
传输层与应用层之间关系
http=TCP+80端口
https=TCP+443
ftp=TCP+21 文件传输
SMTP=TCP+25 发送邮件
PoP3=TCP+110 接收邮件
RDP=TCP+3389 远程桌面端口
共享文件夹=TCP+445
SQL=TCP+1433
DNS=UDP+53 or TCP+53（少）
应用层协议与服务之间关系
服务运行后在TCP或UDP的某个端口侦听客户端请求。（此处服务计算机指对外服务）
IP地址定位计算机，端口定位服务。
查看自己计算机侦听的端口： netstat -an
测试原处计算机打开的端口： telnet x.x.x.x x
更改端口可增加服务器安全，但发出访问请求的客户端也需要更改端口才可正常访问。
通过TCP/IP筛选实现服务器安全。端口的开放与关闭。在服务器只开通必要的端口，保证安全性。
Windows防火墙的作用：主动进来的通信直接拦截，可以主动出去通信。但控制不了木马程序。
传输层两个协议
传输层为相互通信的应用进程提供逻辑通信。
IP协议作用范围：提供主机之间逻辑通信。
TCP和UDP协议作用范围：提供进程之间逻辑通信。
协议标志：TCP 6 UDP 17
传输层端口： 端口用一个16位端口号进行标志。
端口号：0655361023
熟知端口：0
登记端口号：数值为10244915165536
客户端口号：数值为49152
两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)。
TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段 (segment)。
UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。
UDP
（不可靠传输）一个数据报一次就能完成数据通信；不分段 ，不建立会话；；例： qq文字聊天、多播发布
面向无连接的传输层协议，尽最大努力交付。
面向报文，没有拥塞，适合多媒体通信。
支持一对一、一对多、多对一、多对多通信。
首部开销小，只有8字节
UDP首部格式：单位：字节
UDP长度不包括伪首部。
TCP
（可靠传输） 分段 编号 流量控制 建立会话 netstat -n 例：qq传文件、网站
特点：
面向连接的传输层协议，即三次握手确定网络通信正常才可以进行的协议；
每条TCP连接只能有两个端点。只能点对点传输，每条TCP连接唯一的被通信两端的两端点（套接字）确定。
TCP连接的端口称为套接字socket=（IP地址：端口号）。TCP连接::={socket1,socket2}={(IP1:port1),(IP2:port2)}
全双工通信。
面向字节流传输方式。
TCP面向流的概念，分段传输方式。
TCP报文段首部格式
序号为x：代表分段发送中的数据段的第一个字节是整个文件的第x个字节。32位
确认号x：代表接收方确认时，下一次发送的数据段的第一个字节应该是整个文件的第x个字节。32位
数据偏移：通告TCP报文段第多少字节后就是 数据。其内单位1代表4字节。4位。 （表明可变长度最长可占40字节）
标志位：均为1位。
URG =1---紧急指针，不排队，优先发；
ACK =1---确认指针，确认号生效；
SYN =1---同步指针，表示请求建立会话或请求接受报文。//当ACK=0.SYN=1为发送会话请求；ACK=1，SYN=1为同意建立会话。
PSH =1---推送指针，在接收端优先直接提交此数据端。
RST =1---复位指针，连接出现严重异常，释放连接并重新建立连接。
FIN =1---终止指针，释放连接，表明报文段发送端数据已发送完毕，此时要求释放传输连接。
窗口：
检验和：
紧急指针：URG=1时，其内内容才起作用。紧急指针表明了紧急数据内容结束的位置。
抓包分析：TCP传输过程
TCP可靠传输实现
1.如何实现可靠传输
可靠传输的工作原理---停止等待协议：
采用了确认和重传机制，保证可靠传输。此机制也称为自动重传请求ARQ。重传请求ARQ是自动进行。
优点简单，缺点信道利用率太低；
为提高利用率，（流水线传输）发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停止等待。发送方维持发送窗口。接收方累积确认。
具体实现方式：
以字节位单位的滑动窗口技术实现可靠传输技术。
在缓存中，采用滑动窗口技术，数据报确认并交付主句，则窗口向前滑动。
发送端缓存存放的是：已发送但未收到确认报的数据，待发送数据。
接收端缓存存放的是：已接收的按序到达但未被上层应用读取的数据，未按序到达的数据。
超时重传时间的选择：TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置计时器，计时时间后未收到确认，则重发。
加权平均往返时间RTTs，平滑往返时间。
TCP 报文段的首部中都增加了 SACK（选择确认 select ACK） 选项，接收方收到了和前面的字节流不连续的两个字节块时，以便报告收到的不连续的字节块的边界。此操作需双方建立连接时加上“允许 SACK”的选项。
TCP的流量控制
2.如何实现流量控制通过一个rwnd接收窗口控制每次传送的字节数，滑动窗口机制。
rwnd 接收窗口（receive window） 代表每次接收窗口的字节数。每次通信接收端会发送窗口值（大小可变）。发送会与接收匹配。为保证缓存空间足够。
为避免丢失造成通信终止，发送端也会发送测试，确定窗口大小（字节数值）。
流量控制目的：让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收，且不发生网络拥塞。
流量控制举例：
流量控制是在给定发送端与接收端之间点对点通信量的控制。目的为抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来的及接受。
TCP的拥塞控制
网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，甚至死锁。
3.如何避免网络拥塞
出现资源拥塞的条件：对资源需求综合>可以资源
拥塞控制是一个全局性过程，涉及所有主机、路由器，以及降低网络传输性能有关的所有因素。
发送方维持拥塞窗口 cwnd (congestion window)的状态变量。动态可变，取决于拥塞程度。
控制cwnd的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。
慢开始算法和拥塞避免算法的原理：
拥塞窗口开始采用“慢开始”算法从1开始数量以2倍的增长；到达慢开始门限时，采用“拥塞避免”算法以窗口依次加1；当出现网络拥塞时，开始丢包，用“乘法减半”算法重设慢开始门限；再执行慢开始算法，继续传输。
“拥塞避免”并不能完全避免拥塞，指的是在拥塞避免节点把拥塞窗口控制为线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。
“乘法减半”算法：慢开始门限值ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以0.5
快重传和快恢复
在接收端在发现因拥塞丢包，收到失序的报文段时，立刻发送3次相同的确认，让发送端重新发送。
若发送端接受到确认报，则说明，还未完全拥塞，转入“拥塞避免”。“乘法减半”算法，确定慢开始门限。但要使用快恢复算法，降低拥塞窗口，cwnd从新的慢开始门限开始，缓慢地线性增大。
发送窗口的实际上限值=Min [ rwnd , cwnd ]；
当rwnd > cwnd ；网络拥塞限制了发送窗口最大值
当rwnd < cwnd ；接收端的接收能力限制了发送窗口最大值
TCP的运输连接管理
传输连接三个阶段：建立连接、数据传输、连接释放。
连接建立过程要解决：
1.要使每一方能够确知对方的存在。
2.要允许双方协商一些参数（如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等）。
3.要能够对运输实体资源（如缓存大小，连接表中的项目等）进行分配。
TCP连接的建立采用 客户服务器方式
客户client：主动发起连接建立的应用进程。
服务器server：被动等待连接建立的应用进程。
三次握手建立TCP连接（高频考点）
三次握手
第一次A--->B：客户A主动发送 连接请求的报文段 至服务器B。SYN=1，代表请求建立会话；seq=x，同时序号=x代表数据段的第一个字节是整个文件的第x个字节。A进入SYN_SENT状态。
第二次B--->A：服务器B接收到 连接请求 后发出回应。同意则发送 同意连接请求 至A。同步位SYN=1，代表同意建立会话；ACK=1，表明确认字节段生效；seq=y，同时序号=y代表发送的数据段的第一个字节是整个文件的第y个字节；ack=x+1，代表确认收到上一数据段。A的TCP通知上层应用进程，连接已建立。B进入SYN_RECV状态。
第一次A--->B：客户A收到B回复后。发送 回复报文段 至服务器B。SYN=0，会话已建立，归0；ACK=1，表明确认字节段生效；seq=x+1，代表发出 的数据段的第一个字节是x+1，即B发送的确认号。ack=y+1，代表确认收到B数据段。B的TCP通知上层应用进程，连接已建立。
A发送后进入ESTAB-LISHED状态。B接收后进入ESTAB-LISHED状态。
TCP建立连接的各状态
为什么建立会话请求后 还需客户机向服务器发送确认？
考虑这样一种情况，若A向B发出连接建立请求，由于网络堵塞延迟到达B。在延迟到达期间，A由于超时便进行重发，此时，B便和A建立起了TCP连接，完成数据传送。当延迟的建立请求最终到达B时，便需要再建立一次TCP连接，由于这时候A并没有发出数据，B却一直在等待A发来数据，B的资源就这样浪费了。
TCP连接释放
四次挥手
第一次A--->B：传输结束后，客户机A的应用进程表示要释放连接，TCP发出 释放连接报文段 至服务器B，并主动关闭TCP连接。FIN=1，代表释放连接；序号seq=u，发送一个数据等待B的确认。A处于 等待释放1——FIN-WAIT1状态。
第二次B--->A： 服务器B收到 释放连接报文段后，向A发送 确认收到 报文段。ACK=1，代表确认号生效；seq=v，代表发送数据的序号；ack=u+1，代表确认已收到释放连接的报文段。服务器B的TCP通知上层应用进程即将关闭连接。A到B连接释放。但B依然可连接A；若B还有数据发送，A仍要接收。B处于等待关闭——CLOSE-WAIT状态，A接收到此报文段后处于 等待释放2——FIN-WAIT2状态.
第三次B--->A： 服务器B向A的数据传送完成，B则向A发送 释放连接 报文段。FIN=1，代表释放连接；ACK=1，代表确认号生效；seq=w，发送一个数据等待A的确认；ack=u+1，表明确认已收到A释放连接的报文段。B处于最后确认——LAST-ACK状态；
第四次A--->B：客户端A收到B的报文段，发送确认报文段 至B；ACK=1，代表确认号生效；seq=u+1，代表发送数据序号；ack=w+1，代表确认收到了B的释放连接报文段。TCP 连接必须经过时间2MSL 后才真正释放掉，此时A处于计时等待——TIME-WAIT状态；当B收到时，关闭连接。计时结束后A关闭连接。
TCP连接必须经过时间2MSL后才真正释放掉。MSL：Maximum Segment Lifetime报文最大生存时间
1.保证A发送的最后一个报文能到达B，因为若没到达也不重传，A关闭了，B则无法关闭。
2.防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接。2MSL时间可以使本连接持续的时间内产生的报文段都从网络消失。
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