计算机网络：运输层

基本概念

运输层负责将应用层的报文(message)，切分为多份并分别打包成报文段(segment)，然后传递给网路层。TCP和UDP即为运输层协议。

网络层协议为IP，服务方式为尽力而为，但不保证任何东西。

多路

由于一台主机上会有多个进程使用socket，所以要思考怎么实现正确的包装和交付。

多路分解

segment中有几个字段，接收端的运输层检查这些字段，识别出socket并将数据交付到达该socket。

多路复用

从主机的不同socket收集数据块，并为每个数据块封装上首部的信息，生成segment，再将其传递到网络层。

实现

segment：

<-------------------32bit-------------------->
[source_port_number | destination_port_number]
[other_header]
[data]

UDP

为什么会选择udp？

• 因为udp本身对数据没什么控制，与tcp不同。应用层可以更精细地控制
• 无需连接时间
• 无连接状态
• 首部开销小

像视频通话、电话这种可以容忍丢包的应用，使用udp会更合适

udp的segment：

<---------32bits--------->
[source_port | desti_port]
[  length    |  checksum ]
[         data           ]

通过校验和(checksum)，udp在运输层提供差错检测，但无法恢复差错，只能丢弃问题的segment并发出警告。

TCP

可以先去看看后面的可靠数据传输原理。

客户与服务器的TCP连接需要三次握手(three-way handshake)。用户通过socket将数据传递，接着数据被TCP控制，存到发送缓存(send buffer)中。

TCP报文结构

其报文结构如下：

• Sequence number 即为segment的序列号
• acknowledgment number 即为segment的确认号

  主机A填充进segment的确认号是主机A期望从主机B收到的下一字节的序号。

• Header length 用来表示报文头部的长度，当 Options 为空时，长度为20。
• Flag field 包含6个bit。其中 ACK bit 表示应答客户端是否成功接收，RST，SYN，FIN 用于连接设置。
• Receive window 用于流控制。

传输机制

TCP采用超时重传机制。需要有往返时间估计的方法。

RTT：TCP会在某个时刻通过发送样本RTT来测量往返时间。对于一个新测出来的RTT，会通过加权平均以前RTT的估计值和现在的RTT来更新现在RTT的估计值，再用DevRTT计算出超时间隔。

除了rbt3.0实现的基本功能外，大部分TCP还会进行以下的修改：

• 超时间隔加倍：实现了一定程度的拥塞控制。当发生超时时，有可能是路径上有过多的packet，而此时按照原来的超时间隔重发，可能会加剧拥塞
• 快速重传：当接收方收到一个序号大于预期的segment，说明发生丢包，接收方会向发送方产生一个冗余ACK(duplicate ACK)。如果发送方收到相同数据的3个冗余ACK，会将它作为丢包的指示，执行快速重传。

TCP还提供流量控制服务(flow-control service)，注意其与拥塞控制(congestion control)不同。前者本质是一个速度匹配服务，即使发送方的发送速率与接收方的读取速率相同。后者是因为ip网络的拥塞，而遏制发送方。

TCP三次握手具体实现

• 第一步：发送SYN segment，在首部的SYN比特被置为1，序号字段为client_isn（客户随机选择的初始序号）。
• 第二步：服务器收到SYN sesgment，为该tcp连接分配tcp缓存和变量（可能导致洪泛攻击），向客户端发送允许连接的SYNACK segment，该segment的SYN bit被设为1，确认号字段被设为client_isn+1，序号字段被设为server_isn。
• 第三步：客户收到SYNACK segment，为该连接分配缓存和变量，发送segment，其确认字段被设为server_isn+1，SYN bit设为0，并且可以负载需要传输的数据。

TCP结束连接

当客户进程发出关闭连接的命令，用户的TCP发出一个FIN bit为1的segment，服务器接收到后发送ACK，接着也发送一个FIN bit为1的segment，最后客户接收并发送ACK，即完成全部连接资源的释放。

TCP拥塞控制

TCP的拥塞控制机制需要额外跟踪一个变量，即拥塞窗口，用cwnd表示。假设TCP接收缓存足够大，即不会出现接收窗口大小限制发送速率，只考虑cwnd的限制。此时发送速率为cwnd/RTT byte/s

TCP感知出现拥塞：出现超时/收到3个冗余ACK

TCP拥塞控制算法

慢启动

TCP连接开始时，cwnd的值设为一个MSS，即发送速率为MSS/RTT，每当传输的segment都被确认，cwnd的大小加一倍。所以其实传输速率为指数增长，并不慢！

如果存在超时导致的丢包，则发送方将cwnd设为1并重新开始，将慢启动阈值(ssthresh)设为开始拥塞时的cwnd的一半。

当重新启动时，可能超过/到达ssthresh，会结束慢启动模式，转到拥塞避免模式，更谨慎地增加cwnd

如果检测到3个冗余ACK，TCP执行快速重传并进入快速恢复模式。

拥塞避免模式

每个RTT只将cwnd的值加一个MSS，实现线性增长。结束增长和慢启动一样。不同的是，检测到3个冗余时，cwnd变为一半，将ssthresh记录为cwnd值的一半。

快速恢复

对于引起TCP进入快速恢复状态的缺失segment，对于每个冗余ACKcwnd的值增加一个MSS。出现超时则和慢启动和拥塞避免一样。

可靠数据传输原理

构造可靠数据传输协议

这里的实现比较复杂，通过rdt(reliable data transfer)协议3.0来体会各个部分的作用。注意这里使用状态机 + 伪代码的方法来描述。

rdt3.0 是一个用于可靠数据传输的协议，主要应对 丢包 和 比特错误 的问题。它引入了超时机制、序列号和确认（ACK）机制来确保可靠性，基于 rdt2.x 的基础，增加了对丢包的处理。

以下是 rdt3.0 的伪代码描述，分为发送方和接收方。

发送方的伪代码

state: WAIT_FOR_CALL_FROM_ABOVE

while true:
    if event == from_upper_layer:   // 从上层接收到数据
        create_packet(data, seq_num)   // 创建数据包，包含数据和序列号
        send(packet)   // 发送数据包
        start_timer()   // 开始定时器
        state = WAIT_FOR_ACK

state: WAIT_FOR_ACK

while true:
    if event == timeout:   // 超时未收到 ACK
        resend(packet)   // 重新发送数据包
        start_timer()   // 重启定时器
    
    if event == receive_ACK and is_corrupt(ACK) == false:
        if ack_seq_num == seq_num:   // 收到正确的 ACK
            stop_timer()
            seq_num = (seq_num + 1) % 2   // 切换序列号
            state = WAIT_FOR_CALL_FROM_ABOVE   // 返回等待上层调用状态

接收方的伪代码

state: WAIT_FOR_0_FROM_BELOW

while true:
    if event == receive_packet and is_corrupt(packet) == false:
        if packet.seq_num == 0:   // 收到序列号为 0 且未损坏的数据包
            deliver_data(packet.data)   // 传递数据到上层
            send_ACK(0)   // 发送 ACK 0
            state = WAIT_FOR_1_FROM_BELOW   // 切换到等待序列号 1 的状态
        else:
            send_ACK(1)   // 序列号不匹配，重复发送 ACK 1 表示之前已经收到过该包

    if event == receive_packet and is_corrupt(packet) == true:
        // 数据包损坏，忽略不做处理（自动依赖发送方超时重传）

state: WAIT_FOR_1_FROM_BELOW

while true:
    if event == receive_packet and is_corrupt(packet) == false:
        if packet.seq_num == 1:   // 收到序列号为 1 且未损坏的数据包
            deliver_data(packet.data)   // 传递数据到上层
            send_ACK(1)   // 发送 ACK 1
            state = WAIT_FOR_0_FROM_BELOW   // 切换到等待序列号 0 的状态
        else:
            send_ACK(0)   // 序列号不匹配，重复发送 ACK 0 表示之前已经收到过该包

    if event == receive_packet and is_corrupt(packet) == true:
        // 数据包损坏，忽略不做处理（自动依赖发送方超时重传）

关键机制

• 序列号: 发送方和接收方使用 0 和 1 两个序列号来区分重复数据包。
• ACK（确认）: 接收方向发送方发送 ACK，表明接收到的数据包是正确的。
• 超时重传: 发送方在一定时间内未收到 ACK 时，会重传数据包。

流水线可靠数据传输协议

rdt3.0本质为停等协议，我们希望在等一个packet的ACK时，可以同时发送其他packet，可以看作是将packet都填充到一个流水线上。实现需要增加以下机制：

• 增加序号范围：显然之前的0和1是不够的，每个输送的packet都需要有一个唯一的序号
• 发送方缓存已发送但未确认的packet
• 选择处理丢包/损失的方法：GBN(Go-Back-N)，SR(Seletive Repeat)

拥塞控制原理

拥塞原因

• 发送速度达到吞吐量上限
• 发生超时，重传分组过多导致。当持续升高发送速率，传输速率甚至可能不增加（重传分组也在增加），浪费了传输能力。
• 一个分组在一个路径上被舍弃掉时，在舍弃之前的传输容量被浪费了

拥塞控制方法

• 端到端控制，端系统通过一些网络拥塞的迹象来决定拥塞控制
• 网络辅助控制，路由器向发送方提供关于网络拥塞状态的显式信息。一般有两种反馈方式。第一种为直接反馈，直接向发送方发送阻塞分组。第二种为标记发送方到接收方的分组的某个字段来反馈。