计算机网络(自顶向下方法)-传输层

3.1 概述和传输层服务

传输服务和协议
 为运行在不同主机上的应用进程提供逻辑通信
 传输协议运行在端系统
 发送方：将应用层的报文分成报文段，然后传递给网络层
 接收方：将报文段重组成报文，然后传递给应用层
 有多个传输层协议可供应用选择
 Internet: TCP和UDP

传输层 vs. 网络层

 网络层服务：主机之间的逻辑通信
 传输层服务：进程间的逻辑通信
 依赖于网络层的服务 • 延时、带宽
 并对网络层的服务进行增强• 数据丢失、顺序混乱、加密
类比：东西2个家庭的通信
Ann家的12个小孩给另Bill家的12个小孩发信
 主机 = 家庭
 进程 = 小孩
 应用层报文= 信封中的信件
 传输协议= Ann 和 Bill  为家庭小孩提供复用解复用服务
 网络层协议 = 邮政服务  家庭-家庭的邮包传输服务
有些服务是可以加强的：不可靠 -> 可靠；安全
但有些服务是不可以被加强的：带宽，延迟

Internet传输层协议

 可靠的、保序的传输： TCP
 多路复用、解复用
 拥塞控制
 流量控制
 建立连接
 不可靠、不保序的传输：UDP
 多路复用、解复用
 没有为尽力而为的IP服务添加更多的其它额外服务
 都不提供的服务：
 延时保证
 带宽保证

3.2 多路复用与解复用

多路解复用工作原理

无连接多路复用:例子

TCP套接字:四元组本地标识：
 源IP地址
 源端口号
 目的IP地址
 目的端口号

 解复用：接收主机用这四个值来将数据报定位到合适的套接字
 服务器能够在一个TCP端口上同时支持多个TCP套接字：
 每个套接字由其四元组标识（有不同的源IP和源PORT）
 Web服务器对每个连接客户端有不同的套接字
 非持久对每个请求有不同的套接字

面向连接的解复用：例子

3.3 无连接传输：UDP

3.4可靠数据传输的原理

可靠数据传输（rdt）的原理

可靠数据传输：问题描述

解决

Rdt1.0： 在可靠信道上的可靠数据传输

Rdt2.0：具有比特差错的信道

下层信道可能会出错：将分组中的比特翻转
 用校验和来检测比特差错
 问题：怎样从差错中恢复：
 确认(ACK)：接收方显式地告诉发送方分组已被正确接收
 否定确认( NAK): 接收方显式地告诉发送方分组发生了差错 • 发送方收到NAK后，发送方重传分组
 rdt2.0中的新机制：采用差错控制编码进行差错检测
 发送方差错控制编码、缓存
 接收方使用编码检错
 接收方的反馈：控制报文（ACK，NAK）：接收方->发送方
 发送方收到反馈相应的动作

rdt2.0：FSM描述

rdt2.0的致命缺陷！-> rdt2.1

rdt2.2：无NAK的协议

rdt3.0：具有比特差错和分组丢失的信道

流水线协议

滑动窗口(slide window)协议

 发送缓冲区
 形式：内存中的一个区域，落入缓冲区的分组可以发送
 功能：用于存放已发送，但是没有得到确认的分组
 必要性：需要重发时可用
 发送缓冲区的大小：一次最多可以发送多少个未经确认的分组
 停止等待协议=1
 流水线协议>1，合理的值，不能很大，链路利用率不能够超100%
 发送缓冲区中的分组
 未发送的：落入发送缓冲区的分组，可以连续发送出去；
 已经发送出去的、等待对方确认的分组：发送缓冲区的分组只有得到确认才能删除

流水线协议：总结

3.5 面向连接的传输：TCP

段结构

可靠数据传输

 TCP在IP不可靠服务的基础上建立了rdt
 管道化的报文段
• GBN or SR
 累积确认（像GBN）
 单个重传定时器（像GBN）
 是否可以接受乱序的，没有规范
 通过以下事件触发重传
 超时（只重发那个最早的未确认段：SR）
 重复的确认 • 例子：收到了ACK50,之后又收到3 个ACK50
 首先考虑简化的TCP发送方：
 忽略重复的确认
 忽略流量控制和拥塞控制

TCP：重传

流量控制

连接管理

3.6 拥塞控制原理

拥塞控制原理

拥塞:
 非正式的定义: “太多的数据需要网络传输，超过了网 络的处理能力”
 与流量控制不同
 拥塞的表现:
 分组丢失 (路由器缓冲区溢出)
 分组经历比较长的延迟(在路由器的队列中排队)
 网络中前10位的问题!

拥塞的原因/代价:

场景一

场景2

场景3

控制方法

3.7 TCP 拥塞控制

TCP 拥塞控制：机制

 端到端的拥塞控制机制
 路由器不向主机有关拥塞的反馈信息
• 路由器的负担较轻
• 符合网络核心简单的TCP/IP架构原则
 端系统根据自身得到的信息，判断是否发生拥塞，从而采取动作
拥塞控制的几个问题
 如何检测拥塞
 轻微拥塞
 拥塞
 控制策略
 在拥塞发送时如何动作，降低速率
• 轻微拥塞，如何降低
• 拥塞时，如何降低
 在拥塞缓解时如何动作，增加速率

拥塞感知

速率控制方法

策略概述

拥塞控制策略:
 慢启动
 AIMD：线性增、乘性减少
 超时事件后的保守策略

TCP 慢启动

 连接刚建立, CongWin = 1 MSS
 如: MSS = 1460bytes & RTT = 200 msec
 初始速率 = 58.4kbps
 可用带宽可能>> MSS/RTT
 应该尽快加速，到达希望的速率
 当连接开始时，指数性增加发送速率，直到发生丢失的事件
 启动初值很低
 但是速度很快

AIMD

总结: TCP拥塞控制

 当CongWin＜Threshold, 发送端处于慢启动阶段（slow-start）, 窗口指数性增长.
 当CongWin〉Threshold, 发送端处于拥塞避免阶段（congestion-avoidance）, 窗口线性增长.
 当收到三个重复的ACKs (triple duplicate ACK),Threshold设置成 CongWin/2， CongWin=Threshold+3.
 当超时事件发生时timeout, Threshold=CongWin/2CongWin=1 MSS，进入SS阶段

TCP 未来