传输层

Posted Mar 11, 2023

By lreverse

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传输层

3.1 传输层服务和协议

传输层协议：提供应用进程之间的逻辑通信机制（不同host）
- 位于网络层之上
- 依赖于网络服务
- 对网络层服务进行增强（可能）
网络层协议：提供主机之间的逻辑通信机制

Internet传输层协议

TCP（传输控制协议）
- 可靠数据传输
- 拥塞控制
- 流量控制
UDP（用户数据包协议）
- 不可靠服务（“尽力而为”）
- 进程到进程的数据交付和差错检查（最低限度）
两个服务均不保证延迟和带宽

3.2 多路复用与多路分解

多路复用

从多个Socket接收数据，为每个数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层

多路分解

传输层依据头部信息将收到的Segment交给正确的Socket

工作流程

报文段格式
- 源端口号、目的端口号、其他头部信息、应用数据（报文）
  - 端口号：16比特的数，大小在0~65535之间（0~1023为周知端口号）
无连接
- 一个UDP套接字由二元组标识：(目的IP地址，目的端口号)
- 主机根据这两个值将报文段导向相应的Socket
- 来自不同源IP地址和/或源端口号的IP数据包，但具有相同的目的IP地址和目的端口号，将被导向同一个Socket
面向连接
- 一个TCP套接字由四元组标识：(源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号)
- 主机根据这四个值将报文段导向相应的Socket
Web服务器与TCP（多线程）
- 通常只使用一个进程，为每个客户连接创建一个具有新连接套接字的新线程（线程可看作一个轻量级的进程）

3.3 UDP

User Datagram Protocol

特点与应用

无需建立连接
无需维护连接状态
分组首部开销小
没有拥塞控制：应用可更好地控制发送时间和速率
- 问题：UDP中缺乏拥塞控制，能够导致UDP发送方和接收方的高丢包率(路由器有大量分组溢出)，并挤跨TCP会话 - 常用于流媒体应用，还有DNS和SNMP - 使用UDP的应用是可能实现可靠数据传输的

UDP报文段格式

首部 （8B）
- 源端口号、目的端口号
- 长度：UDP报文段的字节数（首部+数据）
- 检验和：差错检测
应用数据（报文）

UDP检验和

端到端原则
发送方
- 将报文段的所有16bits进行和运算，然后对和进行反码运算（求和式遇到溢出都要被回卷）
- 进行运算的数据：伪首部+首部+报文（checksum字段不参与计算）
接收方
- 计算所收到的报文段的所有16bits的和
- 然后与检验和相加，观察是否全位1
  - 若不是：出现错误
  - 若是：未检测出错误（但可能仍有错误）

3.4 可靠数据传输原理

不错、不丢、不乱
发送端和接收端双向的信息流动
rdt：可靠数据传输协议
FSM：有限状态机

1）经完全可靠信道：rdt1.0

可靠信道：不发生比特差错，不会丢弃分组

2）经具有比特差错信道：rdt2.0

不可靠信道：比特差错
ARQ协议(Automatic Repeat reQuest)
- 差错检测：与UDP的检验和字段类似
- 确认机制：ACK(肯定确认)和NAK(否定确认)
- 重传：接收到NAK后，重传分组
停等协议：发送方处于等待ACK或NAK的状态时，它不能从上层获得更多的数据

3）ACK/NAK消息发生错误：rdt2.1和rdt2.2

序列号：发送方给每个分组增加序列号
（解决当ACK/NAK损坏时，发送方重传分组，导致的接收方重复分组的问题）
当接收到失序的分组时，接收方对所接收的分组发送一个ACK
rdt2.1
rdt2.2
- NAK被ACK替代：在ACK消息显示地加入被确认分组的序列号

4）经具有比特差错的丢包信道：rdt3.0

不可靠信道：比特差错、分组丢失
发送方负责检测和恢复丢包工作：倒计时定时器、重发
- 分组或ACK丢失；分组或ACK延迟

流水线可靠数据传输协议

原因：停等协议的利用率过低，限制了网络底层协议所能提供的能力
流水线协议：允许发送方在收到ACK之前连续发送多个分组
- 需要更大的序列号范围
- 发送方和接受方需要更大的存储空间来缓存分组

GBN协议（回退N步）

别称：滑动窗口协议

发送方
- 分组头部包含k-bits序列号（模$2^k$运算）
  1. 对窗口是否已满进行判断
  2. 接受ACK(n)：采用累积确认，即序列号n及以前的分组均已被正确接收
  3. 超时事件：发送方重传所有已发送但还未确认过的分组
接收方
- ACK机制：发送拥有最高序列号、已被正确接收的分组的ACK（即该分组按序）
  - 可能产生重复ACK
  - 接收方只需维护的信息：下一个按序接收的分组的序号(expectedseqnum)
- 对于乱序到达的分组，直接丢弃
举例

SR协议（选择重传）

发送方只重传那些没有收到ACK的分组
- 为每个分组设置定时器
接收方对每个分组单独进行处理
- 设置缓存机制，缓存乱序到达的分组
发送方
- 超时
- 收到ACK：若分组在窗口内，则标记为已接收；若分组序号为send_base。则窗口向前移动到最小序号的未确认分组处
接收方
- 序号在[rcv_base, rcv_base+N-1]内的分组被正确接收，则发送ACK给发送方（若是之前未收到过，则缓存）。同样，若分组为基序号，则移动窗口
- 序号在[rcv_base-N, rcv_base-1]内的分组被正确收到，必须产生一个ACK，即使是之前已确认过的
- 其他情况，忽略该分组
滑动窗口协议的窗口大小
- $W_s+W_r\leq 2^k$
- 对于GBN协议$W_r = 1$，则$W_s\leq 2^k-1$
- 对于典型的SR协议$W_r = W_r = W$，则$W_s\leq 2^{k-1}$
- 对于停等协议$W_s=W_r=1$
信道利用率
- \[U=\frac{W_s\times t_{Seg}}{t_{Seg}+RTT+t_{ACK}}\]
- $U=\frac{W_s\times L}{L+2dpR+L^{'}}$($dpR$为时延带宽积，$L$为报文段长度，$L^{‘}$为$ACK$长度)

3.5 TCP

Transmission Control Protocol

概述

点对点
可靠的、按序的字节流
流水线机制
发送方/接收方缓存
全双工
面向连接
流量控制、拥塞控制

TCP报文段结构

首部
- 源端口号、目的端口号（共4B）
- 序号（4B）
  - 该报文段首字节的字节流编号
  - 建立TCP连接时，双方随机选择序列号
- 确认号（4B）
  - 希望收到的下一个字节的序列号
  - 累积确认
- 首部长度
- 标志字段：ACK、SYN、FIN……
- 接收窗口
- 因特网检验和
- 紧急数据指针
- 选项：协商MSS或其他
数据
- 最大报文长度MSS：报文段里应用层数据的最大长度

RTT和超时

采用超时/重传机制
使用单一的重传定时器
SampleRTT：测量从段发出去到收到ACK的时间
均值：$EstimatedRTT = (1-\alpha)·EstimatedRTT + \alpha·SampleRTT$
差值：$DevRTT = (1-\beta)·DevRTT + \beta· SampleRTT-EstimatedRTT $
超时时间：$TimeoutInterval = EstimatedRTT+4·DevRTT$

双方发送流程

TCP发送方事件
- 从应用层收到数据
  - 创建Segment
  - 序列号时Segment第一个字节的编号
  - 开启计时器
  - 设置超时时间：TimeoutInterval
- 超时
  - 重传引起超时的Segment（最小序号还未被确认的报文段）
  - 重启定时器
- 收到ACK
  - 如果ACK的字段值>SendBase
    - 更新SendBase
    - 如果窗口中还有未被确认的分组，重新启动定时器
TCP接收方事件
- 所期望序号的Segment到达：延迟ACK，等待下一个按序Segment的到达；等不到则发送ACK（一般最多等待500ms）
- 所期望序号的Segment到达且另一个按序报文段等待ACK传输：立即发送单个累积ACK，以确认两个序号报文段
- 比期望序号大的Segment到达：立即发送冗余ACK
- ……
超时间间隔
- 每次TCP重传时都会将下一次的超时间间隔设为先前值的两倍
- 定时器在另外两个事件中的任一个启动时，TimeoutInterval再由最近的Estimated和DevRTT推算得到
快速重传
- 当发送方收到对同一数据的3个冗余ACK，立即快速重传（TCP不使用否定确认）

流量控制（Flow Control）

实质是一个速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读取速率相匹配
发送方维护接收窗口的变量
- LastByteRcvd - LastByteRead $\leq$ RcvBuffer
- 接收窗口：rwnd = RcvBuffer - [LastByteRcvd - LastByteRead]
- LastByteSent - LastByteAcked $\leq$ rwnd（确保接收方的接收缓存不会溢出）
- 当主机B的接收窗口为0时：主机A继续发送只有一个字节数据的报文段（防止主机A被堵塞而不能再发送数据）

TCP连接管理

建立连接：三次握手

次序	事件	说明
第1次	客户端发送SYN报文段	SYN字段置1，随机选择一个初始序号client_isn
第2次	服务器发送SYNACK报文段	SYN字段置1，确认号字段置client_isn+1，选择自己的初始序号server_isn；并且为该TCP连接分配缓存和变量
第3次	客户端发送报文段进行确认	SYN字段置0，确认号字段置server_isn+1，序号为client_isn+1；负载可携带数据；并且为该连接分配缓存和变量

关闭连接

次序	事件	说明
第1次	客户端发送报文段	FIN置1
第2次	服务器返回ACK
第3次	服务器发送报文段	FIN置1
第4次	客户端返回ACK	客户端等待一段时间，然后关闭连接，释放资源

Time_wait
1. 保持连接正常终止
2. 让重复字节包在网络中消失

TCP状态序列
SYN洪泛攻击
- cookie

3.6 拥塞控制原理

表现
- 分组丢失（路由器缓存溢出）
- 分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

成因和代价

两个发送方和一台具有无限大缓存的路由器
- 拥塞时分组延迟太大
两个发送方和一台具有有限缓存的路由器
- 重传以补偿因为缓存溢出而丢失的分组，资源浪费
4个发送方和具有有限缓存的多台路由器及多跳路径
- 链路竞争，分组被丢弃时，任何用于该分组的“上游”传输能力全都被浪费掉

拥塞控制方法

端到端拥塞控制

网络层不需要显示的提供支持
网络通过观察loss、delay等网络行为判断是否发生拥塞
TCP采取这种方法

网络辅助的拥塞控制

路由器向发送方显示地反馈网络拥塞信息
简单的拥塞指示(1bit)：SNA，DECbit，ATM……
指示发送方应该采取何种速率
ATM ABR拥塞控制（available bit rate）
- “弹性服务”：若发送方路径“underloaded”，则使用可用带宽；若发送方路径拥塞，则将发送速率降到最低保障速率
- RM(resource management) cells
  - 由发送方发送
  - 交换机设置RM cell位
    - NI bit：rate不许增长
    - CI bit：拥塞指示
  - RM cell由接收方返回给发送方

3.7 TCP拥塞控制（Congestion Control）

拥塞窗口：cwnd
LastByteSent - LastByteAcked $\leq$ min{cwnd, rwnd}
方法：AIMD（加性增、乘性减）
- Additive Increase：每个RTT将cwnd增大一个MSS（拥塞避免）
- Multiplicative Decrease：发生loss（3个冗余ACK），cwnd减半

1. 慢启动SS

初始：cwnd = 1MSS
每收到一个ACK，cwnd+=1MSS（指数型增长）
结束：
事件说明
超时 cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，重新开始慢启动
cwnd$\geq$ssthresh 进入拥塞避免模式
检测3个冗余ACK 执行快速重传，并进入快速恢复模式

事件	说明
超时	cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，重新开始慢启动
cwnd$\geq$ssthresh	进入拥塞避免模式
检测3个冗余ACK	执行快速重传，并进入快速恢复模式

2. 拥塞避免

每个RTT只将cwnd的值增加一个MSS（线性增长）
结束：
事件说明
超时 cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，进入慢启动
检测3个冗余ACK 执行快速重传，并进入快速恢复模式

事件	说明
超时	cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，进入慢启动
检测3个冗余ACK	执行快速重传，并进入快速恢复模式

3. 快速恢复

ssthresh = cwnd/2
cwnd = ssthresh+3·MSS
结束：
事件说明
超时 cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，进入慢启动
得到新的ACK cwnd = ssthresh，进入拥塞避免模式
案例：TCP Reno

事件	说明
超时	cwnd置为1，ssthresh置为cwnd/2，进入慢启动
得到新的ACK	cwnd = ssthresh，进入拥塞避免模式

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3.1 传输层服务和协议

Internet传输层协议

3.2 多路复用与多路分解

多路复用

多路分解

工作流程

3.3 UDP

特点与应用

UDP报文段格式

UDP检验和

3.4 可靠数据传输原理

1）经完全可靠信道：rdt1.0

2）经具有比特差错信道：rdt2.0

3）ACK/NAK消息发生错误：rdt2.1和rdt2.2

4）经具有比特差错的丢包信道：rdt3.0

流水线可靠数据传输协议

GBN协议（回退N步）

SR协议（选择重传）

3.5 TCP

概述

TCP报文段结构

RTT和超时

双方发送流程

流量控制（Flow Control）

TCP连接管理

3.6 拥塞控制原理

成因和代价

拥塞控制方法

端到端拥塞控制

网络辅助的拥塞控制

3.7 TCP拥塞控制（Congestion Control）

1. 慢启动SS

2. 拥塞避免

3. 快速恢复

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