计算机网络学习笔记-传输层

传输层

UDP协议

概述

1. UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延
2. UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付
3. 面向报文，适合一次性传输少量的数据的网络应用
4. 没有拥塞控制，适合多实时应用
5. 首部开销晓，8B，Tcp208
   

UDP首部格式

1. UDP长度是指UDP用户数据报的整个长度
2. UDP检验和是用来检测整个UDP数据报是否有错，错就丢弃
3. 分用时，找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并给发送方发送ICMP“端口不可达”差错报告报文
   

UDP校验

1. 伪首部只有在计算机检验和时才出现，不向下传送也不向上递交。
2. 17：封装UDP报文的IP数据报首部协议字段17。
3. UDP长度：UDP首部8B+数据部分长度（不包括伪首部）。
   
   在发送端上会存在：
4. 填上伪首部
5. 全0填充检验和字段
6. 全0填充数据部分（UDP数据报要看称许多4B的字串接起来）
7. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和
8. 把和求反码填入检验和字段
9. 去掉伪首部，发送
   在接收端上会存在：
10. 填上伪首部
11. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和
12. 结果全为1则无差错，否则丢弃数据报/交给应用层附上出差错的警告

TCP协议

1. TCP是面向连接的传输层协议。
2. TCP只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（因此没办法运用多播和广播的通讯方式）
3. TCP提供可靠交付的服务，无差错，不丢失，不重复，按序到达
4. 提供全双工通讯（有发送缓存和接收缓存 ）
5. TCP面向字节流：TCP把应用程序交下来的数据看成一连串无结构的字节流

报文段的首部格式

1. 序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都在按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号
2. 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1位置的所有数据都已正确收到。
3. 数据偏移：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B位单位，即一个数组是4B。
4. 6个控制位
   • 紧急位URG：URG=1时，标明此报文段中有紧急数据，是最高优先级的数据，应该尽快传送，不用在缓存中排队，配合紧急指针字段使用（发送方）。
   • 确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
   • 推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付。
   • 复位RST：RST=1时，标明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接。
   • 同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文。
   • 终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接。
5. 窗口：发送本报文段的一方接受窗口，即现在允许对方发送的数据量
6. 检验和：检验首部+数据，检验时加上12B的伪首部，第四个字段为6.
7. 紧急指针：URF=1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数
8. 选项：最大报文段长度MSS，窗口扩大，时间戳，选择确认

TCP连接管理

1. TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器
2. 假设运行在一台主机（客户）上的一个进程想与另一台主机（服务器）上的一个进程建立一条连接，客户应用进程首先通知客户TCP，他想建立一个与服务器上某个进程之间的连接，客户中的TCP会用一下步骤与服务器中的TCP建立一条TCP连接
   
   1. 客户端发送连接请求报文段，无应用层数据SYN=1，seq=x（随机）
   2. 服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。SYN=1，ACK=1，seq=y（随机），ack=x+1
   3. 客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据SYN=0，ACK=1，seq=x+1,ack=y+1。

SYN洪泛攻击

SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者会发送TCP SYN，SYN就是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，而那个TCP连接就处于挂起状态，也就是半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。

TCP的连接释放

1.参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止连接，连接结束后，主机中的“资源”（缓存和变量）将被释放。

1. 客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接FIN=1，seq=u
2. 服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了–半关闭状态ACK=1，seq=v,ack=u+1。
3. 服务端发完数据，就发送连接释放报文段，主动关闭TCP连接。FIN=1，ACK=1，seq=w,ack=u+1
4. 客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

TCP的可靠传输

1. 保证接受方进程从缓存区读出的字节流与发送方发出的字节流是完全一样的。也就是说明了数据帧在传输过程中既不能丢失，也不能受影响。

   校验

序号

1. 一个字节占用一个序号

2. 序号字段指的是一个报文段第一个字节的序号
   

   确认

3. 发送方会保存一个TCP缓存报文段

4. 接收方会在收到报文段后会发送确认报文段，当然接收方也可发送数据与确认报文段发去给发送方

5. 若报文段在传输过程中丢失了，TCP会使用累计确认的方法，接收方会返回一个丢失报文段后的第一个字节的确认号报文段

重传

1. 超时重传，若在规定时间内发送方没有接收到接收方的确认数据报，就会进行重传。

2. TCP动态改变重传的规定时间RTTs（加权平均往返时间）

3. 冗余ACK（冗余确认）每当期望序号大的失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。例子：发送方已发送1，2，3，4，5报文段

• 接收方收到1，返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
• 接收方收到3，仍然返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
• 接收方收到4，仍返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
• 接收方收到5，仍返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
  如果发送方收到了3个对于报文段1的冗余ACK就会认为报文段丢失，重传2号报文段，快速重传。

TCP流量控制

1. 利用滑动窗口机制实现流量控制
2. 在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值。
3. 
4. TCP会为每一个连接设有一个持续计时器，只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就会启动持续计时器
5. 若持续计时器设置的时间到期，就会发送一个零窗口探测报文段。接收方收到探测报文段时给出现在的窗口值
6. 若窗口仍然是0，那么发送方会重新设置持续计时器

TCP拥塞控制

问题：当资源需求的总和大于可用资源的总和就会出现拥塞的条件，那么会有许多资源同时呈现供应不足就会导致网络性能变坏然后网络的吞吐量将会随输入负荷增大而下降

慢开始和拥塞避免

传输轮次：发送了一批报文段并收到了他们的确认的时间，也可以指的是往返的时延RTT

1. 探测网络拥塞程度后，提升拥塞窗口的数量

2. ssthresh的初始值指的是慢开始的值（不会再以指数增长的形式增长），会以加法的形式来增加，这就叫拥塞避免

3. 当遇到网络拥塞的时候，就会执行断崖式减少，拥塞窗口会跌到cwnd=1，重新开始增加

4. 在这过程中，可能会重新更新ssthresh，当遇到网络控制的时候，会把发送拥塞的cwnd值马上除以2生成新的ssthresh值，那么下一轮次的慢开始会从新的ssthresh开始。

快重传和快恢复

1.快重传就是等于冗余ack的算法是一致的，当某个报文段的确认帧并没有被发送方收到时候，后面发送的报文段返回的始终是还未收到的确认报文，当积累到三次的时候就会重传。
2.快恢复是和上面的ssthresh值是有关联的，当发送网络拥塞的时候，cwnd并不会直接降落到1，而是会降落到ssthresh值上直接进行慢开始。这样能够减少cwnd的变化幅度从而优化了速度。但是ssthresh值还是需要根据发送网络拥塞的cwnd来决定的。