计算机网络杂记-10

发表于 2024-03-24 分类于 Network 本文字数： 1.9k 阅读时长 ≈ 7 分钟

本文记录了计算机网络运输层的相关知识。

运输层

运输层的主要任务是为应用层提供端到端的通信服务，运输层的协议有 TCP 和 UDP，TCP 提供面向连接的可靠的数据传输服务，UDP 提供无连接的不可靠的数据传输服务。

UDP (User Datagram Protocol) 是无连接的，不可靠的数据传输服务，UDP 不提供可靠的数据传输服务，UDP 不提供拥塞控制，UDP 不提供流量控制，UDP 不提供差错恢复。

TCP (Transmission Control Protocol) 是面向连接的，可靠的数据传输服务，TCP 提供可靠的数据传输服务，TCP 提供拥塞控制，TCP 提供流量控制，TCP 提供差错恢复。

物理层、数据链路层、网络层共同完成了主机之间的通信，但实际上主机之间的通信是进程之间的通信，运输层的主要任务就是为进程之间的通信提供端到端的通信服务。

运输层向高层用户屏蔽了下层通信的细节，运输层向高层用户提供的是逻辑通信，而不是物理通信，运输层的逻辑通信是端到端的逻辑通信，而不是主机到主机的逻辑通信。

端口号、复用与分用

端口号是一个 16 位的无符号整数，端口号的范围是 0~65535，端口号的范围是 0~1023 的端口号是保留端口号，1024~49151 的端口号是注册端口号，49152~65535 的端口号是动态端口号。

端口号只具有本地意义，端口号只在本地主机中具有唯一性，不同主机中的端口号可以相同，在因特网中，不同计算机中的端口号是没有联系的。

复用是指多个应用层进程可以使用同一个运输层协议，分用是指运输层协议可以将收到的分组交付到正确的应用层进程。

在发送方中：

使用 UDP 协议封装的数据报是 UDP 复用，协议号为 17，使用 TCP 协议封装的数据报是 TCP 复用，协议号为 6。

IP 复用是指多个应用层进程可以使用同一个 IP 地址，IP 分用是指 IP 协议可以将收到的数据报交付到正确的主机。

在接接收方中：

使用 UDP 协议封装的数据报是 UDP 分用，使用 TCP 协议封装的数据报是 TCP 分用。

常用的端口号

UDP 协议使用的端口号：

端口号	服务
520	RIP (路由信息协议)
161	SNMP (简单网络管理协议)
69	TFTP (简单文件传输协议)
53	DNS (域名系统)
67/68	DHCP (动态主机配置协议)

TCP 协议使用的端口号：

端口号	服务
80	HTTP (超文本传输协议)
25	SMTP (简单邮件传输协议)
21/20	FTP (文件传输协议)
179	BGP (边界网关协议)
443	HTTPS (安全超文本传输协议)

UDP 与 TCP 的对比

UDP	TCP
无连接	面向连接
不可靠	可靠
不提供拥塞控制	提供拥塞控制
不提供流量控制	提供流量控制
不提供差错恢复	提供差错恢复
适用于实时应用	适用于可靠传输的应用
支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信	只支持一对一的通信
首部开销小	首部开销大

TCP 流量控制

一般，我们希望数据传输的速度尽可能的快，但是如果发送方的发送速度过快，接收方的接收速度跟不上，那么接收方的缓冲区就会溢出，这就是流量控制的问题。

TCP 通过滑动窗口机制来解决流量控制的问题，滑动窗口是接收方告诉发送方自己的缓冲区还有多少空间，发送方根据接收方的滑动窗口大小来发送数据。

TCP 拥塞控制

拥塞控制是指当网络中的数据包过多时，网络的性能就会下降，这就是拥塞控制的问题。

TCP 通过拥塞窗口来解决拥塞控制的问题，拥塞窗口是发送方告诉接收方网络的拥塞程度，接收方根据发送方的拥塞窗口大小来接收数据。

有4种算法可以用来解决拥塞控制的问题：

慢开始算法
拥塞避免算法
快重传算法
快恢复算法

一般，第一种算法与第二种算法结合使用，第三种算法与第四种算法结合使用。

我们创造一个理想环境

数据单向传输，另一方只传送确认
接收方有足够大的缓冲区，而发送方发送窗口大小由网络拥塞程度决定
以 TCP 最大报文段长度 MSS 个数为单位计算

慢开始算法

慢开始算法是指发送方在开始发送数据时，先将拥塞窗口的大小设置为 1，然后每经过一个往返时间 RTT 就将拥塞窗口的大小加倍，直到拥塞窗口的大小达到一个阈值，然后进入拥塞避免算法。

拥塞避免算法

拥塞避免算法是指发送方在拥塞窗口的大小达到一个阈值之后，每经过一个往返时间 RTT 就将拥塞窗口的大小加 1，直到拥塞窗口的大小达到一个阈值，然后进入快重传算法。

快重传算法

快重传算法是指接收方在接收到一个失序的数据包时，就立即发送一个重复确认，发送方在接收到 3 个重复确认时就立即重传丢失的数据包。

快恢复算法

快恢复算法是指发送方在接收到 3 个重复确认时，就将拥塞窗口的大小减半，然后进入拥塞避免算法。

TCP 超时重传的时间选择

超时重传是TCP协议中的一个重要机制，当发送方发送数据后，如果在一个往返时间 RTT 内没有收到接收方的确认，那么发送方就会重传数据。

RFC 6298 中提出了一个计算超时重传时间的算法：

RTO = RTT + 4 * RTTVar

RTT 是一个往返时间，RTTVar 是一个往返时间的方差，RTO 是一个超时重传时间。

RTT 的计算公式如下：

RTT = (1 - α) * RTT + α * SampleRTT

RTTVar 的计算公式如下：

RTTVar = (1 - β) * RTTVar + β * |SampleRTT - RTT|

α 和 β 是两个参数，一般取值为 0.125。

出现超时重传时无法准确计算 RTT 的问题，Karn 算法是解决这个问题的一个方法，在计算加权平均 RTT 时，只要报文段重传了，就不计算这个报文段的 RTT。也就是说，出现重传时，不计算 RTT。而超时重传时间RTO也不会被更新。

但是这样引发了新的问题：如果报文段的时延突然增大了许多，并且长时间不变，那么这个时延就会被忽略，在原来的重传时间内，不会收到确认，导致重传。重传时间无法更新，导致报文段反复重传。

所以要对 Karn 算法进行改进，当报文段重传时，把超时重传时间RTO增大一些，经典的做法是将 RTO 增大一倍。