计算机网络 3 - 传输层

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第3章 传输层(Transport Layer)

传输层 == 运输层
套接字(Socket) = IP地址 + 端口号(port)，位于应用层

3.1 传输层服务与协议

• 运输层协议为运行在不同主机上的应用进程之间提供了逻辑通信 (logic communication) 功能
• 运输层协议是在端系统中实现。发送端将从发送应用程序进程接收到的报文分段(转换成运输层分组)，传递给网络层；接收端将报文段重组成完整报文，传递给应用层。
• 关于 运输层 和 网络层 的关系：
  1）网络层 负责在不同主机之间提供 逻辑通信 服务；
  2）运输层 负责 通过网络层 进行不同主机的进程之间的 逻辑通信。
• 两种主要的网络传输协议：TCP 和 UDP
  1）TCP：可靠、有序传输、拥塞控制、流量控制、连接建立
  2）UDP：不可靠、不保序传输、没有为尽力而为的IP服务添加更多的其它额外服务
  3）都不提供的服务：延迟保证、带宽保证

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3.2 复用 分用

• 复用 / 多路复用(multiplexing)：从源主机的不同套接字中收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息(“传输头”)，进而生成报文段，然后将报文段传递到网络层，就是 把多个数据流 (streams) 合并为一个数据流
• 分用 / 多路分解(demultiplexing)：将运输层报文段中的数据交付到正确的套接字的工作，就是 复用的逆过程，数据流被分离成单独的部分，相当于解码。具体操作为：接收端的运输层标识出报文段中的接受套接字，进而将报文段定向到该套接字
• 多路复用和多路分解服务是所有计算机网络都需要的

理解：你的的手机正在浏览网页，刷新电子邮件，同时连接到微信。所有这些连接都通过同一链路发送，这一过程为复用；手机接收到的数据包流将被分割并发送到相应的网络、电子邮件、微信程序，该过程为分用

无连接的分用、复用(UDP)

• UDP Socket = (dstIP, dstPort)
  UDP 套接字 = (目标IP地址 + 目标端口号)
• 发送方创建UDP套接字的数据报时，必须指定 目标IP地址、目标端口，而且包含源端口号
  （A send b-ip, b-port, a-ip, a-port to B，包含源端口号是为了 接受方B回发报文段给发送方A时，使用recvfrom()方法从发送方的UDP报文段中取源端口号的值，当然完整的返回地址为 源IP+源端口）
• 接收方接收UDP报文段时，检查段中的目的端口，将UDP报文段定向到 具有指定目标端口的套接字
• 不同源IP地址或源端口号的数据报，具有相同目标端口，发送到同一个目标IP地址，会定向到同一目标套接字
  

面向连接的分用、复用(TCP)

• TCP socket = (sourceIP, sourcePort, destIP, destPort)
  TCP 套接字 = (源IP地址 + 源端口号 + 目标IP地址 + 目标端口号)
• 服务器主机支持许多并行的TCP套接字，每个套接字与 1 个进程/线程相联系，且由四元组来标识套接字
• (与UDP不同) 两个不同源IP地址或源端口号的数据报，即使具有相同的目标端口和目标IP地址，也会定向到不同的套接字
  （若TCP报文段中包含 初始创建TCP连接的请求，接收方服务器会创建新的套接字）
  
  参考上图3.5，主机A，Web服务器B，主机C的IP地址分别为A、B、C。主机C 与 服务器B 之间有两个HTTP会话连接，会话源端口号分别为7532、26145，目标端口号都为80，在服务器传输层 分用 至两个不同的套接字；主机A 与 服务器B 之间由一个HTTP会话连接，源端口号为26145，目标端口号为80，与主机A的其中一个会话源端口号相同，但在服务器传输层也会 分用 至两个套接字。（总结：每个套接字由其四元组标识；目标端口相同的数据被分用至不同的套接字）

持续/非持续HTTP连接 与 常见端口

• 持续HTTP：在整个连接持续期间，客户端与服务器之间 经由 同一个服务器套接字交换 HTTP报文
• 非持续HTTP：对每一对请求/响应都创建一个新的TCP连接和一个套接字并随后就关闭（这种套接字的频繁创建-关闭会严重影响服务器性能，即使可以通过操作系统技巧减轻影响）
• 常见端口：
  Port 80：标准HTTP连接
  Port 22：SSH 远程计算机而当路
  Port 25：SMTP端口，邮件服务器使用的默认端口
  Port 143：IMAP端口，接收电子邮件，类似与POP3
  Port 443：标准HTTPS连接，安全
  端口对比：Port 80 (HTTP) vs. Port 443 (HTTPS)

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3.3 无连接传输: UDP

• UDP 协议 是 实现了端口的 IP协议，可以让数据包在送到某个IP地址的基础上，进而送到运行在某一端口的通信进程
  UDP 协议是TCP 协议的简化版，出现于TCP之后
  应用场景：直播等流媒体应用程序、域名系统DNS、NFS等
• UDP 协议的优点：简单、快、高效(Efficient)、没有拥塞控制；缺点：传输不可靠、尽力而为(Best Effort)、UDP报文段可能会丢包、乱序
• UDP 报文段(segment) = [ 源端口号，目标端口号，长度，校验和，应用程序数据 ]
  
  length：以 bytes 为单位的UDP报文段长度，包含传输头(UDP Segment Header)的长度 和 原始数据(Payload)长度，其中 udpSegmentHeader = sPort+dPort+Length+CheckSum = 16 bits*4 = 8 bytes)
  checksum：用于检测整个数据包是否损坏（包括整个UDP数据包，以及IP头部的源IP和目标IP等信息），没有改正能力，在IPv4中可以不使用checksum，即checksum为0
• 写者留：检验和 checksum 的具体计算方式还没写, 可以先看书 ：）

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3.4 可靠数据传输原理(rdt)

• 背景：期望每次信息传输都是理想状态是不太可能的，而且 "Best Effort"的 IP协议不会修复，传输自己时还可能产生错误或丢失，所以需要可靠数据传输(Reliable Data Transfer)

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rdt 1.0：经完全可靠信道的可靠数据传输

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rdt 2.0：发现并修复位差错

引入3种功能：
1. 通过 checksum 来校验错误
2. 接收者 反馈接受 ACK 和 NAK信息
3. 重传
理解：传输层对应用层的数据进行打包处理时，新增checksum（校验和），从而接收端可以对其数据包进行检验，如果正确，返回ACK，发送者继续发送下一个数据包；如果不正确，返回NAK，发送者重传数据。**

• rdt2.0 没有错误时的操作
  
• rdt2.0 发生错误时的流程
  

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rdt 2.1：数据包带序号

• 背景：rdt2.0不能解决ACK和NAK出错的问题，重传可能会导致重复
• 解决：
  ① 发送方为每一个数据包添加 编号(seq)
  ② ACK / NAK出错，发送方重传
  ③ 接收方丢弃重复的数据包
  ④ “stop and wait” 停等机制，发送方发送一个包，等待接收方回应
• 机制：
  
  
  

rdt 2.2：ACK取代NAK

• 用 带序号的ACK 代替 ACK / NAK，接收方接收ACK信号时检查ACK的序号
• 机制
  
  

rdt 3.0：超时重传 治疗数据包丢失

• 问题背景：数据包或ACK丢失，可能会导致重传和数据重复
• 解决：超时重传
  发送端在设定时间内没有收到指定编号的ACK则重传
  重传虽然会导致数据重复，但可以通过序列号解决
• 机制：
  
  
  

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3.5 流水线技术(GoBackN & Selective Repeat)

• 问题：1 Gbps link, 15ms 延迟, 8000bit 大小的包，将round-trip-time作为传播到那里和返回的时间（rtt，即两倍的end-to-end延时)，传输延时和信道利用率是多少？
  答：$L$-包大小；$R$-传输速率。
  $D_{trans}=L/R=\frac{8000bits}{10^{9}bit/s}=8ms$
  $U_{sender}=\frac{L/R}{RTT+L/R}=\frac{0.008}{15\ast 2+0.008}=0.027\%$
• 流水线技术(Pipelining)：允许发送方在未得到对方确认的情况下一次发送多个包
• 条件：
  ① 增加 包/应答 的序号范围
  ② 发送方 设置缓存（未得到确认，可能需要重传 ？）
  ③ 接收方 设置缓存（上层用户取用数据的速率≠接收到的数据速率；接收的数据包可能乱序；可能需要重新排序后交付）
  
  Go-Back-N 与 Selective Repeat 过程动画演示

Go-Back-N

• 核心：sender能够在收到确认之前发送多个分组，但receiver只能缓存一个符合要求的分组并回复确认
  • 发送方一次发送 N 个包
  • 接收方 只缓存并确认 按顺序正确到达的包
  • 发送方设置计时器，超时(没收到回应)重传
• 机制：
  
• 缺点：
  Go-Back-N在一定程度上避免了停等协议中信道利用率低下的问题，但在窗口N较大时，Go-Back-N需要重传的包较多，代价大

选择重传(Selective Repeat)

• 核心：
  ① 接收方单独确认所有正确接受的包(不按顺序)
  ② 根据需要，将缓冲区中的包按顺序传给上层
  ③ 发送方仅发送 未收到ACK的包
  ④ 每个未确认的包都有计时器，超时重传
• 机制：
  Sender：
  ① 收到上层数据，如果 发送窗格的下一个序号可用，打包发送
  ② packet(n) 超时，重发n号包，计时器重置
  ③ 收到 ACK(n)，如果 n 是未确认的包中编号最小的，右移发送窗格
  Receiver：
  ① 收到 packet(n)后，回复 ACK(n)
  ② 如果编号顺序乱/缺失，缓存并等待接受前面的包
  ③ 如果编号顺序正确，将包传给上层，移动 接收窗格
  ④ 重复的包直接丢弃
  
• 存在的问题：
  • 设帧序号为0,1,2,3 重复使用但内容不同，窗格大小为3，传输过程如下图
    
  • 当 receiver接受到 0,1,2号包之后，发送ACKs(0,1,2)，移动接收窗格到 [3,0,1] 等待接收packet(3,0,1)。
    如果 sender 没有在设定时间内接收到ACKs，会超时重传 packet(0,1,2)。
    当 receiver 接收到 sender 重发的 packet(0,1)时，会认为它们是新一轮序号的包，并将其缓存（正常应该直接丢弃的包），造成二义性
  • 解决：
    ① 发送窗格 <= 接受窗格
    ② 发送窗格大小 <= $\frac{1}{2}\ast$序号数（n比特编码，发送窗格长度最大为$2^{n-1}$）

3.6 面向连接传输: TCP

• 面向连接：只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费

• TCP 报文段结构：
  

  • 源端口号 / 目的端口号：16 bits
  • 序号(sequence number)：32 bits，段数据中第一个字节的在整个字节流中“编号”，用来标明位置
  • 确认号(acknowledgements)：32 bits，期望从对方收到的下一个字节的序号

• 具体应用：
  

• 超时时长的设置
  $DevRTT=(1-\beta )\ast DevRTT+\beta \ast |SampleRTT-EstimatedRTT|$

  $Timeout=EstimatedRTT+4\ast DevRTT$

  其中 $RTT$为 round-trip-time 往返时间；$DevRTT$为 RTT偏差值(safety margin)；
  $SampleRTT$为 报文段的样本RTT； $EstimatedRTT$为TCP对下一个数据往返值进行的估计

TCP可靠数据传输

• 实现：

  • 收到上层应用层传来的数据
    ① 将数据划分为多个数据段，并编号Seq_num
    ② 编号Seq_num是该段中第一个数据字节在整个字节流的位置
    ③ 没开始前设置计时器，超时周期为 刚计算出得TimeOutInterval
  • 超时
    重传导致超时的段，重启计时器
  • 之前未确认过的段被确认了
    ① 标记它被确认了
    ② 设置计时器，继续传没被确认的段

• TCP 重传方案
  
  

• 快速重传
  通过 重复的ACK 来检测报文段丢失：发送方通常连续发送大量报文段，如果报文段丢失，发送方一般会收到多个重复的ACK
  如果发送方收到同一数据的3个重复ACK，重传对方需要的数据段（第一个ACK正常，后面三个为重复ACK）
  

3.7 流量控制(flow control)

• 背景：应用层从传输层socket中提取数据，然而往往数据不会提的这么快，这时候要是 sender 还一直发数据就会挤满 接收端的缓存（RcvBuffer），挤满后传输的数据就只能作废。

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END 练习

• 问题：考虑一个可靠的数据传输（rdt）协议，通过一个有比特错误的信道（数据包被破坏但没有丢失）。解释检测错误并恢复的过程。

  Q：Consider a reliable data transfer (rdt) protocol over a channel with bit errors (packets are corrupted but not lost). Explain the procedure to detect and recover from errors.

  答：① 从数据包头部解析出校验和 checksum，② 通过数据包及头部计算新的校验和，③ 如果两者不匹配，则说明包错误，④ 接收方回应NAK(rdt2.1) 或 回应带有错误编号的ACK(rdt2.2/rdt3.0)

• (往年考题) rdt2.1相关问题 (书 P191 第三章习题 P6)：
  考虑我们改正协议rdt2.1的动机。试说明如图3-57所示的接收方与如 图3-11 所示的发送方运行时，接收方可能会引起发送方和接收方进人死锁状态，即双方都在等待不可能发生的事件。

  P6. Consider our motivation for correcting protocol rdt2.1 . Show that the receiver, shown in
  Figure 3.57 , when operating with the sender shown in Figure 3.11 , can lead the sender and
  receiver to enter into a deadlock state, where each is waiting for an event that will never occur.
  
  

  参考答案：
  假设发送方(图3-11)处于“等待来自上层的调用1”状态时，而接收方(图3-57)处于“等待来自下层的1”，
  发送方发送1号数据包，并转换到“等待ACK或NAK 1”状态，等待ACK或NAK。
  现在假设接收方正确地接受了1号数据包，发送了ACK，然后转换到“等待来自下层的0”状态，等待0号数据包。
  但是，若ACK消息损坏，rdt2.1发送方接收到损坏的ACK，条件rdt_rcv(rcvpkt)&&(corrupt(rcvpkt)为 True，
  发送方会执行udt_send(sndpkt)，重新发送1号数据包，而接收方在等待0号，has_seq1(rcvpkt)为 True,
  在没接收到0号数据包时会始终返回NAK消息，而发送方处于当前状态时接收到NAK会始终发送1号数据包。
  因此，发送方处于“等待ACK或NAK 1”状态，始终接收NAK并发送1号数据包，
  接收方处于“等待来自下层的0”状态，始终接受1号数据包并丢弃，返回NAK，从而陷入死锁状态。

• Go-Back-N 理解练习
  Go-back-N 接收方收到了packets 1,2,3,5，下面说法正确的是：
  A) 回复 ACKs 1,2,3,5
  B) 发送 packets 1,2,3,5 给应用层
  C) 不应该向应用层发送包，因为缺失了部分数据(4)
  D) 应该丢弃 packet 5 $✓$

• TCP快速重传练习
  TCP sender 窗格大小为5，待发送包共10个，sender发送pkt(1,2,3,4,5)。当sender收到下列情况的ACKs时会执行什么操作？
  ① 收到 ACK(1,2,3,4,5)
  ② 收到 ACK(1,3)
  ③ 收到 4次 ACK1
  答：① 正常发 pkt(6,7,8,9,10)；② 发 pkt(6,7,8)，等待pkt(4)是否超时（收到ACK3说明pkt2肯定收到，发送方窗格移动到[45678]，pkt45已发，只需要发送pkt678即可）；③ 重发pkt(2)，正常发pkt(6)（本题ACK n的序号与现实传输不同，表示对n号包的确认，而不是需要sender的pkt-n；第一次ACK1表示收到了pkt-1，pkt-2传输时丢失，后三次ACK1分别来自receiver接收到pkt-3,4,5时的反馈，因为没收到pkt-2，只能回复确认pkt-1收到了；收到ACK1，sender窗格移动到[23456]，可以正常发pkt-6）

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• 参考资料：
  1. 网络协议：传输层概述