本系列文章为408考研计算机网络知识点整理仅涉及到一些重要的考研知识点并不完全包含全部知识，参考书目和视频资料：谢希仁 计算机网络(第8版)，王道考研计算机网络，B站湖科大计算机网络微课堂。

5.1 运输层简介

运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信。两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。应用进程之间的通信又称为端到端的通信。运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务。“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。

运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。

运输层还要对收到的报文进行差错检测。运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。   

5.2 运输层端口号、复用与分用的概念

5.2.1 端口号

5.2.2 发送方的复用和接收方的分用

5.3 UDP和TCP的对比

  • UDP不会对应用层报文进行任何修改，在传送的过程中只会增加和移除UDP首部，所以是面向应用报文的。
  • TCP 协议中，发送方的TCP把应用层交付下来的数据块看成一连串的字节流，编号并存储在发送缓存中，TCP根据发送策略选取一部分字节流并添加TCP首部发送出去。接收方的TCP接受后将其转变为字节流存在缓存中并根据策略发送。发送方发送的数据块和接收方接受到的数据块个数不用相同，保证字节流相同即可。

5.4 TCP流量控制

一般来说，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。
所谓流量控制(flow control)就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。

假设初始滑动窗口为400字节，TCP数据报文段最大接受100字节，B主机针对自己缓存中剩余空间的情况对主机A进行流量控制，具体如下：

主机A收到0窗口的通知后就会启动一个持续计时器，作用是防止B主机发出的信息丢失造成的死锁。需要注意的是TCP协议规定，即时接收窗口为0，也必须接受0窗口探测报文段，确认报文段以及携带紧急数据的报文段。

如果0窗口探测报文丢失，也不会造成死锁，因为存在重传计时器。

5.5 TCP拥塞控制

5.5.1 定义

5.5.2 拥塞控制算法

慢开始

在慢开始算法中，发送方每接收到一个对新报文段的确认时，就将拥塞窗口+1，直到拥塞窗口增加到慢开始门限时执行拥塞避免算法。

拥塞避免

快重传

快恢复

发送窗口的上限值

发送方的发送窗口的上限值应当取为接收方窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定：

发送窗口的上限值 = Min [rwnd, cwnd]                

当 rwnd < cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值。

当 cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。

5.6 TCP可靠传输的实现

TCP 连接的每一端都必须设有两个窗口——一个发送窗口和一个接收窗口。

TCP 的可靠传输机制用字节的序号进行控制。TCP 所有的确认都是基于序号而不是基于报文段。TCP 两端的四个窗口经常处于动态变化之中。

TCP连接的往返时间 RTT 也不是固定不变的。需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间。 

如何描述发送窗口的状态？

5.7 TCP的传输连接管理

连接建立过程中要解决以下三个问题：

  • 要使每一方能够确知对方的存在。
  • 要允许双方协商一些参数（如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等）。
  • 能够对运输实体资源（如缓存大小，连接表中的项目等）进行分配。 

5.7.1 TCP的连接建立

  • TCP服务器进程先创建传输控制块，然后进入监听状态，存储TCP传输中的重要信息。
  • TCP客户端进程首先也是创建传输控制块，然后向服务器进程发送TCP连接请求报文段，进入同步已发送状态，TCP连接请求报文段的同步位SYN设置为1，表明是一个TCP连接请求报文段，序号字段seq设置为一个初始值x，作为TCP客户进程的初始序号，TCP规定SYN被设置为1的报文段不能携带数据，但是要消耗一个序号。
  • TCP服务进程收到报文后，发送TCP连接请求确认报文段，进入同步已接收状态，SYN和确认位ACK都为1，表面是一个TCP连接请求确认报文段，序号值seq设置为了一个初始序号y， 作为TCP服务进程选择的初始序号，确认号字段ack的值被设置为了x+1，这是对 TCP客户进程所选择的初始序号的确认。
  • TCP客户进程收到TCP服务进程发来的确认报文段后再向TCP服务器发送一个普通的TCP确认报文段，进入连接已建立状态。TCP规定普通的TCP确认报文段可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号，下一个发送的报文段序号不变。
  • TCP服务器收到确认报文段后进入连接已建立状态，可以进行数据传输。

为什么要“三报文”握手，而不是“两报文”握手，最后一次的确认是否多余？

5.7.2 TCP的连接释放

为什么需要等待2MSL？

保活计时器

5.8 TCP报文段的首部格式

  • 源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。 
  • 序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
  • 确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
  • 数据偏移（首部长度）——占 4 位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）。 
  • 保留字段——占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。
  • 紧急 URG —— 当 URG = 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
  • 确认 ACK —— 只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。当 ACK = 0 时，确认号无效。
  • 推送 PSH (Push) —— 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。 
  • 复位 RST (Reset) —— 当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
  • 同步 SYN —— 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
  • 终止 FIN (FINis) —— 用来释放一个连接。FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
  • 窗口字段 —— 占 2 字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。
  • 检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
  • 紧急指针字段 —— 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。  
  • 选项字段 —— 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”MSS (Maximum Segment Size)是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上 TCP 首部 才等于整个的 TCP 报文段。
    • 窗口扩大选项 ——占 3 字节，其中有一个字节表示移位值 S。新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位数增大到(16 + S)，相当于把窗口值向左移动 S 位后获得实际的窗口大小。
    • 时间戳选项——占10 字节，其中最主要的字段时间戳值字段（4 字节）和时间戳回送回答字段（4 字节）。
    • 选择确认选项（SACK）——接收方收到了和前面的字节流不连续的两个字节块。如果这些字节的序号都在接收窗口之内，那么接收方就先收下这些数据，但要把这些信息准确地告诉发送方，使发送方不要再重复发送这些已收到的数据。
  • 填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。