深入理解计算机网络（三）：传输层

Contents

1. 1. 介绍传输层
   1. 1.1. 什么是传输层
   2. 1.2. 传输层是如何工作的
2. 2. UDP 协议
3. 3. TCP 协议
   1. 3.1. 介绍 TCP
   2. 3.2. TCP 连接管理
   3. 3.3. 可靠数据传输的实现原理
   4. 3.4. 流控制的实现原理
   5. 3.5. 拥塞控制的实现原理
   6. 3.6. TCP 协议和 UDP 协议的区别
   7. 3.7. References

介绍传输层

什么是传输层

应用层提供的服务是让两个终端的进程进行信息交换。而传输层提供是在两个终端的进程之间数据传输服务（Process-to-Process Delivery Service）。传输层的硬件组成部分，和应用层一样依然是两个终端设备，软件部分是传输层协议，如，UDP 和 TCP。

传输层位于应用层和网络层之间。它给应用层提供数据传输服务，同时，它利用了网络层提供的服务。虽然网络层的 IP （Internet Protocol）协议提供的是尽力传递服务（Best-Effort Delivery Service），也就是说网络层提供的是不可靠的数据传输，但是传输层自身可以通过相关的算法，从而实现可靠的数据传输服务。

传输层提供的服务有：

• 数据传输。
• 错误检查。
• 可靠数据传输。数据的正确性和有序性。
• 拥塞控制。

传输层主要有 TCP 和 UDP 两个协议，不同的协议提供不同的服务，适用于不同的应用场景。其中，TCP 协议提供的是可靠传输，它包含了上面所有的服务。而 UDP 协议提供的是不可靠传输，包含部分服务，即数据传输和错误检查。

传输层是如何工作的

传输层发送数据的过程：

• 客户端进程组装应用层报文
• 进程根据传输层协议，创建相应的 Socket。
• 进程将应用层消息传给 Socket。
• Socket 将应用层报文（Message）分成多份，加上传输层报文头。封装成传输层报文段（Segment）传递给网络层。

传输层接收数据的过程：

• 网络层将组装好的报文段传给传输层。
• 传输层接收到报文段，根据报文段的头部信息中的目标端口，将报文段传给指定的 Socket。
• Socket 收集到所有的报文段后，将报文段转换为应用层报文。
• 进程读取 Socket 中的应用层报文。

上述过程涉及到的一些重要的概念，接下来进行解释。

进程

在操作系统中，一个运行的程序称为一个进程。进程是分配计算机资源的最小单元。网络通信宏观上是两个可计算的终端设备之间的通信，微观上是两个进程之间的通信。

端口

端口（Port Number）一个逻辑的实体，它用于在终端设备进行网络通信时标识一个进程。一个进程可以绑定多个端口。一个端口只能属于一个进程。

网络套接字 （Network Socket）

Socket 是一个软件组件。它帮助计算机程序连接本地网络或者广域网。Socket 为进程打开网络连接，允许进程通过网络读写数据。Socket 是进程间网络通信的一个终端。Socket 是连接应用层和网络层的大门。

一个 Socket 有三个部分组成：传输层协议，IP 地址，端口。Socket 绑定了一个具体的端口，运输层通过端口知道把报文段传送给哪个进程。

UDP 协议

UDP 协议的数据传输服务有以下特征：

• 不可靠数据传输
• 无连接
• 最大网速传输
• 更小的报文头部

UDP 协议使用使用起来更简单，不需要三次握手建立连接，没有拥塞控制，简单的报文格式等。如果不需要严格的可靠数据传输，允许部分数据丢失，可以考虑使用 UDP 协议。如，应用层协议 DNS 就是使用 UDP。

UDP 报文段结构

Source_port  Dest_port
Length       Checksum
(Application data)

UDP 报文段头部共占8字节。由4个字段组成，每个字段2个字节。

Source port：表示客户端进程端口。

Dest port：表示服务端进程端口。

Length：表示报文段的头部和数据的总字节数。

Checksum：用来检查报文段是否出现错误。

TCP 协议

介绍 TCP

TCP 协议有以下特点：

• 可靠的数据传输
• 面向连接

TCP 报文段格式如下图所示：

TCP 报文段头部共占20个字节（Options为空时）。其中

Source port，Dest port，checksum 和 UDP 协议类似。

Sequence number 和 Acknowledgement number 用来实现可靠数据传输服务。

Header length 用来表示报文头部的长度，当 Options 为空时，长度为20。

Flag field 包含6个bit。其中 ACK bit 表示应答客户端是否成功接收，RST，SYN，FIN 用于连接设置。

Receive window 用于流控制。

TCP 连接管理

客户端进程和服务端进程建立 TCP 连接的过程：三次握手（Three-Way Handshake）

• 客户端发送一个特殊的 TCP 报文段（SYN segment），请求建立连接。这个特殊的报文段没有应用层数据。报文段头部设置为：SYN bit 设为1；随机设置一个initial sequence number（client_isn）。
• 服务端收到 TCP SYN 报文段。响应给客户端一个 TCP 报文段，这个响应的报文段也没有应用层数据，报文段头部设置为：SYN bit 设为1；acknowledgement number 设为 client_isn + 1；设置一个initial sequence number（server_isn）。
• 客户端收到 SYNACK 报文段。分配连接的缓存和变量。然后发送一个 TCP 报文段给服务端，表示收到服务端的响应。这个报文段同样没有应用层数据，报文段头部设置为：SYN bit 设置为0；acknowledgement number 设置为 server_isn + 1；设置 sequence number 为 client_isn + 1。

为什么建立 TCP 连接需要三次握手？

三次握手为了确定双方都准备好了，确保可以正常通信了。

关闭 TCP 连接的过程：四次挥手

• 客户端请求关闭 TCP 连接。发送一个特殊的报文段，报文段头部设置为： FIN bit 设为1。
• 服务端响应客户端请求。
• 服务端确认可以关闭TCP请求后，发送关闭 TCP 请求。发送一个特殊的报文段，报文头部设置为：FIN bit 设为1.
• 客户端响应服务端请求。

通过四次通信后，客户端和服务端可以关闭 TCP 连接，释放 TCP 连接资源，如缓存和变量。

可靠数据传输的实现原理

可靠的数据传输服务要保证服务端接收到的数据有以下特征：

• 没有数据错误
• 没有数据缺少
• 没有数据重复
• 正确的顺序

解决以上问题的方法

• 解决数据错误。通过报文头 checksum 字段的错误校验和错误重发机制，确保没有数据错误。
• 解决数据缺少。通过报文头 acknowledgement number 字段和超时重发机制，确保没有数据缺少。
• 解决数据重复。通过报文头 sequence number 字段，确保没有重复的数据。
• 正确的顺序。通过报文头 sequence number 字段，确保数据的顺序正确。

具体细节没有展开，有兴趣可以阅读参考资料中的书籍。

流控制的实现原理

流控制就是控制 TCP 报文发送的速率。它的实现是通过客户端和服务端定义的相关变量来控制的。具体的实现原理如下。

服务端

TCP 连接建立后，服务端分配 TCP 连接缓存，定义 RcvBuffer 变量表示缓存的大小，应用进程读取缓存中的数据。定义两个变量：

LastByteRcvd：网络达到的最后一个字节数。

LastByteRead：应用进程读取的最后一个字节数。

TCP 不允许数据溢出分配的缓存。所以必须保证 LastByteRcvd - LastByteRead <= RcvBuffer

客户端

客户端为了不使服务端的缓存溢出，会根据服务端缓存剩余空间大小，控制发送数据的速度。

客户端定义了一个接受窗口（Receive Window）变量 rwnd。这个变量动态变化的，它等于服务端缓存剩余空间的大小。LastByteSent 表示最后发送的一个字节，它对应服务端的LastByteRcvd。LastByteAcked 表示最后一个应答的字节，它对应服务端的 LastByteRead。变量之间的关系为：

rwnd = RcvBuffer - (LastByteSent - LastByteAcked)

TCP 连接成功后，服务端会返回它的缓存大小给客户端，客户端初始化自己的接收窗口变量 rwnd = RcvBuffer。然后客户端根据发送和应答的情况动态改变接收窗口变量大小。当 rwnd=0 时，表示服务端的缓存已经满了，客户端则停止发送 TCP 数据。

拥塞控制的实现原理

拥塞控制的实现利用了 TCP 的流控制，当拥塞发生时，通过减少客户端的发送 TCP 报文的速率，从而减少网络的拥塞。一般通过是否丢包来判断网络是否拥塞。如何避免拥塞？如何控制客户端的速率更合理？这就是拥塞控制算法需要解决的问题。

造成网络拥塞的原因：

• 路由器排队延迟。数据包到达路由器的速度接近链路容量。
• 不必要的数据包重发。大量的重复的数据包在网络中传播，占用了链路的带宽。
• 丢包。如果一个数据包在第n个路由器被丢弃了，那么这个数据包需要重新在1~n的路由器路径上传递。可以给一个优先权，已经在经过了许多路由器的数据包优先通过路由器。

拥塞控制的方法：

• 端到端拥塞控制（End-to-End Congestion Control）。如果一个 TCP 报文段丢失，表示网络出现拥塞，TCP 自动降低（流控制）接受窗口大小。
• 网络协助拥塞控制（Network-assisted Congestion Control）。网络出现拥塞，路由器直接反馈给客户端。

拥塞控制算法

• 慢热启动（Slow Start）。TCP 开始传输的初始速率很低，然后以指数增长，直到出现丢包后停止增长，速率变为当前速度的一半。
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）。当第一次丢包发生后，由慢热启动状态转为拥塞避免状态，传输速率由原来的指数增长，变为线性增长。
• 快速恢复（Fast Recovery）。
  • TCP Tahoe. 如果在拥塞避免的状态下（即线性增长）再次发生丢包。重新回到慢热启动状态，传输速度设为初始速度。
  • TCP Reno. 如果在拥塞避免的状态下（即线性增长）再次发生丢包。传输速度回到拥塞避免状态的初始速度。

通过拥塞控制算法，最终所有的连接会平均分配链路带宽，它们的传输速度会在平均线上下震荡，所有TCP 连接公平的使用网络。

TCP 协议和 UDP 协议的区别

1. TCP 是面向连接（三次握手），UDP 是无连接的。
2. TCP 提供可靠数据传输服务，UDP 提供不可靠传输。
3. TCP 有拥塞控制（传输速度根据丢包情况调整），UDP 最大速度传输。
4. TCP 报文头 20 字节，UDP 报文头 8 字节

References

[1] Computer Networking: A Top-Down Approach, by Jim Kurose

[2] Socket Definition