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1. 传输层概述

1.1 传输层的作用

• 计网中的物理层、数据链路层和网络层共同解决了异构网络之间的通讯问题，实现主机到主机的通信。
• 传输层的主要任务是：为运行在不同主机上的应用进程提供直接的逻辑通信服务，也叫端到端的通信。
• 传输层为应用层提供端口，用来区分不同应用进程的标识符，为应用层屏蔽了下层的细节，好像一根管道直接连接了两主机的同一应用。

1.2 传输层中两个重要协议

1.2.1 TCP

• 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）为其上层提供的是面向连接的可靠的数据传输服务。
• 使用双方必须先建立逻辑上的TCP连接。在传输完数据之后必须释放TCP连接。
• TCP为了实现可靠传输，就必须使⽤很多措施，例如TCP连接管理、确认机制、超时重传、流量控制以及拥塞控制等。
• TCP的实现复杂，TCP报⽂段的首部比较大，占用处理机资源比较多。

1.2.2 UDP

• ⽤户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）为其上层提供的是⽆连接的不可靠的数据传输服务。
• 使⽤UDP通信的双方，在传送数据之前不需要建立连接。
• UDP不需要实现可靠传输，因此不需要使用实现可靠传输的各种机制。
• UDP的实现简单，UDP⽤户数据报的首部比较小。

1.2.3. 因特网中典型应用使用的运输层协议

1.3 运输层端口号

• TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）的端口号是独立的，它们之间没有任何关系。也就是说，同一台计算机上的TCP端口12345和UDP端口12345可以同时存在，它们是完全不同的端口，互不影响。这是因为TCP和UDP是两种不同的协议，它们各自维护自己的端口号空间。所以，当我们谈论网络端口时，必须同时指明协议类型（TCP或UDP）和端口号。例如，“TCP端口80”和“UDP端口80”指的是两个完全不同的端口。

1.4 UDP和TCP的对比

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2. UDP报文段格式

• UDP不需要建立连接，减少了建立与释放连接的开销。
• UDP不保证可靠传输
  • 所以没有很复杂的协议头的参数，首部仅占$8$字节（TCP占$20$字节）。

UDP首部构成

• UDP⻓度
  • 占16位，描述首部的长度+数据长度的和。
• 校验和

  • 伪首部 + 首部 + 数据

  • 伪首部是由传输层的UDP自行构造出的的首部，用于计算校验和，计算完成后丢掉。
    

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3. TCP报文段格式

TCP首部构成

• 序号

  • 对于一些大数据，我们会对齐进行分包，所以需要依靠序号来给包排序。
  • 占32⽐特，取值范围$0$ ~ $2^{32}-1$。当序号增加到最后⼀个时，下⼀个序号又回到0。
  • 序号是根据包的字节数来累加的，例如序号从$0$开始，发出了一个大小为$100$字节的包，那么下一个包的序号就是$99+1=100$，也就是下一个包开始的序号。

• 确认号

  • 占用32位，取值范围是$0$ ~ $2^{32}-1$。当确认号增加到最后一个时，下一个确认号会回到0。这是用来指出期望收到对方下一个TCP报文段的数据载荷的第一个字节的序号，同时也是对之前收到的所有数据的确认。
  • 确认号跟序号是联动的。

• 确认标志位ACK

  • 只有当ACK取值为$1$时，确认号字段才有效。ACK取值为$0$时，确认号字段无效。TCP规定：在TCP连接建立后，所有传送的TCP报文段都必须把ACK置$1$。

• 数据偏移

  • 占4比特，该字段的取值以4字节为单位。
    • 也就是说，真实长度 = 值 * 4
  • 指出TCP报⽂段的数据载荷部分的起始处距离TCP报⽂段的起始处有多远，这实际上指出了TCP报文段的首部长度。

• 窗口

  • 占16比特，该字段的取值以字节为单位。
  • 指出发送本报文段的一方的接收窗口的大小，即接收缓存的可用空间大小，这⽤来表征接收方的接收能力。
  • 在计算机网络中，经常用接收方的接收能力的大小来控制发送方的数据发送量，这就是所谓的
    流量控制。

• 校验和

  • 占16比特，用来校验TCP报文段在传输中是否出现错误。

• 标志位

  • 同步标志位SYN
    • SYN为1的TCP报文段要么是⼀个连接请求报文段，要么是⼀个连接响应报文段。
  • 终⽌标志位FIN
    • ⽤于TCP“四报文挥手”释放连接。
    • 当FIN=1时，表明此TCP报文段的发送方已经将全部数据发送完毕，现在要求释放TCP连接。
  • 复位标志位RST
    • ⽤于复位TCP连接。
    • 当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建⽴连接。
    • RST置1还⽤来拒绝⼀个⾮法的TCP报⽂段或拒绝打开⼀个TCP连接。
  • 推送标志位PSH
    • 发送⽅TCP把PSH置1，并⽴即创建⼀个TCP报⽂段发送出去，⽽不需要积累到足够多的数据再发送。
    • 接收⽅TCP收到PSH为1的TCP报⽂段，就尽快地交付给应⽤进程，⽽不再等到接收到足够 多的数据才向上交付。

• 选项（长度可变，最大40字节）

  • 最⼤报⽂段⻓度MSS选项：指出TCP报⽂段数据载荷部分的最大长度，而不是整个TCP报⽂段的⻓度。
  • 窗⼝扩⼤选项：⽤来扩⼤窗⼝，提⾼吞吐率。
  • 时间戳选项：
    • ⽤于计算往返时间RTT
    • ⽤于处理序号超范围的情况，⼜称为防⽌序号绕回PAWS。
  • 选择确认选项：⽤来实现选择确认功能。

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序号和确认号的计算

1. 根据第三个包算出第一个包的序列号：$900-400-300=200$
2. 得到第一个包的确认号：$200+300=500$
3. 由于第二个包丢了，所以需要重传，返回$500$。

总之差不多是这样的：
甲：

• 序号A，确认号K，数据长度length。

乙：

• 序号K，确认号A + length。

总结：翻转（加长度）。