文章目录
1. 概述和传输层服务
2. 多路复用与多路分用
3. UDP：无连接运输
4. 可靠数据的传输原理
1. 构造可靠的数据传输协议
2. 滑动窗口协议与流水线机制
1.滑动窗口协议：GBN
2. 滑动窗口协议：SR

1. 概述和传输层服务

传输层协议为运行在不同主机上的进程提供了一种逻辑通信机制


传输层与网络层的区别

网络层提供主机之间的逻辑通信机制，传输层提供应用进程之间的逻辑通信机制。


Internet 传输层协议

可靠、按序的交付服务(TCP)：拥塞控制、流量控制、连接建立

不可靠的交付服务(UDP)：基于“尽力而为(Best-effort)”的网络层，没有做（可靠性方面的）扩展

两种服务均不保证： 延迟 带宽


2. 多路复用与多路分用
接收端的多路分用：传输层依据头部信息将收到的Segment交给正确的Socket，即不同的进程

发送端的多路复用：从多个Socket接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层



分用工作流程


无连接分用UDP

一个UDP套接字是由一个二元组全面标识的，该二元组包含一个目的IP地址和一个目的端口号。




面向连接的分用

TCP的Socket用四元组标识。即使目的地址和目的端口相同，如果具有不同源地址或者源端口，TCP报文段将会定向到不同的套接字。





多线程Web服务器：在服务器，只开有一个端口号80




3. UDP：无连接运输

UDP协议是基于IP协议的，它提供了上节的多路复用/分用，同时也增加了一些简单的错误校验。

UDP提供的服务是“Best effort”服务，UDP段可能 丢失，非按序到达。

无连接： UDP发送方和接收方之间不需要握手，每个UDP段的处理独立于其他段。



UDP的应用


校验和

之所以UDP要进行差错检验，是因为不能保证源和目的之间的所有链路层都提供差错检测。






4. 可靠数据的传输原理
可靠指的是不错（0变成1）、不丢（分组丢失）、不乱（按照发送顺序进行交付）。


1. 构造可靠的数据传输协议
仅考虑单向的数据传输，但是控制信息是双向流动，同时采用有限状态自动机FSM刻画传输协议。



经完全可靠信道的可靠数据传输：rdt1.0

可靠信道也就意味着底层信道是完全可靠的，即不会发生错误和丢弃分组，也是按顺序到达。



发送端：



接收端：





经具有比特差错信息的可靠数据传输：rdt2.0

具有比特差错信息的可靠数据传输，意味着底层信道可能会反转分组中的位，但是不会产生丢包和乱序。ARQ协议



发送端：





接收端：





经具有比特差错信息的可靠数据传输：rdt2.1 和  rdt2.2







经具有比特差错信息的丢包信道的可靠数据传输：rdt3




2. 滑动窗口协议与流水线机制


rdt3.0的性能分析

假定分组长L=1000bits,信道带宽为1Gbps




流水线机制

不用停等方式运行，允许发送方发送多个分组而无需等待确认。



流水线机制对于可靠数据传输协议带来了几个影响：

更大的序列号范围

发送方和/或接收方需要更大的存储空间以缓存分组



为了实现流水线机制，需要引入滑动窗口协议。

1.滑动窗口协议：GBN
窗口的图示以及分段信息，窗口尺寸为N，也就是最多有N歌等待确认的消息，随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前移动。：



发送方：



接收方：



整体流程：注意，在接收方，分组2丢失，所以分组3、4、5都会被丢弃。


2. 滑动窗口协议：SR
从上图可以看出，在GBN中，单个分组的差错能够引起GBN重传大量分组，许多分组没必要重传。而选择重传协议（SR）则通过让发送方仅重传那些它怀疑在接收方出错的分组而避免不必要的重传。窗口长度必须小于或等于序号空间大小的一半。



窗口图示：



发送方：



接收方：



图示：

传输层服务的基本理论和基本机制

多路复用/分用
可靠数据传输机制
流量控制机制
拥塞控制机制

掌握Internet的传输层协议

UDP：无连接传输服务
TCP：面向连接的传输服务
TCP拥塞控制

一、传输层服务和协议
传输层协议为运行不同Host上的进程提供了一种逻辑通信机制
端系统运行传输层协议

发送方：将应用递交的消息分成一个或多个的Segment，并向下传给网络层
接收方：将接收到的Segment组装成消息，并向上交给应用层

传输层可以为应用提供多种协议

Internet上的TCP
Internet上的UDP

传输层 V.s. 网络层
网络层：提供主机之间的逻辑通信机制
传输层：提供应用进程之间的逻辑通信机制

位于网络层之上
依赖于网络层服务
对网络层服务进行（可能的）增强

二、Internet传输层协议
可靠、按序的交付服务（TCP）

拥塞控制
流量控制
连接建立

不可靠的交付服务（UDP）

基于“尽力而为（Best-effort）”的网络层，没有做（可靠性方面的）扩展

两种服务均不保证：延迟、带宽
三、多路复用/分用
原因：如果某层的一个协议对应直接上层的多个协议/实体，则需要复用/分用。

接收端进行多路分用：传输层依据头部信息将收到的segment交给正确的socket，即不同的进程。
发送端进行多路复用：从多个Socket接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层

分用的基本原理
主机接收到IP数据报（datagram）

每个数据报携带源IP地址、目的IP地址
每个数据报携带一个传输层的段（Segment）
每个段携带源端口号和目的端口号

主机收到Segment之后，传输层协议提取IP地址和端口号信息，将Segment导向相应的Socket

TCP做更多处理

无连接分用


利用端口号创建Socket


UDP的Socket用二元组标识

目的IP地址，目的端口号



主机收到UDP段后


检查段中的目的端口号


将UDP段导向绑定在该端口号的Socket




来自不同源IP地址和/或源端口号的IP数据包被导向同一个Socket


面向连接的分用

TCP的socket用四元组标识

源IP地址
源端口号
目的IP地址
目的端口号


接收端利用所有的四个值将segment导向合适的socket
服务器可能同时支持多个TCP socket

每个socket用自己的四元组标识


Web服务器为每个客户端开不同的socket

四、UDP：User Datagram Protocol
基于Internet IP协议

复用/分用
简单的错误校验

Best effort 服务，UDP段可能

丢失
非按序到达

无连接

UDP发送方和接收方之间不需要握手
每个UDP段的处理独立于其他段

UDP为什么存在？

无需建立连接（减少延迟）
实现简单：无需维护连接状态
头部开销少
没有拥塞控制：应用可更好的控制发送时间和速率

UDP用途
常用于流媒体应用：容忍丢失，速率敏感
还用于：DNS，SNMP
如何在UDP上实现可靠数据传输

在应用层增加可靠性机制
应用特定的错误恢复机制

UDP校验和（checksum）
目的：检测UDP段在传输中是否发生错误（如位翻转）
发送方

将段的内容视为16-bit整数
校验和计算：计算所有整数的和，进位加在和的后面，将得到的值按位求反，得到校验和
发送方将校验和放入校验和字段

接收方

计算所收到段的校验和
将其预校验和字段进行对比

不相等：检测出错误
相等：没有检测出错误（但可能有错误）

　　什么是频分多路复用(FDM)
　　“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。比如，传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。
　　有三种基本的多路复用方式：频分复用(FDM)、时分复用(TDM)与码分复用(CDM)。按频率区分信号的方法叫频分复用，按时间区分信号的方法叫时分复用，而按扩频码区分信号的方式称为码分复用。
　　频分复用的目的在于提高频带利用率。通常，在通信系统中，信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此，一个信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，因而提出了信道的频分复用问题。图1示出了一个频分复用电话系统的组成框图。图中，复用的信号共有 路，每路信号首先通过低通滤波器(LPF)，以限制各路信号的最高频率 。为简单起见，无妨设各路的 都相等。例如，若各路都是话音信号，则每路信号的最高频率皆为3400Hz。然后，各路信号通过各自的调制器进行频谱搬移。调制器的电路一般是相同的，但所用的载波频率不同。调制的方式原则上可任意选择，但最常用的是单边带调制，因为它最节省频带。因此，图中的调制器由相乘器和边带滤波器(SBF)构成。在选择载频时，既应考虑到边带频谱的宽度，还应留有一定的防护频带 ，以防止邻路信号间相互干扰，即
　　式中， 和 分别为第 路和第( +1)路的载波频率。显然，邻路间隔防护频带越大，对边带滤波器的技术要求越低。但这时占用的总频带要加宽，这对提高信道复用率不利。因此，实际中应尽量提高边带滤波技术，以使 尽量缩小。目前，按CCITT标准，防护频带间隔应为900Hz。
　　经过调制的各路信号，在频率位置上就被分开了。因此，可以通过相加器将它们合并成适合信道内传输的复用信号，其频谱结构如图2所示。图中，各路信号具有相同的fm ，但它们的频谱结构可能不同。 n路单边带信号的总频带宽度为
　　合并后的复用信号，原则上可以在信道中传输，但有时为了更好地利用信道的传输特性，还可以再进行一次调制。
　　在接收端，可利用相应的带通滤波器(BPF)来区分开各路信号的频谱。然后，再通过各自的相干解调器便可恢复各路调制信号。
　　频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。

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运输层
主机到主机数据传输，负责从应用层接收消息，并传输应用层的message，到达目的后将消息上交应用。

–TCP, UDP

运输层服务

•在运行不同主机上应用进程之间提供逻辑通信

•运输协议运行在端系统中

–发送方：将应用报文划分为报文段（segment），传向网络层

–接收方：将报文段重新装配为报文，传向应用层

运输层协议

–TCP和UDP

复用和分解

多路分解：在接收端，运输层检查这些字段，标识出接收接收套接字，进而将报文定向到该套接字，将运输层报文段数据交付到正确的套接字的工作。

多路复用：在源主机从不同套接字种收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息，从而生成报文段，然后将报文段传递到网络层。

UDP和TCP

UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI参考模型中的传输层协议，它是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

UDP的正式规范是IETF RFC768。UDP在IP报文的协议号是17。


•基于网络层IP服务，几乎没有太多扩展–复用和分解–简单的错误检测checksum

•“没有不必要的,”“基本要素” 互联网传输协议

•“尽力而为”服务，UDP段可能会发生：–丢包–对应用程序交付失序

•无连接:

–在UDP发送方和接收方之间无握手

–每个UDP段的处理独立于其他段

UDP的优点

•无连接创建过程 (时延)

•简单：在发送方、接收方无连接状态，不需要维护

•段首部小

•无拥塞控制: UDP能够尽可能快地传输
TCP(传输控制协议)提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户端和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。



TCP建立连接需要三次握手

第一次:

客户端 - - > 服务器  此时服务器知道了客户端要建立连接了

第二次:

客户端 < - - 服务器  此时客户端知道服务器收到连接请求了

第三次:

客户端 - - > 服务器  此时服务器知道客户端收到了自己的回应

到这里, 就可以认为客户端与服务器已经建立了连接.


UDP和TCP的区别


TCP(传输控制协议)提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户端和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。

UDP(用户数据报协议)是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

由于UDP缺乏拥塞控制（congestion control），需要基于网络的机制来减少因失控和高速UDP流量负荷而导致的拥塞崩溃效应。换句话说，因为UDP发送者不能够检测拥塞，所以像使用包队列和丢弃技术的路由器这样的网络基本设备往往就成为降低UDP过大通信量的有效工具。数据报拥塞控制协议（DCCP）设计成通过在诸如流媒体类型的高速率UDP流中，增加主机拥塞控制，来减小这个潜在的问题。
可靠数据传输原理

可靠性在应用层、运输层、数据链路层的重要性

网络领域关键问题按重要性排序，top10之一!

无错，无丢，无乱



111111 发送方             1111111111111111111111111111111111                        接收方


1111111111111111111111111                               不可靠信道
可靠数据传输协议



•底层信道可能翻转分组中的位(bit)—位错误

–利用 校验和 检测位错误

•如何从错误中恢复 ？

–确认机制(Acknowledgements, ACK):  接收方显式地告知发送方分组已正确接收

–NAK: 接收方显式地告知发送方分组有错误

–发送方收到NAK 后 ，重传分组

•基于这种重传机制的rdt协议称为ARQ(Automatic Repeat reQuest) 协议

•Rdt 2.0 中引入的新机制（在rdt1.0上更新的机制）

–差错检测

–接收方反馈控制消息: ACK/NAK

–重传








rdt2.2

•真的需要ACK和NAK这两种确认消息吗？

•rdt2.2:一种无NAK的协议

•与rdt2.1一样的功能，仅使用ACK

•代替NAK,接收方对最后正确接收的分组发送ACK

–接收方必须明确地包括被确认分组的序号

•在发送方冗余的ACK导致如同NAK相同的动作：

•重传当前分组


rdt3.0:具有差错和丢包的信道

新假设:下面的信道也能丢失分组(数据或ACK)

–检查和、序号、ACK、重传

–将是有帮助的，但不充分