传输层

原 作者 周阔 | 发表于 | 分类于 2019级

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传输层(Transport)

◼ 传输层有2个协议

  • TCP（Transmission Control Protocol），传输控制协议
  • UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议

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UDP - 数据格式

  • UDP是无连接的, 减少了建立和释放连接的开销
  • UDP尽最大能力交付，不保证可靠交付
  • 因此不需要维护一些复杂的参数，首部只有8个字节（TCP的首部至少20个字节）

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◼ UDP长度（Length）

  • 占16位，首部的长度 + 数据的长度

UDP - 检验和(Checksum)

◼ 检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据

伪首部：仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

伪首部的作用: 为了更安全, 更严谨

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端口(Port)

◼ UDP首部中端口是占用2字节

  • 可以推测出端口号的取值范围是：0~65535

◼ 客户端的源端口是临时开启的随机端口

◼ 防火墙可以设置开启\关闭某些端口来提高安全性

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◼ 常用命令行

netstat –tulpn：查看处于监听状态的端口、占用端口的应用程序

telnet 主机 端口：查看是否可以访问主机的某个端口

例如:

telnet localhost 3306
Trying ::1…
Connected to localhost.
Escape character is ‘^]’.

TCP - 数据格式

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◼ 数据偏移

  • 占4位，取值范围是0x0101~0x1111
  • 用于计算首部长度
  • 乘以4：首部长度（Header Length）
  • 首部长度是20~60字节

为什么叫数据偏移?

因为TCP首部有多长, 就说明TCP数据部分要偏移多少字节

◼ 保留

  • 占6位，目前全为0

TCP - 小细节

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  • 有些资料中，TCP首部的保留（Reserved）字段占3位，标志（Flags）字段占9位
  • Wireshark中也是如此
  • 但其实两种说法都对, 因为9位的标志字段中有3个字段是没什么用的而且都是0

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TCP - 一个细节

◼ UDP的首部中有个16位的字段记录了整个UDP报文段的长度（首部+数据）

◼ 但是，TCP的首部中仅仅有个4位的字段记录了TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度

◼ 分析

UDP首部中占16位的长度字段是冗余的，纯粹是为了保证首部是32bit对齐

TCP\UDP的数据长度，完全可以由IP数据包的首部推测出来

传输层的数据长度 = 网络层的总长度 – 网络层的首部长度 – 传输层的首部长度

TCP - 检验和(Checksum)

◼ 跟UDP一样，TCP检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据

伪首部：占用12字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

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TCP - 标志位(Flags)

◼ URG（Urgent）

  • 当URG=1时，紧急指针字段才有效。表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送

◼ ACK（Acknowledgment）

  • 当ACK=1时，确认号字段才有效

◼ PSH（Push）

  • 基本不需要去关注

◼ RST（Reset）

  • 当RST=1时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接

◼ SYN（Synchronization）

  • 当SYN=1、ACK=0时，表明这是一个建立连接的请求
  • 若对方同意建立连接，则回复SYN=1、ACK=1

◼ FIN（Finish）

  • 当FIN=1时，表明数据已经发送完毕，要求释放连接

TCP - 序号、确认号、窗口

◼ 序号（Sequence Number）

  • 占4字节
  • 首先，在传输过程的每一个字节都会有一个编号
  • 在建立连接后，序号代表：这一次传给对方的TCP数据部分的第一个字节的编号

◼ 确认号（Acknowledgment Number）

  • 占4字节
  • 在建立连接后，确认号代表：期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第一个字节的编号

◼ 窗口（Window）

  • 占2字节
  • 这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）

TCP的几个要点

◼ 可靠传输

◼ 流量控制

◼ 拥塞控制

◼ 连接管理

  • 建立连接
  • 释放连接

TCP - 可靠传输 - 停止等待ARQ协议

◼ ARQ（Automatic Repeat–reQuest），自动重传请求

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疑问

◼ 若有个包重传了N次还是失败，会一直持续重传到成功为止么？

  • 这个取决于系统的设置，比如有些系统，重传5次还未成功就会发送reset报文（RST）断开TCP连接

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TCP - 可靠传输 - 连续ARQ协议 + 滑动窗口协议

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◼ 如果接收窗口最多能接收4个包

但发送方只发了2个包

◼ 接收方如何确定后面还有没有2个包？

  • 等待一定时间后没有第3个包
  • 就会返回确认收到2个包给发送方

TCP - 可靠传输 - 连续ARQ协议 + 滑动窗口协议

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◼ 现在假设每一组数据是100个字节，代表一个数据段的数据

◼ 每一组给一个编号

TCP01_序号_确认号

TCP - 可靠传输 - SACK(选择性确认)

◼ 在TCP通信过程中，如果发送序列中间某个数据包丢失（比如1、2、3、4、5中的3丢失了）

◼ TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组（最后确认的是2，会重传3、4、5）

◼ 这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送（比如4、5），降低了TCP性能

◼ 为改善上述情况，发展出了SACK（Selective acknowledgment，选择性确认）技术

  • 告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到
  • 使TCP只重新发送丢失的包（比如3），不用发送后续所有的分组（比如4、5）

TCP - 可靠传输 - SACK(选择性确认)

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◼ SACK信息会放在TCP首部的选项部分

  • Kind：占1字节。值为5代表这是SACK选项
  • Length：占1字节。表明SACK选项一共占用多少字节
  • Left Edge：占4字节，左边界
  • Right Edge：占4字节，右边界

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◼ 一对边界信息需要占用8字节，由于TCP首部的选项部分最多40字节，所以

  • SACK选项最多携带4组边界信息
  • SACK选项的最大占用字节数 = 4 * 8 + 2 = 34
  • 所以如果后面还有就只能重传了

持续更新…