自顶向下 | 带你遨游运输层

2019/04/10 10:10
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前言

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我的GIthub博客

学习导图:

学习导图

一.运输层概述

我们知道运输层位于网络层之上,网络层提供了主机之间的逻辑通道。

Q1:那既然已经把一个数据包从一个主机发到另一个主机上面了,为什么还需要运输层呢?

A1:这是因为运输层提供了应用进程之间的端-端连接。

Q2:我们知道一个电脑可能有多个进程同时在使用网络连接,那么网络包到达主机之后,怎么区分自己属于那个进程?

So,如果你对运输层感兴趣的话,可以跟笔者一起来简要了解下运输层,了解下UDPTCP两大面试常客

  • 运输层为运行在不同主机上的应用程序之间提供逻辑通信
  • 应用报文加上运输层首部形成运输层报文段,报文段通过网络层被封装成网络层分组(数据报)向目的地发送

Q1:运输层和网络层的关系

  • 运输层:运行在不同主机上的应用程序之间提供逻辑通信
  • 网络层:提供主机之间的通信

举个例子来说明两者关系:

有两个家庭,一家位于广州,一家位于北京,每家有 3个孩子。这两个家庭的孩子们喜欢彼此通信,每封信都用单独的信封通过传统的邮政服务发送。每个家庭有一个孩子负责收发邮件,北京家庭是 阿京,而广州家庭是 阿州。每周阿京去她所有的兄弟姐妹那里收集邮件,并将这些邮件交到邮递员处上。当信件到达北京家庭时,阿京也负责将信件发到她的兄弟姐妹手上,广州家庭中 阿州也负责类似工作

  • 网络层——邮递员
  • 运输层——阿京和阿州
  • 应用程序——兄弟姐妹
  • 主机——两个家庭

通过运输层协议,两台电脑仿佛直接相连一样。应用无需知道底层内部实现的原理和细节,比如怎么把远隔世界两地电脑上的数据进行相互传输

Q2:注意点

  • 运输层协议仅仅实现在网络的边缘处,例如主机,电脑,手机等。如路由器,交换机这些网络核心设备,是没有实现运输层协议的
  • 每一层协议仅仅检查分组相应的协议层字段
  • 最常用的两种输入层协议,TCPUDP
  • 运输层的下面是网络层,网络层的目的在于为不同的主机提供逻辑通信,而非主机上的进程
  • 网络层常用协议是 IP,其提供的是一种不可靠的数据传输服务
  • 为了做到为不同主机 (host) 上的应用或者说进程提供逻辑通信这一目的,运输层协议必须能分辨出数据的来源和去向。为此,运输层存在着两种行为,多路复用和多路分解

二.多路复用与多路分解

  • 多路复用:当运输层收到来自上方应用层的数据时,运输层会为数据封上一些头部信息,根据所有协议不同,封上的信息也不一样

用上面的两个家庭的例子进行形象化地阐述就是:多路复用就是阿州和阿京将兄弟姐妹的信一起交给邮递员

  • 多路分解:当运输层收到下方网络层传输来的数据时,运输层会检查多路复用时封上的信息,从而正确的把数据定向到相应的进程

Q1:如何使用运输层的协议?

操作系统提供了被称为 Socket 的接口 API 供编程人员调用,对 Socket 的形象理解是其是一种抽象,将复杂的实现 (TCP/UDP) 协议的各种行为抽形成简单的几个函数给开发人员使用。就像浏览器将发送请求报文这一 Http 协议规定的行为,抽象成我们只需要输入 Url 然后回车即可

这里需要注意的一点是:

  • 在一般情况下,一个计算机端口只能被一个进程占用
  • 一个进程可以创建多个 Socket,多个 TCP Socket 可以监听同一个端口,并保证接受的数据依旧是正确的
  • 多个 UDP Socket 就无法监听同一端口,这其中的差异源于 TCPUDP 协议的不同
  • TCP 是面向连接的,其有足够状态的信息来分辨数据来源,后定向到正确的 Socket
  • UDP 不需要维持连接,仅仅通过端口号来决定数据的去向,所以会导致冲突

三.UDPTCP的多路复用和分解

Q1:UDP的多路复用和分解

一个 UDP Socket 通过一个二元组 (目的 IP 地址,目的端口号) 来标识,当输入层收到数据时,通过检查这个二元组,来定向数据该去往哪一个 UDP Socket。这也是多个 UDP Socket 无法监听同一个端口的原因

Q2:TCP 的多路复用分解

一个 TCP Socket 通过一个四元组 (源 IP,源端口,目的 IP,目的端口号) 来标识,这也解释为什么多个 TCP Socket 可以监听同一个端口,尽管目的 IP和目的端口号是一样的,但是源 IP和源端口的组合总是不同的

TCP UDP Socket对比

四.UDP

4.1 UDP基本概念

相比于 TCP来讲,UDP是一个简单的协议,就是把网络层 IP 提供的服务封装了下,实现了多路复用和分解,提供了端到端进程间的通信和错误检验服务

相对于 TCP 来说:

缺点:

  • UDP 是不可靠的传输服务
  • 没有流量和拥塞控制

优点:

  • 能够够精细的控制数据的发送时间和速率
  • 无需事先建立连接
  • 无连接状态
  • 分组首部开销小

UDP报文端结构:

UDP 报文段结构

  • 源端口号:发送方的端口号
  • 目的端口号:接收方端口号
  • 长度:包括首部在内的报文长度
  • 检验和:用来差错检验。只发现错误不纠正,错了就扔。然后重发

4.2 可靠数据传输原理

虽然UDP并不可靠,但是我们要分析其为啥不可靠,从而引出可靠数据传输原理,有利于理解下文对TCP协议的可靠数据传输的机制

Q1:数据传输可能遇到的问题:

  • 传输中数据被损坏
  • 数据丢失
  • 数据可能乱序到达

Q2:解决方法:

  • 检验和
  • 序号
  • 定时器
  • 肯定和否定反馈分组
  • 重传

Q3:如何在保证可靠性的前提下,提高其性能?

A.通过引入流水线 (pipelining) 技术

引入流水线导致了:

  • 序号范围需要增加
  • 收发双方可能需要缓存乱序到达的分组
  • 以上两个的具体实现取决于传输协议如何处理分组丢失、损坏的问题 (是选择回退 N 步,还是选择重传)

B.通过缓存处理

读者如果对详细的缓存机制感兴趣的话,可以看下这篇文章:HTTP----HTTP缓存机制

  • 缓存处理的规则:分为强制缓存和协商缓存
  • 缓存的优点:
  • 减少了冗余的数据传递,节省宽带流量
  • 减少了服务器的负担,大大提高了网站性能
  • 加快了客户端加载网页的速度 这也正是HTTP缓存属于客户端缓存的原因

Q4:如何处理分组丢失、损坏的问题

A.回退 N

  • 其核心在于,发送方会维持一个窗口,发送方能发送的数据量取决于窗口长度,并且当丢失时会重送所有未确认的分组

  • 接收方会丢弃乱序到达的缓存

  • 特点:

    1.累计ACK

    2.单一定时器

B.选择重传

  • 核心在于,收发双方都会维持一个窗口,并且尽力保证窗口的状态是同步的,因此当分包丢失时,发送方只会重送丢失的分组

  • 接收方会缓存乱序到达的分组

  • 特点:

    1.独立ACK

    2.多个定时器

五.TCP

5.1 TCP基本概念

A.特点:

  • 面向连接
  • 全双工
  • 点对点,不存在一次发送将数据传递给多个接收方、
  • 在合适的时候发送 发送缓存 里的数据
  • 为每个数据封上一个 TCP 头部
  • TCP 连接的每一端都具有发送缓存和接受缓存

B.报文段结构

TCP报文段结构

部分参数解释:

  • 序号 (seq) :所带数据的第一个比特的序号,同时也是接收方期待的序号,等于接收方回复报文中的 ACK(n) 中的 n

  • 确认号 (ack) : 对于一个 ACK(n) 来说,告诉对方 n-1 前的数据已经收到,下一次期待的序列号为 n

  • ACK :指示,用于指示报文中确认号字段的值是有效的

  • PSH :指示,立即发送_发送缓存_里的数据

  • RST :指示,用于强制关闭连接

  • SYN : 指示,用于握手阶段也就是建立连接的阶段

  • FIN :指示,用于正常关闭连接

  • 接受窗口 :用于 TCP 的流量控制功能

5.2 可靠数据传输

  • TCP 协议为数据的每一 Byte 都编号,而非针对报文段

  • 总是维持最老未经确认的 1 Byte 的计时器

  • 每一次超时重置计时器时间会加倍

  • 错误恢复机制回退 N 步和选择重传的混合体

  • 不会丢弃乱序到达的分组,而是缓存起来(选择重传的特性)
  • 采用累计性 ACK(回退N步的特性)
  • 只会重传丢失报文段中的数据(选择重传的特性)
  • 快速重传:当接收到连续的三个重复冗余ACK(其实是收到四个同样的ACK,第一个是正常的,后三个才是冗余的),会触发快速重传,立即重发分组
  • 为什么是三个重复冗余ACK呢?

  • 答案:把三次冗余ACK作为判定丢失的准则其本身就是概率估计值所得出的(换句话说,出现三次冗余ACK大概率是分组丢失)

  • 对详细的探究过程感兴趣的读者,可以看下这篇文章:TCP的快速重传机制

5.3 流量控制

  • 为了防止过高数据流量导致接收者的接受缓存爆掉,接收者会在其 TCP报文中通过 接受窗口 指示发送者还能发送多少数据

接受窗口 (rwnd) 公式:

  • rwnd = RcvBuffer - [LastByteRead - LastbyteRead]
  • 且:LastByteSent - LastByteAcked <= rwnd

5.4 TCP 连接管理

Q1:建立连接(三次握手)

注意:Server端的ackdata是一起发送的

三次握手

  1. 客户端发送 SYN 位置 1 的报文段
  2. 服务端返回 SYN 为 1,ACK 为 1 的报文段
  3. 客户端发送 ACK 为 1,且附带数据的报文段

形象化地理解:

TCP 三次握手就好比两个人在街上隔着50米看见了对方,但是因为雾霾等原因不能100%确认,所以要通过招手的方式相互确定对方是否认识自己。

张三首先向李四招手(syn),李四看到张三向自己招手后,向对方点了点头挤出了一个微笑(ack)。张三看到李四微笑后确认了李四成功辨认出了自己(进入estalished状态)

但是李四还有点狐疑,向四周看了一看,有没有可能张三是在看别人呢,他也需要确认一下。所以李四也向张三招了招手(syn),张三看到李四向自己招手后知道对方是在寻求自己的确认,于是也点了点头挤出了微笑(ack),李四看到对方的微笑后确认了张三就是在向自己打招呼(进入established状态)。

于是两人加快步伐,走到了一起,相互拥抱

张三李四

Q2:断开连接(四次挥手)

四次挥手

  1. 客户发送 FIN 为 1 的报文段
  2. 服务端返回 ACK 为 1 的报文段
  3. 服务端发送 FIN 为 1 的报文段
  4. 客户端返回 ACK 为 1 的报文段
  5. 客户端在一段时间后,关闭连接

形象化地理解:

张三挥手(fin)——李四伤感地微笑(ack)——李四挥手(fin)——张三伤感地微笑

张三李四分手

六.拥塞控制

Q1:拥塞的代价

  • 导致分组过长的排队时延
  • 需要重传缓存溢出丢失的分组
  • 高延时导致重送分组
  • 丢包导致运输相关分组的分组交换器所作的工作全部白费

Q2:TCP 的拥塞控制

  • TCP 采用端到端的拥塞控制

  • 三个主要问题:

  1. 一个 TCP 的发送方如何限制自己的发送流量的速率?

通过设置一个拥塞窗口 (cwnd), 并且保证:LastByteSent - LastByteAcked <= min{cwnd, rwnd}

  1. 如何感知其发送路径拥塞了?
  • timeout
  • 收到一次正常 ACK 后连续收到三次冗余 ACK
  1. 感到拥塞时,采用什么样的算法改变发送速率?
  • 慢启动

cwnd 的值从 1 MSS 开始,并且对每一个 ACKcwnd 值变为原来的 2 倍,直到超过阈值 (ssthresh),转为拥塞避免模式

  • 拥塞避免

在每一个 RRT 时间,cwnd 的值增加一个 MSS

  • 快速恢复

cwnd 的值降为一半加上重复收到的重复 ACK 的数量,并且每一个 ACKcwnd 的值增加一个 MSS

在实践中,一旦 timeout 就会会到慢启动的状态,多次重复 ACK 则会进入快速恢复状态

Q3:TCP 公平

TCP 的公平性在于保证每个连接的吞吐量是平均的,而不是应用或进程间

七.再谈握手和挥手

7.1 为啥一定要三次握手,两次不行吗?

弄清这个问题,我们需要先弄明白三次握手的目的是什么,能不能只用两次握手来达到同样的目的。

  • 第一次握手:客户端发送网络包,服务端收到了。 这样服务端就能得出结论:客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
  • 第二次握手:服务端发包,客户端收到了。 这样客户端就能得出结论:服务端的接收、发送能力,客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。
  • 第三次握手:客户端发包,服务端收到了。 这样服务端就能得出结论:客户端的接收、发送能力正常,服务器自己的发送、接收能力也正常。

因此,需要三次握手才能双方确认双方的接收与发送能力是否正常

如果将发送比喻为挥手,接收比喻为视力正常的话,就有下面的例子

张三李四

试想如果是用两次握手,可能会出现下面这种情况:

如客户端发出连接请求,但因连接请求报文丢失而未收到确认,于是客户端再重传一次连接请求。后来收到了确认,建立了连接。数据传输完毕后,就释放了连接,客户端共发出了两个连接请求报文段,其中第一个丢失,第二个到达了服务端,但是第一个丢失的报文段只是在某些网络结点长时间滞留了,延误到连接释放以后的某个时间才到达服务端,此时服务端误认为客户端又发出一次新的连接请求,于是就向客户端发出确认报文段,同意建立连接,不采用三次握手,只要服务端发出确认,就建立新的连接了,此时客户端忽略服务端发来的确认,也不发送数据,则服务端一直等待客户端发送数据,浪费资源

两次握手弊端

7.2 为啥挥手要四次?

这是因为服务端在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACKSYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,当收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,所以服务端可以立即close,也可以发送一些数据给客户端后,再发送FIN报文给客户端来表示同意现在关闭连接,因此,服务端ACKFIN一般都会分开发送。

八.碎碎念

恭喜你,成功看到了这里,现在的你,想必已经对运输层有自己的体会了;其实,运输层的知识点远不止这些,限于篇幅,把所有运输层的知识全部塞进这篇文章中,也不是特别现实;我们可以尝试看多几本相关的书籍,从而丰富自己的知识体系,从而得到更深的见解。

笔者也会不断学习,不断丰富自己,到时候(待老师讲解到这里了/看了别的书)如果有比较好的观点,本文也会持续改进更新,感谢您的支持。

最后笔者夹带一下私货,附上比较完整的计网面试题:计算机网络太难?了解这一篇就够了


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本文参考链接:

原文出处:https://www.cnblogs.com/xcynice/p/dai_ni_ao_you_yun_shu_ceng.html

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