传输层

传输层依赖于网络层，是对网络层的加强。

网络层实现了主机到主机之间的通信，传输层实现了进程到进程之间的通信。

传输层提供的服务

IP+端口号=进程

客户端主动发起通信，服务器被动通信

端口号分类只是一种“建议标准”，而不是“强制标准”

UDP

UDP vs TCP

UDP数据报格式

但是因为UDP最终是要封装到IP数据报里的，受限于IP数据报，其实最大长度只有65515B

UDP检验

TCP

三大阶段：

• 建立连接（三次握手）
• 数据传输
• 释放连接（四次挥手）

释放连接的过程既可以是客户端先，也可以是服务器先

TCP报文段

数据偏移部分实际上定义了TCP首部的长度—所以要计算TCP数据部分长度，必须要结合IP数据报的信息

三次握手

SYN=1:请求/同意请求连接

四次挥手

时间等待：因为接收方不一定成功收到挥手4，可能会重新发送挥手3，接着就会重新发送挥手4并且进入TIME-WAIT阶段

总结：

补充：rdt

rdt 是 可靠数据传输 的核心教学模型，也是理解 TCP 工作原理的基石，可以通过rdt深入传输层可靠通信的原理。

rdt 的全称是 Reliable Data Transfer。它通过一系列逐渐复杂的模型（rdt 1.0， rdt 2.0， rdt 2.1， rdt 2.2， rdt 3.0）来解决网络传输中可能遇到的各种问题。

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核心问题：底层信道是不可靠的

网络信道可能会发生：

1. 比特差错：0变成1，1变成0。
2. 数据丢失：数据包或确认包在网络中“消失”了。
3. 乱序：（在更复杂的模型中）数据包不按顺序到达。

rdt 的目标就是在这样的不可靠信道上，实现一个可靠的数据传输服务。

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rdt 模型演进详解

1. rdt 1.0：完全可靠的信道

• 假设：底层信道是完全可靠的！不会发生比特错误，也不会丢失数据包。
• 机制：
  • 发送方：只管发送数据。
  • 接收方：只管接收数据。
• 评价：这只是一个理想模型，为后续演进做铺垫。

2. rdt 2.0：具有比特差错的信道

• 引入问题：信道可能产生比特差错，但数据包不会丢失。
• 引入机制：
  • 差错检测：发送方在包中添加校验和，接收方通过校验和判断数据是否出错。
  • 接收方反馈：接收方必须向发送方发送一个 ACK 或 NAK。
    • ACK：确认包正确接收。
    • NAK：否认，表示包有错误。
  • 重传机制：如果发送方收到 NAK，它会重传上一个数据包。
• 工作流程：
  1. 发送方发送一个包，然后等待接收方的 ACK 或 NAK。
  2. 接收方检查包：
     • 如果无错，回送 ACK。
     • 如果有错，回送 NAK。
  3. 发送方收到反馈：
     • 如果是 ACK，发送下一个包。
     • 如果是 NAK，重传当前包。
• 缺陷：如果 ACK 或 NAK 本身在传输中出错或损坏了怎么办？发送方无法知道接收方到底收到了没有。

3. rdt 2.1 和 2.2：解决ACK/NAK损坏问题

• 核心思想：取消NAK，只用ACK。并通过在数据包和ACK包中引入序号来解决反馈信息的二义性。
• 引入机制：
  • 序列号：即使是简单的 0 和 1 交替序号也足够了。
  • 发送方：
    • 发送序号为 0 的数据包。
    • 如果收到对序号 0 的ACK，则发送序号为 1 的数据包。
    • 如果收到一个损坏的ACK，或者收到一个“错误”的ACK（比如期待对 0 的确认，却收到了对 1 的确认），它就重传当前数据包。
  • 接收方：
    • 检查序号。如果收到一个重复的序号（比如期望收到 1，却再次收到了 0），说明发送方没有收到上一次的ACK。此时，接收方会再次发送ACK，告知发送方：“我已经收到了这个包，请发下一个！”
• rdt 2.1 vs 2.2：rdt 2.2 是对 2.1 的轻微优化，它完全取消了NAK。接收方通过回送一个带有序号的ACK来确认。例如，回送 ACK 0 表示“我期望收到序号为0的包”（即确认了序号为1的包之前的那个包）。
• 评价：至此，我们解决了比特差错和反馈信息损坏的问题。但数据包丢失的问题仍未解决。

4. rdt 3.0：具有比特差错和丢包的信道

• 引入问题：数据包或ACK包可能会在信道中丢失。
• 后果：发送方会永远等待一个永远不会到来的ACK。
• 引入机制：倒计数定时器
  • 发送方在每次发送一个数据包后，都会启动一个定时器。
  • 如果在定时器超时前收到了对应的ACK，则定时器取消，发送下一个包。
  • 如果定时器超时了，无论是因为数据包丢了还是ACK丢了，发送方都会重传这个数据包，并重新启动定时器。
• 工作流程：这就是你熟悉的 “停止-等待协议”：
  1. 发送一个包，启动定时器。
  2. 等待。
  3. 可能发生三种情况：
     • ACK在超时前到达：万事大吉，发下一个包。
     • 数据包丢失：定时器超时，重传。
     • ACK丢失：定时器超时，重传。（接收方会收到重复包，但通过序号可以识别并丢弃它，同时再次发送ACK）。
• 评价：rdt 3.0 是一个功能完整的可靠数据传输协议！但它有一个致命缺点：性能极低。因为它是“停等”的，发送方在收到上一个包的ACK之前，不能发送下一个包，信道利用率非常低。

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从 rdt 到 TCP

rdt 模型是TCP的设计原理，但TCP为了高性能，做了关键改进：

• 流水线机制：允许发送方在未收到确认前，连续发送多个分组。这正是你PPT中提到的 “滑动窗口协议” 和 “连续ARQ”。
• 累计确认：TCP接收方可以只确认最后一个按序到达的字节，表示之前的所有字节都已收到。
• 更复杂的拥塞控制：不仅仅是处理丢包（视为错误），还将丢包作为网络拥塞的信号，并主动降低发送速率。

总结

我们需要理解：

1. 可靠传输要解决的根本问题：差错、丢失、乱序。
2. 实现可靠性的核心机制：
   • 校验和 -> 检测差错
   • 确认ACK -> 接收方反馈
   • 序号 -> 处理重复、乱序和ACK二义性
   • 定时器与重传 -> 处理丢失
3. 从理想模型到现实模型的演进思路。

理解了 rdt，再回头看TCP的三次握手、滑动窗口、超时重传等机制，就会觉得豁然开朗，因为它们都是为了在 rdt 的基础上实现高性能的可靠传输。