传输层服务和协议
传输层协议为运行在不同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
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
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
多路复用/分用
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
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
···
DatagramSocket mySocket1 = new DatagramSocket(99111);
DatagramSocket mySocket2 = new DatagramSocket(99222);
···
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TCPSocket，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
面向连接的分用 ： 多线程Web 服务器
UDP
- 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: 应用可更好地控制发送时间和速率
常用于流媒体应用：容忍丢失， 速率敏感
UDP还用于：DNS， SNMP
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， 将其与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 ）
可靠数据传输原理
- 什么是可靠 ？
- 不错、不丢、不乱
- 可靠数据传输协议
- 可靠数据传输对应用层、传输层、链路层都很重要
- 网络Top-10问题
- 信道的不可靠特性决定了可靠数据传输协议(rdt)的复杂性
可靠数据传输协议基本结构: 接口
渐进地设计可靠数据传输协议的发送方和接收方，只考虑单向数据传输，但控制信息双向流动，利用状态机(Finite State Machine, FSM)刻画传输协议
Rdt 1.0: 可靠信道上的可靠数据传输
底层信道完全可靠：不会发生错误(bit error)，不会丢弃分组，发送方和接收方的FSM独立
Rdt 2.0: 产生位错误的信道
- 底层信道可能翻转分组中的位(bit)
- 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
- 差错检测
- 接收方反馈控制消息: ACK/NAK
- 重传
Rdt 2.0: FSM
Rdt 2.0: 无错误场景
Rdt 2.0: 有错误场景
Rdt 2.1 和2.2
Rdt 2.0 有什么缺陷 ？
如果ACK/NAK 消息发生错误/ 被破坏(corrupted) 会怎么样 ？
- 为ACK/NAK 增加校验和 ， 检错并纠错
- 发送方收到被破坏ACK/NAK 时不知道接收方发生了什么 ， 添加额外的控制消息
- 如果ACK/NAK 坏掉 ， 发送方重传
- 不能简单的重传 ： 产生
如何解决重复分组问题 ？ - 序列号(Sequence number): 发送方给每个分组增加序列号
- 接收方丢弃重复分组
Rdt 2.1: 发送方, 应对ACK/NAK 破坏
Rdt 2.1: 接收方, 应对ACK/NAK 破坏
发送方：
- 为每个分组增加了序列号
- 两个序列号(0, 1)就够用
- 需校验ACK/NAK消息是否发生错误
- 状态数量翻倍
- 状态必须“记住”“当前”的分组序列号
接收方
- 需判断分组是否是重复
- 当前所处状态提供了期望收到分组的序列号
- 注意：接收方无法知道ACK/NAK是否被发送方正确收到
Rdt 2.2: 无NAK 消息协议
我们真的需要两种确认消息(ACK + NAK) 吗 ？与rdt 2.1 功能相同 ， 但是只使用ACK, 接收方通过ACK, 在ACK 消息中显式地加入被确认分组的序列号,发送方收到重复ACK 之后 ， 采取与收到NAK 消息相同的动作, 重传当前分组
Rdt 3.0
如果信道既可能发生错误 ， 也可能丢失分组 ， 怎么办?“校验和 + 序列号 + ACK + 重传”够用吗？
方法：发送方等待“合理”时间
- 如果没收到ACK，重传
- 如果分组或ACK只是延迟而不是丢了
- 重传会产生重复，序列号机制能够处理
- 接收方需在ACK中显式告知所确认的分组
- 需要定时器
Rdt 3.0 发送方FSM
Rdt 3.0: 停等操作
流水线机制 ： 提高资源利用率
流水线协议
允许发送方在收到ACK之前连续发送多个分组
- 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
滑动窗口协议
滑动窗口协议: Sliding-window protocol
窗口
- 允许使用的序列号范围
- 窗口尺寸为N：最多有N个等待确认的消息
滑动窗口: 随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前滑动
滑动窗口协议：GBN, SR
Go-Back-N 协议
Go-Back-N(GBN) 协议: 发送方
- 分组头部包含k-bit序列号
- 窗口尺寸为N，最多允许N个分组未确认
- ACK(n): 确认到序列号n(包含n)的分组均已被正确接收
- 可能收到重复ACK
- 为空中的分组设置计时器(timer)
- 超时Timeout(n)事件: 重传序列号大于等于n，还未收到ACK的所有分组
GBN: 发送方扩展FSM
GBN: 接收方扩展FSM
ACK机制: 发送拥有最高序列号的、已被正确接收的分组的ACK,可能产生重复ACK只需要记住唯一的expectedseqnum
乱序到达的分组：
- 直接丢弃接收方没有缓存
- 重新确认序列号最大的、按序到达的分组
Selective Repeat 协议
GBN 有什么缺陷 ？
- 接收方对每个分组单独进行确认
- 设置缓存机制，缓存乱序到达的分组
- 发送方只重传那些没收到ACK的分组
- 为每个分组设置定时器
- 发送方窗口
- N个连续的序列号
- 限制已发送且未确认的分组
小节
