计算机网络知识点整理(3)：传输层

Last updated on May 5, 2025 pm

这是SJTU-CS3611《计算机网络》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第3章：传输层”。

3.1 传输层概述

  • ​逻辑通信：为不同主机上的应用进程间提供逻辑通信
  • 服务协议：
    • TCP：面向连接、可靠传输、流量控制、拥塞控制
    • UDP：无连接、尽力而为交付
  • ​核心功能：
    • 多路复用与分解
    • 差错检测（UDP / TCP）
    • 可靠数据传输（TCP）
    • 流量控制与拥塞控制

3.2 多路复用与分解

  • 基本概念：
    • 多路复用：多个应用进程共享传输层服务
    • ​多路分解：将接收的数据正确交付给目标套接字
  • 无连接的实现：
    • 使用二元组（目的 IP、目的端口）标识套接字
    • 源端口作为“返回地址”
  • 面向连接的实现：
    • 使用四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）标识套接字
    • 支持并发连接（Web 服务器通过不同四元组区分客户端）

3.3 UDP

3.3.1 优缺点

  • 缺点：

    • 无确认机制：数据报可能丢失
    • 无顺序保证：数据报无序交付给应用

  • 优点：

    • 无需建立连接：降低 RTT 延迟
    • 无需维护连接状态：更简单
    • 无拥塞控制：可全力发送数据
    • 分组首部开销小

3.3.2 应用场景

  • DNS 查询
  • SNMP 网络管理
  • HTTP/3
  • 流式多媒体应用
    • 耐损耗
    • 对速率敏感

3.3.3 报文段结构

UDP 报文段结构

  • 长度：包括首部，以字节为单位

3.3.4 差错检测

  • 校验和：
    • 对所有 16 比特字的和进行反码运算
    • 任何溢出都要回卷

3.4 可靠传输

3.4.1 停止-等待

  • RDT1.0：经完全可靠信道
    • 底层信道完全可靠（无比特错误，无丢包）
  • RDT2.0：经具有比特差错信道
    • 停止-等待：发送者发送一个数据包，等待接收者响应
    • 接收方反馈：采用 ACK / NAK 反馈机制
    • 重传：发送者在收到 NAK 时重新传输数据包
  • RDT2.1：
    • 添加序列号：仅需两个序列号（0 和 1）
  • RDT2.2：
    • 无 NAK：只使用 ACK 而不使用 NAK
    • 接收方必须指定被确认的包的序列号
  • RDT3.0：经具有比特差错的丢包信道
    • 倒计时计时器：发送方等待一定时间来接收 ACK
    • 超时重传：如果在此时间内没有收到 ACK，则重新发送数据包
  • 发送方利用率：信道利用率低

Usender=L/RRTT+L/RU_{\text{sender}} = \frac{L/R}{\text{RTT} + L/R}

3.4.2 回退 N 帧

  • 窗口要求：发送窗口长度 N≤2k−1N \le 2 ^ k - 1（kk 为序列号比特位数）
  • 累计确认：连续收到多个数据包时，仅返回最后一个数据包的 ACK
  • 超时重传：重传超时的数据包及窗口中之后所有的数据包

3.4.3 选择重传

  • 窗口要求：发送窗口 = 接收窗口 且 发送窗口 + 接收窗口 ≤2k\le 2 ^ k
  • 单独确认：接收方单独地确认所有正确接收的数据包
  • 缓存机制：接收方缓存数据包，以便按序交付给上层

3.5 TCP

3.5.1 特点

  • 面向连接、可靠有序
  • 点对点：一个发送者，一个接收者
  • 全双工：双方都设有发送缓存和接收缓存
  • 面向字节流：无消息边界，报文段长度受限于 MSS（最大报文段长度）

3.5.2 报文段结构

TCP 报文段结构

  • 序号：该报文段首字节的字节流编号
    • 文件数据根据 MSS 划分成 TCP 报文段
  • 确认号：期望的从对方接收的下一字节的序号（累计确认）
  • 首部长度：以 4B 为单位
  • 确认位 ACK：仅当 ACK = 1 时确认号字段有效
    • 只有 握手1 的 ACK = 0
  • 同步位 SYN：SYN = 1 表明这是连接请求或接受报文
    • 只有 握手1 和 握手2 的 SYN = 1
  • 终止位 FIN：FIN = 1 表明请求释放连接
    • 只有 挥手1 和 挥手3 的 FIN = 1
  • 选项：用于发送方与接收方协商最大报文段长度（MSS）

3.5.3 超时重传

  • 估计往返时间：指数加权移动平均（EWMA）

EstimatedRTT=(1−α)⋅EstimatedRTT+α⋅SampleRTT\text{EstimatedRTT} = (1 - \alpha) \cdot \text{EstimatedRTT} + \alpha \cdot \text{SampleRTT}

DevRTT=(1−β)⋅DevRTT+β⋅∣SampleRTT−EstimatedRTT∣\text{DevRTT} = (1 - \beta) \cdot \text{DevRTT} + \beta \cdot | \text{SampleRTT} - \text{EstimatedRTT} |

  • 设置重传超时间隔：

TimeoutInterval=EstimatedRTT+4⋅DevRTT\text{TimeoutInterval} = \text{EstimatedRTT} + 4 \cdot \text{DevRTT}

3.5.4 可靠传输

  • 机制：检验、序号、确认、重传
  • 超时重传：
    • 推荐仅使用单一的重传定时器
    • 超时后下次超时间隔加倍
  • 快速重传：冗余 ACK
    • 比期望序号大的失序报文段到达，立即发送冗余 ACK
    • 如果发送方接收到对相同数据的 3 个冗余 ACK，则执行快速重传

3.5.5 流量控制

  • 含义：使发送方的发送速率与接收方的读取速率相匹配，以避免接收方缓存溢岀
  • 滑动窗口机制：
    • 接收方通告空闲缓冲区大小（以字节为单位）于接收窗口(rwnd) 字段
    • 发送方根据收到的 rcwd 值来限制未确认的数据量
    • 若收到 rcwd = 0，发送方被阻塞而不能发送数据，发送零窗口探测报文段

3.5.6 连接管理

  • 连接建立：三次握手
    • 客户端发送 SYN 报文段
      • SYN = 1，seq = x
      • 客户端进入 SYN_SENT 状态
    • 服务器回复 SYNACK 报文段
      • SYN = 1，seq = y，ACK = 1，ack = x+1
      • 服务器进入 SYN_RCVD 状态
    • 客户端发送 ACK 报文段
      • ACK = 1，seq = x+1，ack = y+1
      • 客户端进入 ESTABLISHED 状态
      • 服务器收到确认后，进入 ESTABLISHED 状态
      • 可以携带数据
  • 连接释放：四次挥手
    • 主动方发送 FIN 报文段
      • FIN = 1，seq = u
      • 主动方进入 FIN_WAIT_1 状态
    • 被动方回复 ACK 报文段
      • ACK = 1，seq = v，ack = u+1
      • 被动方进入 CLOSE_WAIT 状态
    • 被动方发送 FIN 报文段
      • FIN = 1，ACK = 1，seq = w，ack = u+1
      • 被动方进入 LAST_ACK 状态
    • 主动方回复 ACK 报文段
      • ACK = 1，seq = u+1，ack = w+1
      • 主动方进入 TIME_WAIT 状态，等待一定时间后进入 CLOSED 状态
      • 被动方收到确认后，进入 CLOSED 状态

3.6 拥塞控制原理

  • 含义：防止过多数据注入网络，导致路由器或链路过载
  • 拥塞表现：时延增加、丢包率上升
  • 拥塞代价：排队时延激增、​丢包触发重传、冗余流量占用带宽、上游传输容量浪费
  • 控制方法：
    • 端到端拥塞控制：
      • 无来自网络的显式反馈
      • 通过观察到的丢包、延迟推断拥塞
    • 网络辅助拥塞控制：
      • 路由器向发送方提供关于网络中拥塞状态的显式反馈信息
      • 指示拥塞级别或明确设置发送速率

3.7 TCP 拥塞控制

3.7.1 传统 TCP 拥塞控制

  • 拥塞窗口(cwnd)：限制发送方向网络中发送流量的速率

慢启动

  • 初始设置：cwnd = 1 MSS
  • 指数增长：
    • 每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 MSS
    • 每经过 RTT，cwnd 变为 2 倍
  • 结束条件：
    • cwnd 达到 ssthresh（慢启动阈值）：进入拥塞避免
    • 出现丢包：将 ssthresh 设置为 cwnd 的一半
      • 发生超时：重新慢启动
      • 收到 3 个冗余 ACK：快速重传，并进入快速恢复

拥塞避免

  • 初始设置：cwnd = ssthresh
  • 线性增长：每个 RTT cwnd 增加 1 MSS
  • 结束条件：同慢启动中出现丢包情况

快速恢复

  • 初始设置：cwnd = ssthresh + 3 MSS（补偿已离开网络的 3 个报文）
  • 线性增长：每收到一个冗余 ACK，cwnd 增加 1 MSS
  • 结束条件：
    • 丢失报文的 ACK 到达：进入拥塞避免
    • 发生超时：将 ssthresh 设置为 cwnd 的一半，重新慢启动

小结

  • TCP Tahoe：只要丢包，进入慢启动
  • TCP Reno：加入快速恢复，加性增、乘性减（AIMD）

TCP 拥塞窗口的演化

TCP CUBIC

  • 仅改变拥塞避免阶段
  • 立方规则：拥塞窗口大小

W(t)=C×(t−K)3+Wmax⁡W(t) = C \times (t - K)^3 + W_{\max}

其中，Wmax⁡W_{\max} 表示检测到丢包时的拥塞窗口大小，KK 表示窗口大小再次达到 Wmax⁡W_{\max} 的未来时间点

TCP 拥塞避免发送速率

TCP 吞吐量

平均吞吐量=0.75×WRTT\text{平均吞吐量} = \frac{0.75 \times W}{\text{RTT}}

其中，WW 表示检测到丢包时的拥塞窗口大小

3.7.2 网络辅助明确拥塞通告（ECN）

  • 路由器主动标记拥塞状态（IP 首部的 ECN 字段）
  • 接收方通过 TCP ACK 报文段回传拥塞指示（TCP 首部的 ECE 标志位）

3.7.3 基于时延的拥塞控制（TCP Vegas / BBR）

  • 目的：在丢包出现之前主动检测拥塞
  • 核心机制：
    • 发送方持续测量 RTTmin⁡\text{RTT}_{\min}（无拥塞路径）
    • 计算无拥塞吞吐量：cwnd/RTTmin⁡\text{cwnd} / \text{RTT}_{\min}
    • 窗口调整：
      • 实际吞吐量接近无拥塞吞吐量：表明链路未满，增大窗口
      • 实际吞吐量比无拥塞吞吐量小得多：表明路径拥塞，减小窗口

3.7.4 公平性

TCP 公平性

  • 公平性目标：竞争的多条 TCP 连接平等分享瓶颈链路的带宽
  • AIMD 机制：理想情况下可以平等分享带宽（要求 RTT 相同）
  • 公平性挑战：
    • RTT 差异：RTT 较小的连接可抢到更大带宽
    • 并行连接：应用使用多个并行 TCP 连接会占用更大带宽

UDP 公平性

  • 无拥塞控制：UDP流量不会主动降低发送速率，拥塞时会导致 TCP 流量急剧下降

3.8 快速 UDP 互联网连接（QUIC）

  • 基于 UDP 的应用层协议：旨在提升 HTTP 性能
  • 主要特征：
    • 面向连接和安全：一次握手建立连接、分组加密
    • 数据流：一个 QUIC 连接上复用多个应用级数据流
    • 可靠且 TCP 友好拥塞控制的数据传输：QUIC 为每个数据流分别提供可靠的数据传输

注：本文中部分图片来自《计算机网络·自顶向下方法》。

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计算机网络知识点整理(3)：传输层
https://cny123222.github.io/2025/03/24/计算机网络知识点整理-3-：传输层/
Author
Nuoyan Chen
Posted on
March 24, 2025
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