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主讲人：paper 老师（B 站 UP：数学建模老哥）

什么是传输层？

传输层（英语：Transport Layer）在计算机网络中是互联网协议包与开放系统互连（OSI）网络堆栈中协议的分层结构中的方法的一个概念划分。该层的协议为应用进程提供端到端的通信服务。它提供面向连接的数据流支持、可靠性、流量控制、多路复用等服务。

传输层的功能：
传输层提供进程和进程之间的逻辑通信，靠套接字Socket=(主机IP地址，端口号)找到应用进程。
传输层对收到的报文进行差错检测。

传输层的两种协议：

面向连接的传输控制协议TCP：
传送数据之前必须建立连接，数据传送结束后要释放连接。不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的面向连接的传输服务，因此不可避免增加了许多开销：确认、流量控制、计时器及连接管理等。
可靠，面向连接，时延大。

无连接的数据报协议UDP：
传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认。
不可靠，无连接，时延小。

TCP协议

TCP是面向连接（虚连接）的传输层协议。
每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。
TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。可靠有序，不丢不重

TCP提供全双工通信：
发送缓存：准备发送的数据、已发送但尚未收到确认的数据
接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据、不按序到达的数据

TCP段格式

字段名称	大小	作用
源端口（Source Port）	16位	指定发送端应用进程的端口号
目标端口（Destination Port）	16位	指定接收端应用进程的端口号
序列号（Sequence Number）	32位	用于标识数据流中的字节顺序，第一个数据字节的序列号
确认号（Acknowledgment Number）	32位	如果ACK标志位被设置，表示接收端期望收到的下一个字节的序列号
数据偏移（Data Offset）	4位	表示TCP头部的长度，以32位字（4B）为单位，指示数据开始的位置
保留（Reserved）	3位	保留字段，暂时未使用，设置为0
标志位	9位	URG：紧急指针有效。 ACK：确认号有效。 PSH：接收方应尽快将数据推送给应用层。 RST：重置连接。 SYN：同步序列号，用于连接建立。 FIN：发送方完成发送任务，准备关闭连接。
窗口大小（Window Size）	16位	用于流量控制，表示接收方能接收的最大字节数
校验和（Checksum）	16位	用于检验TCP头部和数据部分的传输错误
紧急指针（Urgent Pointer）	16位	如果URG标志位设置，指示紧急数据的偏移量
选项（Options）	可变	提供额外的控制信息，如最大段大小（MSS）、时间戳等
填充（Padding）	可变	为了使TCP头部长度为32位的倍数，可能需要填充一些无效位
数据	可变	TCP段的有效载荷，包含传输的数据

TCP连接的三个阶段

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

三次握手

ROUND 1:

客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。
SYN=1，seq=x(随机)

ROUND 2:

服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。
SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+1

ROUND 3:

客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据。
SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

ACK（Acknowledgment Flag）和ack（Acknowledgment Number）对别

属性	ACK	ack
类型	TCP 报文头的标志位	TCP 报文头的字段（数值）
含义	确认该报文是否为确认报文	确认收到的序列号
取值	0 或 1	一个具体的数字
作用	指示报文是否包含确认功能	指明期望接收的下一个序列号

SYN（Synchronize）
表示同步序列号，是连接建立时用来发起请求的标志位。
如果 SYN=1，说明这是一个同步请求，用于初始化序列号并建立连接。

seq（Sequence Number）
表示发送方的初始序列号，用于标识数据的顺序。
每一方在通信中都会用自己的序列号 seq，并在握手时交换。
在第一次握手时，seq=x 表示客户端的初始序列号。

ACK（Acknowledgment）
表示确认应答标志位。
如果 ACK=1，表示该报文是对之前报文的确认。

ack（Acknowledgment Number）
表示确认号，用于告诉对方：“我期望接收的下一个数据包的序列号是什么”。
例如，ack=x+1 表示已经成功接收了序列号为 x 的报文，下一个期望收到的是 x+1。

步骤	发起方	SYN	ACK	seq	ack
第一次握手	客户端 A	1	0	x	–
第二次握手	服务器 B	1	1	y	x+1
第三次握手	客户端 A	0	1	x+1	y+1

四次挥手

ROUND 1:

客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。
FIN=1，seq=u

ROUND 2:

服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了——半关闭状态。
ACK=1，seq=v，ack=u+1

ROUND 3:

服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接。
FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

ROUND 4:

客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。 ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

FIN（Finish）
断开连接的标志位，表示发送方不再有数据需要传输了，要求释放连接。

ACK（Acknowledgment）
确认标志位，用来确认对方的 FIN 请求。

seq（Sequence Number）
发送方的序列号，用于标识该报文在数据流中的位置。

ack（Acknowledgment Number）
确认号，用于确认接收到的对方序列号。

步骤	发起方	FIN	ACK	seq	ack
第一次挥手	客户端 A	1	0	u	–
第二次挥手	服务器 B	0	1	v	u+1
第三次挥手	服务器 B	1	0	v	–
第四次挥手	客户端 A	0	1	u+1	v+1

可靠传输

流量控制

流量控制：让发送方慢点，要让接收方来得及接收。
TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。
在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗
口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方） ，发送方的发送窗口取接
收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值（拥塞窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的
窗口值，反映网络当前容量）。

出现拥塞的条件：
对资源需求的总和 -> 可用资源网络中有许多资源同时呈现供应不足
拥塞控制：
网络性能变坏 -> 网络吞吐量将随输入负荷增大而下降
防止过多的数据注入到网络中

拥塞控制四种方法:
1.慢开始 2.拥塞避免 3.快重传 4.快恢复

慢启动 (Slow Start)：

在 TCP 连接开始时，发送方会逐步增加其发送窗口大小，尝试找到网络的可用容量。
初始的拥塞窗口（Congestion Window, CWND）从一个较小的值开始，通常是1个最大报文段（MSS）。
每次收到确认（ACK），CWND会指数级增长（即每个RTT加倍），直到达到慢启动阈值（ssthresh）或者发生丢包。

拥塞避免 (Congestion Avoidance)：

当 CWND 达到慢启动阈值后，TCP 会进入拥塞避免阶段。
在这个阶段，CWND 的增长从指数变为线性，每经过一个RTT，CWND 增加一个 MSS。
目的是更稳健地寻找网络的最大吞吐量，避免出现拥塞。

快重传 (Fast Retransmit)：

当接收方收到一个丢失的数据包后，会快速发送多个重复的 ACK 给发送方。
如果发送方在收到三个重复的 ACK 时，尚未收到对丢失报文的确认，它会立即重传丢失的数据包，而无需等待超时。

快恢复 (Fast Recovery)：

与快重传结合使用。
当发送方检测到丢包并重传丢失的数据包后，它不会像传统的慢启动那样将 CWND 直接降到初始值。
相反，它将 CWND 减半（通常设置为 ssthresh），然后进入拥塞避免阶段。

UDP协议

UDP首部

UDP首部总共占用8个字节，包含以下四个字段：
源端口号（Source Port） – 16位
目的端口号（Destination Port） – 16位
长度（Length） – 16位
校验和（Checksum） – 16位

例题：下面是以十六进制格式存储的一个UDP首部：CB84000D001C001C试问：源端口号是 [填空1]（请用16进制表示），目的端口号是 [填空2]（请用10进制表示），数据长度是 [填空3] 字节。

源端口号是 CB84
目的端口号是 13
数据长度是 20 字节（数据长度是UDP数据报长度-首部长度8字节）