计算机科学

传输层

传输层

UDP
- 结构
  - 按顺序为源端口、目的端口、UDP 总长、校验和。
  - 在排除了分组的情况下，UDP 长度为 IP 长度减 IP 头长度。
  - 校验和的伪首部包括了 IP 头的部分。
TCP
- 结构
  - 序列号：4 字节，以字节为单位，表示数据载荷中第一个字节的偏移量。
  - 确认：4 字节，同样以字节为单位，为累积语义，表示期待接受的下一段的数据的首字节偏移量。
  - 窗口大小：用于表示自己接下来可以接收的数据大小。
  - 标志位：
    - URG：急。
    - ACK：包括确认。
    - PSH：请求推送。
    - RST：重置连接。
    - SYN：同步序列号，用于连接起始。
    - FIN：终结连接。
- 通信行为
  - 开始连接，使用三次握手：
    - 客户端发送 SYN，序列号为 $x$ ，即客户端的起始序列号。
    - 服务器端发生 SYN + ACK $x + 1$ ，序列号为 $y$ ，即服务器端的起始序列号。
    - 客户端发送 ACK $y + 1$ $y + 1$ 。
      - 此次可以只发 ACK，则下一次发送无需增加序列号。
      - 也可以直接开始携带数据。
  - 双方同时开始连接的情况：
    - 双方同时发送 SYN $x$ 和 $y$ 。
    - 接收后，同时发送 SYN $x$ $x$ ACK $y + 1$ $y + 1$ 、SYN $y$ $y$ ACK $x + 1$ $x + 1$ 。
      - 这里发送的 SYN 序列号与前一次握手相同，假装是收到对方的 SYN 后触发的。
    - 接收后，开始发送数据。
  - 关闭连接，使用四次握手：
    - 客户端发送 FIN，序列号为 $x$ ，ACK 为 $y$ 。
    - 服务器端发送 ACK $x + 1$ ，序列号为 $y$ 。
    - 服务器端在发送完自己的剩余数据后，发送 FIN，序列号为 $z$ $z$ ，ACK 为 $x + 1$ $x + 1$ 。
      - 如果之前没有剩余数据需要发送，可以把 FIN 和 ACK 合并，即合并第二、三次握手。
    - 客户端发送 ACK $z + 1$ ，序列号为 $x + 1$ 。
    - 客户端等待 2 MSL（Maximum Segment Lifetime），如果没有再接收到 FIN，则完全断开。
  - 同时关闭连接的情况：
    - 双方同时发送 FIN $x$ ACK $y$ 和 FIN $y$ ACK $x$ 。
    - 接收后，同时发送 $x + 1$ ACK $y + 1$ 和 $y + 1$ ACK $x + 1$ 。
    - 同时等待 2 MSL，没有再收到就完全断开。
  - 其他情况下，遇到不正常的消息，则发送 RST。
- 差错控制
  - 序列号保证顺序、超时保证丢包时重传。
  - 超时时间与 RTT 相关，通过采样每次发送的 RTT 和指数滑动平均来估计 RTT。
- 流量控制
  - 一个端给对方发送时，TCP 头包括窗口大小，表示下一次自己再发送 ACK 前，对方可以发送的数据大小。
  - 超出窗口范围的不能发送，窗口内的再超时情况下可以重传。
  - 一个端控制自己的接收窗口大小和对方的发送窗口大小。
    - 发送窗口大小实际上也受拥塞情况控制，取两者最小值。
- 拥塞控制
  - Tahoe
    - 状态：
      - $cwnd$ ：拥塞窗口大小。实际的发送窗口大小为 $cwnd$ 和对方反馈的窗口大小的最小值。
      - $ssthresh$ ：拥塞避免阈值，超过此阈值后就从慢启动进入拥塞避免。
    - 慢启动：
      - 设置 $cwnd = 1$ 。
      - 每次接收到一个 ACK 后就给 $cwnd$ 增加 $1$ 。这里假设每次发送都有对应一个 ACK 回复。
        效果为每轮结束后， $cwnd$ 翻倍，指数级增长。
      - 如果大于等于 $ssthresh$ ，则退出慢启动。
    - 拥塞避免：
      - 每次接收到一个 ACK 后就给 $cwnd$ 增加 $\dfrac{1}{cwnd}$ 。
        效果为为每轮结束后， $cwnd$ 加 $1$ ，线性增长。
      - 如果遇到超时，则认为发生拥塞， $ssthresh$ 缩减为 $\max\{ 2 MSS, cwnd / 2\}$ ，重回慢启动过程，重传丢失的部分。
  - Tahoe + Fast Retransmit
    - 拥塞避免阶段，如果遇到三个重复的 ACK，则跳过超时等待，重新进入慢启动过程。
  - Reno
    - 拥塞避免阶段，如果遇到三个重复的 ACK，则跳过超时等待， $ssthresh$ 缩减，不进入慢启动过程，而是 $cwnd$ 重置为新的 $ssthresh$ 。
    - 如果遇到超时，仍然重回慢启动过程。