应用层协议

知识点

• 传输层服务的基本原理
  • 复用/解复用
  • 可靠数据传输
  • 流量控制
  • 拥塞控制
• Internet的传输层
  • UDP
  • TCP

UDP协议

• 校验字段：将内容视为16位整数，将所有整数相加，进位加在和的后面，得到的值按位求反
• 优点：
  1. 无需建立连接（减少延迟）
  2. 实现简单，无需维护连接状态
  3. 头部开销较小（udp8字节，tcp20字节）
  4. 没有拥塞控制：应用可更好地控制发送时间和速率

可靠数据传输协议

• 什么是可靠：不错，不丢，不乱
• 信道的不可靠特性决定了可靠数据传输协议（RDT）的复杂性

Rdt2.0：解决数据出错的问题

• ACK/NAK校验和纠错

Rdt2.1：解决ACK/NAK出错的问题

• 为ACK/NAK增加检验和，检错纠错
• 采用ACK/NAK错误重传
• 使用两个序列号0/1防止重复数据

Rdt2.2：优化

• 可以采用ACK+序列号代替NAK，从而去掉NAK

Rdt3.0：解决数据丢失的问题

• 等待一个合理时间，如果没收到ACK则重传

效率极低

流水机制和滑动窗口协议

• 为了解决RDT效率低的问题
• 允许发送方在收到ACK前连续发送多个分组
  • 需要更大的序列号范围
  • 发送方和/或接收方需要更大的储存空间以缓存分组
• 滑动窗口协议：Sliding-window protocol

Go-Back-N协议

• 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)：确认收到序列号n(包含n)的分组均已被正确接收

  • 可能重复收到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

  潜在存在资源浪费

• ACK机制：发送拥有最高序列号、已被正确接收的分组的ACK

  • 可能产生重复ACK
  • 只需记住唯一的expectedseqnum（期待的序列号）

• 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

• 接受对方每个分组单独进行确认
  • 设置缓存，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

TCP协议

概述

• 点对点
  • 一个发送方，一个接收方
• 可靠的、按序的字节流
• 流水线机制
  • TCP拥塞控制和流量控制机制设置窗口尺寸
• 发送方/接收方缓存
• 全双工(full-duplex)
  • 同一连接中能够传输双向数据
• 面向连接
  • 通信双方在发送数据之前必须建立链接
  • 连接状态只在连接的两端维护，在沿途的节点中并不维护状态
  • TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等
• 流量控制机制

结构

序列号和ACK

• 序列号

  • 序列号指的是segment中第一个字节的编号，而不是segment的编号
  • 建立TCP连接时，双方随即选择序列号

• ACKs

  • 希望接收到的下一个字节的序号
  • 累计确认：该序列号之前的所有字节均已被正确接收到

• 乱序到达的协议中没有规定，交给开发者实现

RTT和超时

• sample RTT:测量从段发出去到收到ACK的时间
  • 忽略重传
• sample RTT变化
  • 测量多个sample RTT，求平均值，形成RTT的估计值EsimatedRTT

快速重传机制

• 通过重复ACK检测分组丢失
  • sender会背靠背地发送多个分组
  • 如果分组丢失，可能会引发多个重复的ACK
• 如果sender收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失
  • 快速重传：在定时器超时之前即进行重传

流量控制

• 将剩余缓存空间大小放在头部发送给sender
• 流量控制是不要让个体数据发送太快让对方处理不了

拥塞控制

• 表现

  • 分组丢失（路由器缓存溢出）
  • 分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

• 拥塞控制是群体不要发送太快让网络承受不了

• 方法：

  • 端到端拥塞控制：
    • 通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞
    • 不需要显示地提供支持
    • TCP采用这种方式
  • 网络辅助的拥塞控制：
    • 路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息
    • 简单点拥塞指示(1bit)：SNA,DECbit,TCP/IP ECN,ATM

TCP的拥塞控制

网络层

核心功能

• 从发送主机向接收主机传送数据(segment)
• 发送主机：将数据段封装到数据报(datagram)中
• 接收主机：向传输层交付数据段(segment)
• 每个主机和路由都运行网络层协议
• 路由器校验所有穿越它的IP数据报的头部域
  • 决策如何处理IP数据报

转发与路由

• 每个路由器维护一个转发表

  

连接建立

• 数据分组传输之前，两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接
  • 网络设备（如路由器）参与连接的建立
• 网络层连接与传输层连接的对比：
  • 网络层连接：两个主机之间（路径上的路由器等网络设备参与其中）
  • 传输层连接：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）

网络层连接模型

无连接服务(connection-less service)

• 不事先为系列分组的传输确定传输路径
• 每个分组独立确定传输路径
• 不同分组可能传输路径不同
• **数据报网络 ** (datagram network)

连接服务(connection service)

• 首先为系列分组的传输确定从源到目的的经过的路径（建立链接）
• 然后沿该路径（连接）传输系列分组
• 系列分组传输路径相同
• 传输结束后拆除连接
• 虚电路网络 (virtual-circuit network)

虚电路网络

• 一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑链接）
  • 分组交互
  • 每个分组的传输利用链路的全部带宽
  • 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚拟电路功能

通信过程

• 呼叫建立(call setup)→数据传输→拆除呼叫
• 每个分组携带虚电路标识(VCID)，而不是目的的主机地址
• 虚电路经过的每个网络设备（如路由器），维护每条经过它的虚电路状态连接
• 链路、网络设备资源（如带宽、缓存等）可以面向VC经行预分配
  • 预分配资源=可预期服务性能
  • 如ATM仿真电路（CBR）

VC具体实现

• 每条虚电路包括：
  1. 从源主机到目的主机的一条路径
  2. 虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号
  3. 沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路
• 沿某条虚电路传输分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址
• 同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同
  • 路由器转发分组时，依据转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议(signaling protocols)

• 用于VC的建立、维护与拆除
  • 路径选择
• 应用于虚电路网络
  • 如ATM、帧中继(frame-relay)网络等
• 目前Internet不采用

数据报网络

• 网络层无连接
• 每个分组携带目的的地址
• 路由器根据分组的目的地地址转发分组
  • 基于路由协议/算法构建转发表
  • 检索转发表
  • 每个分组独立选路
• 在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口(entry)

数据报网络与VC网络对比

Internet(数据报网络)

• 计算机之间的数据交换
  • “弹性”服务，没有严格时间需求
• 链路类型众多
  • 特点、性能各异
  • 统一服务困难

ATM(VC网络)

• 电话网络演化而来
• 核心业务是实时对话：
  • 严格的时间、可靠性需求
  • 需要有保障的服务
• “哑(dumb)”端系统（非智能）
  • 电话机
  • 传真机