CS408/Computer-Network/transport-layer.md

传输层

基本概念

传输层只有主机才有，而路由器这种中间设备至多只有物理层、数据链路层和网络层三层架构。

传输层的功能

1. 传输层提供进程与进程之间的逻辑通信。
2. 复用与分用。（复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层；分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程）
3. 差错检测。

寻址与端口

• 端口（逻辑端口/软件端口）：是传输层的SAP，标识主机中的应用进程。
• 每一个端口有用于区分的端口号，只有本地意义，因特网中不同主机的相同端口号无联系。
• 端口号长度为16bit，能标识65536个不同的端口号。
• 端口号按范围划分可以分为：
  • 服务端使用的端口号：
    • 熟知端口号（0-1023）：给TCP/IP最重要的一些应用程序，让所有用户都知道。
    • 登记端口号（1024-49151）：为没有熟知端口号的应用程序使用。
  • 客户端使用的端口号：仅在客户进程运行时才系统动态分配。
• 套接字Socket=(主机IP地址,端口号)。唯一标识了网络中的一个主机和它上面的一个进程。

常用的端口号：

应用程序	熟知端口号
FTP	21
TELNET	23
SMTP	25
DNS	53
TFTP	69
HTTP	80
SNMP	161
HTTPS	223

UDP协议

用户数据报协议只在IP数据报服务之上添加了很少的功能，即只有复用分用与差错检测功能。

主要特点

1. 无连接，减少开销和发送数据之前的时延。
2. 使用最大努力交付，而非保证可靠交付。
3. 面向报文（不对报文拆分，应用层给多长报文，UDP就会照样一次发送一个完整报文），适合一次性传输少量数据的网络应用。
4. 无拥塞控制，适合很多实时应用，实时应用延迟要求高，需要立即响应。
5. 支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信。
6. 首部开销小，8B，而TCP20B。

UDP数据报格式

• 源端口号：如果不需要回应，可以不填，即是全0的。
• 目的端口号：是必填的。分用时，如果找不到对应的目的端口号就丢弃该报文，并向发送方发送ICMP端口不可达差错报告报文。
• UDP长度：整个UDP用户数据报的长度，首部加上数据部分。
• UDP检验和：检测整个UDP数据报是否有错，错就丢弃。

具体的UDP数据报格式如下：

• 伪首部只有在计算检验和时才出现，不向下传达也不向上提交。
• 其中的17代表封装UDP报文的IP数据报首部协议字段是17。
• UDP长度是UDP首部8B加上数据长度，不包括伪首部。

UDP协议校验和

发送端：

1. 填上伪首部。
2. 全0填充检验和字段。
3. 全0填充数据部分，UDP数据报要看成许多4B的字符串连接一起。
4. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和。
5. 把和求反码填入校验和字段。
6. 去掉伪首部进行发送。

接收端：

1. 填上伪首部。
2. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和。
3. 如果结果全为1则无差错，否则出错，丢弃或交给应用层并附上出错的警告。

TCP协议

传输控制协议对比用户数据报协议更复杂。

TCP协议主要特点

1. 是面向连接（虚连接）的传输层协议。
2. 每一条TCP连接只能有两个端点，所以连接是一对一的。
3. 提供可靠有序的服务，无差错不重复。
4. 提供全双工通信，包含发送缓存（准备发送的数据与已放送但是未确认的数据）与接受缓存（按序到达但是未被读取的数据与不按序到达的数据）。
5. 面向字节流。TCP把应用程序交下来的数据看成一连串的无结构字节流。

TCP数据报格式

• 序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
• 确认号：期望收到对方下一个报文段的,第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
• 数据偏移（首部长度）：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，即TCP报头的长度。以4B位单位，即1个数值是4B。

还有六个控制位，除了PSH和RST位都较重要：

1. 紧急位URG：URG=1时， 标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
2. 确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
3. 推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付。如果没有PSH，一般都是接收方缓存满了之后再将数据发送到主机。
4. 复位RST：RST=1时， 表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接。
5. 同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文。
6. 终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段文送方数据已发完，要求释放连接。

• 窗口：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量，防止对方发送过多数据导致自己无法接受。
• 检验和：检验首部+数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6。
• 紧急指针： URG=1时才有意义，指出本报文段中数据部分的紧急数据的字节数。
• 选项：最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认……
• 填充：当首部长度不为4的整数倍就由填充部分填充0，到4字节的整数倍。

TCP协议连接管理

TCP建立连接采用客户服务器方式。

TCP三次握手（建立连接）

1. 最开始客户端与服务端都是关闭状态。
2. 服务器端创建传输控制块TCB，进入收听状态准备接受连接请求。
3. 客户端创建TCP，发送请求连接报文段，无应用层数据。然后客户端进入同步已发送状态。
4. 服务端接受报文段后进入同步收到状态，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。
5. 客户端接受报文后变成已建立连接状态，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。
6. 服务端接受到报文段后变成已建立连接状态。

注释：其中seq表示序号，指本报文的随机编号；ack表示确认号，指期待对方发送的报文的第一个序号。

1. 第一部分：
   • SYN=1：主机A要建立连接了。
   • seq=x（随机）：后面没有数据。
2. 第二部分：
   • SYN=1：主机B同意主机A建立连接。
   • ACK=1：连接确认建立了，之后的ACK必须都置为1，表示开始同步。
   • seq=y（随机）：后面没有数据。
   • ack=x+1：表示期待对方放松的报文段的第一个字节，之前发送方A说发送的是第x位数据（虽然发送方是任意给出的），所以主机B要的是x+1位数据。
3. 第三部分：
   • SYN=0：SYN只有在建立连接时才为1，其他时候均设为0。
   • ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都置为1。
   • seq=x+1：主机A发送的报文段的第一个字节就是x+1。
   • ack=y+1：之前接收方B说发送的是第y位数据（虽然接收方是任意给出的），所以主机A要的是y+1位数。

SYN洪泛攻击

由于三次握手，可能导致反复确认与占用，产生SYN洪泛攻击。

SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者发送TCP SYN，SYN是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。可以通过设置SYN Cookies来解决。

TCP四次挥手（连接释放）

每一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止连接，连接结束后主机的资源将被释放。

1. 最开始客户端与服务端都是已建立连接状态。
2. 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，进入终止等待1状态。
3. 服务端会回送一个确认报文段，此时服务器端进入关闭等待状态，客户到服务器这个方向的连接就释放了——半关闭的状态。
4. 客户端接受报文段后进入终止等待2状态。
5. 服务器发完数据，如果没有要向服务器发送的数据，就发出释放连接报文段，主动关闭TCP连接，进入最后确认阶段。
6. 客户端回送一个确认报文字段，服务器端接收后进入关闭状态。客户端等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后彻底关闭连接，进入关闭状态。

注释：

1. 第一部分：
   • FIN=1：主机A要释放连接。
   • seq=u（随机）：后面可以有数据也可以没有数据。
2. 第二部分：
   • ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都置为1。
   • seq=v（随机）：v=u+第一部分数据长度+1，如果第一部分的确认报文没有数据就是v=u+1。
   • ack=u+1：之前发送方A发送的是第u位数据，所以主机B要的是u+1位数据（尽管此时A已经决定释放连接了）。
3. 第三部分：
   • FIN=1：主机B要释放连接。
   • ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都置为1。
   • seq=w（随机）：w=v+第二部分数据长度+1，如果第二部分的确认报文没有数据就是w=v+1。
   • ack=u+1：之前发送方A说发送的是第u位数据，所以主机B要的是u+1位数据（因为A直接不发数据了，所以第二段第三段的ack都是u+1）。
4. 第四部分：
   • ACK=1：连接建立了，之后的ACK必须都置为1。
   • seq=u+1：之前发的数据时第u位数据，B也要第u+1位数据，所以我发第u+1位数据。
   • ack=w+1：之前发送方(B)说发送的是第w位数据，所以我(A)要的是w+1位数据。

为什么要等待2MSL时间？

1. 保证A发送的最后一个ACK报文段能发送到B，否则B服务器会不断重传从而无法正常关闭。
2. 防止已失效的连接请求报文段传输到下一次的连接请求，干扰下一次的连接服务。

TCP协议可靠传输

校验

通过校验的方式来保证数据一致，其方式也是如UDP校验一样增加伪首部与校验和。

序号

TCP报文传输时每个字节都会编上序号，一个字节占用一个序号，并按报文段的形式一起发送，报文段长度不定，根据MTU来定。

序号字段指一个报文段第一个字节的序号。

确认

TCP缓存中的字节流按序传输后不会立刻在缓存中清除，而会等待接收方的确认字段，可以是单独确认也可以携带确认，一般采用的是累计确认的方式。收到确认字段后就可以从缓存中清除对应报文段。

重传

TCP在重传时间内码元收到确认就需要重传已发送的报文段。

TCP采用自适应算法，动态改变重传时间RTTs（加权平均往返时间）。

为了加快发现需要重传的报文段，可以采用冗余ACK（冗余确认/快速重传），每当比期望序号大的失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。

如发送方已发送1，2，3，4，5报文段，接收方收到1会返回对1的确认（确认号为2的第一个字节），如果接收方收到3、4，都会返回对1的确认，发送方收到3个对于报文段1的冗余ACK就会认为2报文段丢失，从而快速重传2报文段。

传输层使用的是GBN与SR的混合。

TCP协议流量控制

TCP使用滑动窗口机制来完成流量控制，与数据链路层的滑动窗口类似。

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