第5章运输层

章节概述

运输层为应用进程提供端到端的通信服务，屏蔽网络层的细节。两个核心协议：TCP（可靠、有序、面向连接）和 UDP（不可靠、无序、无连接）。本章难点在于 TCP 的流量控制、拥塞控制和连接管理。

核心概念

[[05-运输层|端口号]] 与 [[06-应用层|Socket]]
[[UDP协议]]
[[05-运输层|TCP]]
[[05-运输层|停止等待]] 与 [[05-运输层|ARQ]]
[[05-运输层|滑动窗口]]
[[05-运输层|TCP流量控制]]
[[TCP拥塞控制]]
[[TCP三次握手]] 与 [[05-运输层|TCP四次挥手]]

5.1 运输层基本概念

端口（Port）

标识进程（不是主机）：IP地址+端口号 = 套接字（Socket）
熟知端口：0–1023（HTTP:80, HTTPS:443, FTP:21, SSH:22, DNS:53, SMTP:25）
注册端口：1024–49151
临时端口：49152–65535

复用与分用

复用：多个进程使用同一网络层（向下）
分用：根据端口号将报文分发给不同进程（向上）

5.2 UDP

源端口(16) | 目的端口(16)
长度(16)   | 检验和(16)
数据...

特点： - 无连接，不保证可靠交付 - 尽最大努力，开销小（8字节首部） - 保留报文边界（不像TCP是字节流） - 适合：实时应用（视频、DNS、DHCP）

5.3 TCP

源端口(16)           | 目的端口(16)
              序号(32)
              确认号(32)
数据偏移(4)|保留(6)|标志位(6) | 窗口(16)
检验和(16)           | 紧急指针(16)
可选字段 + 填充
数据...

标志位：URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN

TCP特点：全双工、面向连接、面向字节流、有序、可靠。

5.4 可靠传输机制

停止等待协议（SW）

发送一帧 → 等待确认 → 再发下一帧
信道利用率极低：\(U = rac{T_D}{T_D + RTT + T_A}\)

连续ARQ（滑动窗口）

发送窗口 \(W_T\)：可连续发送但未确认的帧数
累积确认：确认 \(n\) 表示 \(n\) 及之前全部正确收到
Go-Back-N：出错后重传出错帧及之后所有帧
SACK（选择确认）：TCP可选项，精确告知哪些段已收到

5.5 TCP流量控制

接收端通过窗口字段（rwnd, receiver window）控制发送速率：

接收缓冲区满时，rwnd = 0，发送方停止
窗口打开后，接收方发送窗口更新报文
持续计时器（Persist Timer）：防止窗口更新丢失导致死锁

5.6 TCP拥塞控制（重点）

四个算法

1. 慢开始（Slow Start） - 初始 cwnd = 1 MSS - 每收到一个ACK：cwnd += 1 MSS（指数增长）

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance） - 每个 RTT：cwnd += 1 MSS（线性增长） - cwnd 超过慢开始门限 ssthresh 后进入此阶段

3. 快重传（Fast Retransmit） - 收到 3个重复ACK → 立即重传，不等超时

4. 快恢复（Fast Recovery） - 快重传后：ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh（不归1） - 直接进入拥塞避免阶段

  cwnd
   |        /
   |       /  拥塞避免（线性）
   |    ssthresh
   |   /
   |  /  慢开始（指数）
   |/___________________时间

超时事件：ssthresh = cwnd/2，cwnd = 1，重新慢开始。

5.7 TCP连接管理

三次握手（建立连接）

客户端                         服务器
  ──── SYN(seq=x) ────────────────→
  ←─── SYN+ACK(seq=y,ack=x+1) ────
  ──── ACK(ack=y+1) ──────────────→
  （连接建立）

为何三次？ 防止旧的重复连接请求到达服务器造成错误。

四次挥手（释放连接）

主动方                         被动方
  ──── FIN(seq=u) ────────────────→
  ←─── ACK(ack=u+1) ──────────────
  ←─── FIN(seq=v) ────────────────
  ──── ACK(ack=v+1) ──────────────→
  等待 2MSL 后关闭

TIME_WAIT（2MSL）原因： 1. 确保最后一个ACK到达对方 2. 让网络中残留报文消逝

参见

[[04-网络层]] — IP提供的服务
[[06-应用层]] — HTTP/DNS等使用TCP/UDP
[[TCP拥塞控制]] — CUBIC、BBR等现代算法
[[06-应用层|Socket编程]] — Socket API使用

第5章 运输层