传输层干嘛的

多路复用与解复用（Multiplexing/Demultiplexing）

解复用（Demultiplexing）

• 定义：
  • 解复用是多路复用的逆过程。
  • 将接收到的数据流分离成单独的部分，分发到对应的应用程序进程。
• 应用场景：
  • 手机接收到的数据包流会被分割，并发送到相应的应用程序（如网络浏览器、邮件客户端、微信等）。

工作原理

解复用

• 端口的作用：
  • IP 协议实现的是 IP 地址到 IP 地址的传输，即两台计算机之间的通信。
  • 每台计算机中可能运行多个应用程序，需要多个通信通道。
  • 端口代表一个通信通道，用于区分不同的应用程序进程。
  • TCP 和 UDP 的端口号都是 16 位，共有 65536 个端口号。
• 解复用过程：
  • 主机接收 IP 数据报：
    • 每个 IP 数据报包含源 IP 地址和目的 IP 地址。
    • 每个数据报携带一个传输层段（TCP 或 UDP 段）。
    • 每个段包含源端口号和目的端口号。
  • 主机使用 IP 地址和端口号将数据段定向到正确的套接字（socket），进而连接到对应的应用程序。

无连接的解复用（UDP）

• UDP 套接字：
  • 创建套接字时，会分配一个本地端口号，例如：

  1	DatagramSocket mySocket1 = new DatagramSocket(12534);

• 发送数据：
  • 发送数据时，必须指定目标 IP 地址和目标端口号。
• 接收数据：
  • 主机接收 UDP 段时，检查段中的目标端口号，并将数据定向到具有该端口号的套接字。
  • 具有相同目的端口但不同源 IP 地址或源端口号的数据段也会被定向到同一个套接字。

面向连接的解复用（TCP）

• TCP 套接字：
  • TCP 套接字通过 四元组 来标识：
    • 源 IP 地址
    • 源端口号
    • 目的 IP 地址
    • 目的端口号
• 解复用过程：
  • 服务器可以在一个 TCP 端口上同时支持多个 TCP 套接字。
  • 每个套接字通过其四元组来区分。
  • 例如，Web 服务器为每个连接的客户端分配不同的套接字。
  • 非持久连接的 HTTP（如 HTTP/1.0）为每个请求分配不同的套接字。

UDP

UDP（用户数据报协议）

UDP 是一种“无连接”、“尽力而为”的传输层协议，它提供了简单、轻量级的通信服务。以下是关于 UDP 的详细内容，包括其特点、用途、报文格式和校验和机制。

UDP 的特点

• 无连接（Connectionless）：
  • 不需要在传输数据之前建立连接。
  • 每个 UDP 数据报（segment）独立处理，互不影响。
  • 没有握手过程，减少了协议开销和延迟。
• 不可靠（Unreliable）：
  • 不保证数据报的可靠传输，数据报可能会丢失、重复或乱序到达。
  • 不提供重传机制或确认机制。
• 简单高效：
  • 报文头部简单，只有 8 字节，包含源端口、目的端口、长度和校验和。
  • 适用于对实时性要求高、对可靠性要求低的应用。
• 无拥塞控制（No Congestion Control）：
  • UDP 不会根据网络拥塞情况调整发送速率。
  • 应用程序可以以任意速率发送数据，可能导致网络拥塞。

UDP 的用途

• 流媒体应用（Streaming Multimedia Apps）：
  • 对丢失数据的容忍度较高（如视频会议、在线视频）。
  • 对传输速率敏感，需要快速传输数据。
• DNS（域名系统）：
  • 用于域名解析，通常使用 UDP 进行快速查询。
• SNMP（简单网络管理协议）：
  • 用于网络设备的管理，通常使用 UDP 传输。
• 可靠传输（Reliable Transfer over UDP）：
  • 应用程序可以在 UDP 上添加可靠性机制（如重传、确认）。
  • 应用程序可以根据自身需求实现错误恢复机制。

UDP 报文格式

UDP 报文由头部和数据负载组成，具体格式如下：

总长度：UDP 数据报的总长度（包括头部和数据负载）必须至少为 8 字节（头部长度）。

UDP 校验和（Checksum）

UDP 校验和用于检测数据报在传输过程中是否发生错误。其计算方法如下：

1. 发送端：
   • 将 UDP 数据报的内容（包括头部和数据负载）视为一系列 16 位整数。
   • 计算这些 16 位整数的 一的补码和（即逐位相加，溢出部分加到最低位）。
   • 将计算结果放入 UDP 头部的校验和字段中。
2. 接收端：
   • 接收到 UDP 数据报后，同样计算其内容的一的补码和。
   • 如果计算结果为全零（0xFFFF），则认为数据报没有错误。
   • 如果计算结果不为全零，则认为数据报发生了错误。

可靠传输（Reliable Transmission）

可靠传输是传输层协议（如 TCP）的核心功能之一，它确保数据能够完整、按序地从发送方传输到接收方。以下是关于可靠传输的实现机制和相关协议的详细内容。

停等协议（Stop-and-Wait Protocol）

停等协议是最简单的可靠传输协议，其工作原理如下：

• 发送方：
  • 发送一个数据包后，必须等待接收方的确认（ACK）。
  • 如果在超时时间内没有收到 ACK，发送方将重传该数据包。
• 接收方：
  • 接收到数据包后，发送 ACK 确认。
  • 如果数据包重复，接收方会丢弃重复的数据包并重新发送 ACK。

问题： - 如果 ACK 丢失或在超时后到达，发送方可能会错误地重传数据包。 - 性能低下，因为发送方在等待 ACK 时不能发送其他数据包，导致链路利用率低。

示例：

• 假设链路带宽为 1 Gbps，传播延迟为 15 ms，数据包大小为 8000 比特：
  • 发送方利用率（Utilization）： $$ U_{\text{sender}} = \frac{L / R}{RTT + L / R} = \frac{8000 / 10^9}{30 \times 10^{-3} + 8000 / 10^9} \approx 0.00027 $$
  • 传输吞吐量（Throughput）： $$ \text{Throughput} = \frac{8000 \text{ bits}}{30 \times 10^{-3} \text{ s}} = 266.67 \text{ kbps} $$
  • 在 1 Gbps 的链路上，这种协议的吞吐量仅为 266.67 kbps，链路利用率极低。

管道化协议（Pipelined Protocols）

为了提高链路利用率和传输效率，管道化协议允许发送方在等待接收方确认（ACK）的同时发送多个数据包。这种方式可以显著减少因等待确认而导致的链路空闲时间，从而提高整体的吞吐量。常见的管道化协议有两种：Go-Back-N（回退N步） 和 Selective Repeat（选择性重传）。

Go-Back-N（GBN）协议

GBN 协议通过滑动窗口机制实现管道化传输：

• 发送方：
  • 使用一个滑动窗口来管理未确认的数据包。
  • 窗口大小为 N，表示可以发送但未确认的数据包数量。
  • 如果超时未收到 ACK，将重新发送窗口中的所有数据包。
• 接收方：
  • 仅接收按顺序到达的数据包。
  • 对于乱序到达的数据包，接收方会丢弃并发送重复的 ACK。

示例：

• 假设窗口大小为 4，发送方发送了 4 个数据包（0, 1, 2, 3），但第 2 个数据包丢失。
• 接收方会收到 0 和 1，发送 ACK1。
• 第 3 和 4 个数据包乱序到达，接收方会丢弃并发送重复的 ACK1。
• 发送方超时后，重新发送 2, 3, 4, 5 数据包。

选择性重传（Selective Repeat）协议

选择性重传协议通过单独确认每个数据包来提高效率：

• 发送方：
  • 使用一个滑动窗口来管理未确认的数据包。
  • 如果超时未收到 ACK，只重新发送未确认的数据包。
• 接收方：
  • 为每个正确接收的数据包单独发送 ACK。
  • 对于乱序到达的数据包，接收方会缓冲这些数据包，并在适当的时候按顺序交付。

示例：

• 假设窗口大小为 4，发送方发送了 4 个数据包（0, 1, 2, 3），但第 2 个数据包丢失。
• 接收方会收到 0 和 1，发送 ACK0 和 ACK1。
• 第 3 和 4 个数据包乱序到达，接收方会缓冲这些数据包，并发送 ACK3。
• 发送方超时后，只重新发送第 2 个数据包。