4. UDP与TCP

2023-11-21 08:39:16

1. 运输层概述

运输层主要负责众端口到网络IP服务之间的多路复用(multiplexing)与多路分解(demltiplexing)：sockets to IP to sockets
套字节(socket)用端口号来指示，它是一个16bit的数(0-65535)，其中 0-1023 为周知端口号

网络层分组在UDP中被称为数据报，而在TCP中被称为报文段

2. UDP过程

仅仅对分组标识一下端口号，做好多路复用与分解，附加数据的长度和检验和就发给网络层。对于其他什么都不管。

3. TCP

通过反馈、定时器和重传提供可靠的传输

IP层仅仅提供尽力而为的服务，我们需要在端到端提供可靠性保障。在IP层传输过程中可能出现两种错误：比特差错和丢包。通过以下三种机制提供可靠的传输协议：

接收方反馈：向发送方反馈是否正确接受到分组，包括肯定确认(ACK)和否定确认(NAK)

发送方定时：面对分组丢包、ACK丢包和ACK损坏等超时情况，发送方将重发；由于TCP是面向连接的，定时器可以动态地设置(指数加权移动平均):

// RTT均值: EstimatedRTT = (1-a)·EstimatedRTT + a·SampleRTT
// RTT偏差: DevRTT = （1-b)·DevRTT + b·|SampleRTT-EstimatedRTT|
// 超时间隔: TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4·DevRTT
// 每当超时事件出现时：TimeoutInterval = 2·TimeoutInterval

发送方重传

通过流水化的方式提高宽带利用率

在停等版本的协议基础上，可以采用流水线化的传输方式，将一个窗口中的数据成组发送出去，不再一个一个的传输，以提高宽带利用率。当窗口前部收到ACK将移动窗口，发送新的待发送分组。这里注意rdt与TCP对窗口的组织是不一样的，因为rdt与TCP窗口中的内容有所区别：

rdt：rdt分组之间并无关系，因此在窗口内采用循环成环的序号空间。rdtSR协议中，为了在接收窗口中绝对地区分新到分组和因丢失ACK后重发地冗余分组，接受窗口<=发送窗口的一半；
TCP：TCP分组是数据是连续的报文段，因此以首字节在数据流中位置作为分组编号

同时这里也面临另一个问题，对于这一窗口中的分组，有两种处理方式：是累积地处理(及对于)还是选择性的处理窗口中的分组。

协议	反馈	重传	定时
rdtGBN	累积确认	全部重传	仅需对窗口底部分组定时
tdtSR	选择确认	选择没有确认的分组重传	对每个包单独定时
TCP	累积确认	选择窗口最底部的那个分组重传	仅对最后确认的包定时

流量控制

发送方维护一个指示接受方接收窗口(receive window)的空闲空间量rwnd来控制流量，以保证已分配的缓存不会溢出.

未被确认数据量 LastByteSent-LastByteAcked <= rwnd

拥塞控制

通过发送方拥塞窗口(congestion window)，表示为cwnd.一般运行过程中，主要有两个重要的事件：3个冗余ACK和超时。

收到3个冗余ACK时，说明网络拥堵开始出现，立刻进入快恢复状态：发送方窗口cwnd立刻"减半+3"，然后线性增加，当收到一个新的ACK时，说明该数据报被收到，cwnd回到减半状态(及ssthresh)然后线性增加。
当超时事件出现后，说明网络拥堵十分严重，立刻回到慢启动状态：这相当于重置了连接，cwnd从1再来！

未被确认数据量 LastByteSent-LastByteAcked <= cwnd

dupACKcount == 3

重传分组并进入快速恢复状态
ssthresh = cwnd/2
cwnd = ssthresh + 3MSS cwnd = ssthresh + 3MSS

timeout

重传分组并进入慢启动状态
ssthresh = cwnd/2
cwnd = 1
dupACKcount = 0 dupACKcount = 0

注意！

TCP是全双工的，TCP双方都要做流量和拥塞控制；

TCP的发送窗口大小受rwnd和cwnd两个量控制，rwnd是上限，cwnd动态变化。

三次握手、四次挥手

三次握手：
客户主机随机选择一个序号作为检验码并请求连接，发出SYN请求报文
服务器根据SYN请求报文内容Hash计算SYN cookie，作为检验码，回填SYN请求报文的检验码为请求码，返回SYNACK报文
客户机收到SYNACK报文，为TCP连接分配资源，当以有数据时可以附加数据，设置请求码为cookie+1发送报文，发出数据报文
服务器主机检验请求码是否合法(请求码==cookie+1)，合法则分配连接相关资源，TCP连接建立

双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认

四次挥手：确认方需要处理关闭连接相关事务，不能立刻关闭，TCP连接双发都可以终止该连接

请求方请求关闭，确认方收到"请求关闭"消息，返回ACK并处理关闭连接所需要处理的事务；请求方收到ACK等待确认方处理事务。(两次挥手)
确认方处理完相关事务，发送"确认关闭"消息，请求方收到"确认关闭"消息，返回ACK并定时定时等待，无误后关闭连接释放资源；确认方收到ACK后关闭连接，释放资源。(两次挥手)

4. UDP与TCP区别

UDP

支持一对一、一对多、多对一、多对多的传输方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。
不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序

TCP
仅支持单播传输

5. 公平性

TCP的拥塞控制算法是一种分布式的异步优化算法，它趋于在竞争的多条TCP连接之间提供对一段瓶颈链路带宽的平等分享。一般情况下(即未出现超时)TCP都在拥塞避免状态和快速恢复状态之间反复跳转，呈现出"加性增乘性减"的特性，这导致TCP连接占用越多，惩罚越大，但惩罚后却都以线性递增。特别是当出现超时的时候，直接回返到慢启动状态，相当于重启连接。这保障了对瓶颈链路的公平共享。
UDP不与其他连接合作，也不适时地调整其传输速率，UDP源可能会压制TCP流量。
实际使用中通过开启多条并行TCP连接来占用更多的带宽。

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