网络原理

传输层

传输层定位

• 为应用进程间提供端到端的逻辑通信，区别于网络层是主机间的逻辑通信。
• 对报文进行差错检测。
• 提供面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。
• TCP 是可靠传输，UDP 是不可靠传输。

端口

• 用于标识进程，统一不同系统的进程标识符。
• 端口号16位，范围：0~65535
• 0~1023 系统保留端口，用户进程不能使用。
• 端口分类：
  • 公认端口：0~1023，如 http 80，https 443，ssh 22 等
  • 注册端口：1024~49151，需在机构登记防止冲突。
  • 动态端口：49152~65535

UDP

• UDP 是用户数据报协议。
• 提供无连接的不可靠传输服务。
• 仅在 IP数据报服务基础上增加端口和差错校验功能。
• 优点：
  • 效率高，无需连接，首部开销小。
  • 支持广播。
  • 发送端无阻塞。
• 应用场景：视频流传输、游戏通信等。
• UDP 数据报头部
  • 共 8 字节，包含源端口，目的端口，长度，校验和各 2 字节。
  • 计算校验和时会增加伪首部，包含源和目的 IP 地址等。
• 仅添加首部交由下层处理，不处理拆分合并。
• 如果 UDP 数据报长度超过 MTU
  • 网络层IPv4，会进行拆分与合并，如果合并失败则丢弃。
  • 网络层IPv6 不支持分片，直接丢弃。
• 数据长度一般控制在 512 内，因为互联网标准 MTU 为 576，减去 IP头部（20 到 60）和 UDP 头部综合权衡得到。

TCP

• TCP 是传输控制协议
• 特点：
  • 提供面向连接的可靠的双向字节流传输服务
  • 只能点对点，不支持广播
• Socket：
  • TCP 连接的两端点抽象概念为 Socket（套接字/插口）
  • Socket = IP + 端口号

可靠传输原理

• 停止等待协议：
  • 发送方每发送一个分组就停止发送，等待对方确认。
  • 发送方每收到一个确认就发送下一个分组。
  • 存在确认丢失和迟到，需要支持超时重传和丢弃重复。
  • 缺点是信道利用率低。
• 滑动窗口协议：
  • 发送方维持一个发送窗口，流水线发送。
  • 如果发送窗口已满，则停止发送。
  • 接收方采用累积确认。
  • 可以提高信道利用率。
  • 可以实现流量控制。
• TCP 可靠通信原理：
  • 连接两端都有一个发送窗口和一个接收窗口。
  • 窗口大小在建立连接时协商确定。
  • 对字节的序号进行确认，确认后发送窗口才向前滑动。

拥塞控制原理

• 拥塞控制的方法是动态控制拥塞控制窗口大小。
• 判断拥塞的依据是没有按时到达的确认报文。
• 拥塞窗口控制算法：
  • 慢开始：开始传输时采用指数级增大窗口。
  • 拥塞避免：慢开始结束后进入拥塞避免阶段，采用线性增大窗口。
  • 慢开始和拥塞避免之间通过一个门限变量控制。
  • 快速重传：只要一连收到三个重复确认就立即重传，而不必继续等待重传计时器到期。
  • 快速重传可以避免丢包时误判拥塞，降低传输效率。
  • 快速恢复：在快速重传后，不执行慢开始，而是将门限减半，然后进入拥塞避免阶段。

TCP报文段头部

• 固定长度 20 字节，最大 60 字节。
• 源端口目的端口号各 16 位。
• 序号32位，表示本报文段第一个字节的序号。
• 确认号32位，表示期望收到对方下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
• 数据偏移4位，单位为4字节，表示首部长度。
• 保留字段占6位。
• 标志位6位：
  • URG，表明紧急指针字段有效，有高优先级的数据。
  • ACK，表明确认号字段有效。
  • PSH，表明接收方应该立即将数据推送给应用层。
  • RST，表明发送方出现严重差错，必须重新建立连接。
  • SYN，表明这是一个连接请求或连接接受报文。
  • FIN，表明发送方已经完成，要求释放连接。
• 窗口大小16位，表示接收窗口大小。
• 校验和16位，类似 UDP 会增加伪首部进行计算。
• 紧急指针16位，少用。

选项字段（长度可变）：

• MSS
  • 最大报文段长度，告诉对方报文段的数据最大长度。
  • 如果超过 MTU 网络层需要进行分片。
  • 如果一方不接受另一方的 MSS，则定为默认值 536，
  • 互联网MTU(576) – IP头(20) – TCP头(20)。

TCP 连接目的

• 确认对方存在
• 协商参数，如 MSS，窗口大小等。

三次握手建立连接

• SYN，seq=x
• SYN，ACK，seq=y，ack=x+1
• ACK，seq=x+1，ack=y+1
• 三次握手可以避免超时重传时建立错误的历史连接。
• 异常情况：
  • 第一次握手丢失，客户端重传。
  • 第二次握手丢失，客户端和服务端都重传。
  • 第三次握手丢失，服务端超时重传，客户端已建立连接如果发送数据没有得到确认也会重传。
  • 采用指数退避计算重传周期，linux默认从1s开始重传5次。

四次挥手释放连接

• FIN，seq=u
• ACK，seq=v，ack=u+1
• FIN，ACK，seq=w，ack=u+1
• ACK，seq=u+1，ack=w+1
• 四次挥手的原因是：另一端可能还有数据没有传完。

重传机制

• 超时重传，每个报文段都设置计时器。
• 超时时间 RTO 标准算法
  • RTO = srtt + 4*rttvar
  • rttvar = (1-h)rttvar + h(|M-srtt|)
  • srtt = (1-g)srtt + gM
  • M:往返时延RTT测量值
  • 建立连接时没有RTT 测量值，初始RTO为1s
• 快速重传，三次相同 ACK 则重传。

连接不存在IP时的处理方式

• 局域网内，发送 ARP 获取 MAC 地址，然后才发送握手请求。
• 局域网外，直接发送握手请求，路由转发到外部。

连接不存在的端口时的处理方式

• 主机响应 RST，发送端关闭连接。
• 防火墙限制则直接丢弃，发送端超时重试直至失败。