传输层协议与典型网络应用

本节导读

这一节对应大纲「Internet 的体系结构和各层协议」中的传输层，以及「典型网络应用」。传输层把网络层「主机到主机」的通信，扩展为「进程到进程」的通信；应用层则是我们每天用到的域名解析、网页浏览、电子邮件和文件传送。

常见的考法：TCP 连接建立和数据传送中的序号、确认号推算；拥塞窗口随传输轮次的变化；按窗口和往返时间估算最大吞吐量；以及 DNS 查询过程、各应用使用的协议和端口这类名词解释与简答。学完你应该能画出三次握手的报文交换，并能逐轮推出拥塞窗口的值。

端口与 UDP

传输层用 16 位端口号区分同一主机上的不同进程，IP 地址加端口号叫套接字。0 到 1023 是熟知端口：

应用	协议	端口	传输层协议
文件传送	FTP	21（控制）、20（数据）	TCP
远程登录	Telnet / SSH	23 / 22	TCP
发送电子邮件	SMTP	25	TCP
域名解析	DNS	53	主要用 UDP
网页浏览	HTTP / HTTPS	80 / 443	TCP
读取电子邮件	POP3 / IMAP	110 / 143	TCP
动态主机配置	DHCP	67（服务器）、68（客户）	UDP

UDP 是无连接、不可靠的：首部只有 8 字节（源端口、目的端口、长度、检验和），不保证交付、没有流量控制和拥塞控制，面向报文、支持广播和多播。它开销小、时延低，适合域名查询、网络管理、实时音视频这类应用。

TCP 报文段与连接管理

TCP 面向连接、可靠、全双工，把应用层数据看成无结构的字节流。首部至少 20 字节，主要字段：序号（本报文段数据第一个字节的编号）、确认号（期望收到对方下一个字节的编号）、首部长度、六个控制位（URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN）、窗口、检验和、紧急指针。

建立连接用三次握手：客户发送 SYN，序号 x；服务器回送 SYN 和 ACK，序号 y、确认号 x + 1；客户再发 ACK，序号 x + 1、确认号 y + 1。SYN 报文段不带数据，但要消耗一个序号。释放连接用四次挥手：一方发 FIN，对方确认；对方数据发完后也发 FIN，这一方再确认。主动关闭的一方发出最后的确认后要等待 2MSL（报文段最长寿命的两倍）才真正关闭，一是保证最后的确认能到达（丢了还能重发），二是让本连接的旧报文段在网络中消失。

可靠传输与流量控制

最简单的可靠传输是停止等待协议：发一个、等确认、再发下一个，超时就重传。它的信道利用率很低，例如发送时间 1 ms、往返时间 20 ms，利用率只有 $\frac{1}{1 + 20} \approx 4.8\%$1+201​≈4.8%。连续 ARQ 允许连续发送窗口内的多个分组：回退 N 帧协议出错时从出错处起全部重传，发送窗口不能超过 $2^n - 1$2n−1（n 是序号位数）；选择重传协议只重传出错的分组，发送窗口和接收窗口都不能超过 $2^{n-1}$2n−1。

TCP 用以字节为单位的滑动窗口实现可靠传输和流量控制：接收方在确认中通告接收窗口 rwnd，发送窗口取接收窗口和拥塞窗口 cwnd 中较小的一个。接收方通告零窗口时，发送方启动持续计时器，定期发零窗口探测报文。一条 TCP 连接的最大吞吐量约为「发送窗口 ÷ 往返时间」。

拥塞控制

TCP 用四种算法控制拥塞窗口（以最大报文段长度 MSS 为单位）：

算法	做法
慢开始	cwnd 从 1 开始，每经过一个传输轮次翻一倍，直到达到慢开始门限 ssthresh
拥塞避免	cwnd 达到 ssthresh 后，每经过一个传输轮次只加 1
超时	ssthresh 改为当前 cwnd 的一半，cwnd 回到 1，重新慢开始
快重传与快恢复	连收 3 个重复确认就立即重传；ssthresh 改为 cwnd 的一半，cwnd 设为新的 ssthresh，接着执行拥塞避免

快恢复时 cwnd 的取值教材写法不一：本课按「cwnd = ssthresh」写，有的教材写成 ssthresh + 3，以题目说明为准。「慢开始」的「慢」是指从 1 开始，增长其实是指数级的。

典型网络应用

域名系统 DNS 把域名解析为 IP 地址。域名服务器分为根域名服务器、顶层域名服务器、权限域名服务器，主机先问本地域名服务器。主机向本地域名服务器一般用递归查询（由本地服务器负责给出最终结果）；本地域名服务器向其他服务器一般用迭代查询（对方只告诉下一步该问谁）。为了减少查询，各级服务器和主机都有缓存。常见的资源记录有 A（域名对应的 IPv4 地址）、NS（域名服务器）、CNAME（别名）、MX（邮件服务器）。