传输层与应用层

本节导读

大纲的「传输层」包括传输层提供的服务（功能、寻址与端口、无连接服务与面向连接服务）、UDP（数据报、校验）、TCP（段、连接管理、可靠传输、流量控制、拥塞控制）；「应用层」包括网络应用模型（客户/服务器、对等 P2P）、DNS、FTP、电子邮件（组成结构、格式与 MIME、SMTP 与 POP3）、WWW（概念与组成结构、HTTP 协议）。

TCP 建议重点掌握：序号与确认号怎么编、连接怎样建立和释放、拥塞窗口怎样随轮次变化，都适合出计算和画图题。

传输层的功能与端口

网络层提供主机之间的通信，传输层提供进程之间的逻辑通信：发送方的多个进程共用传输层（复用），接收方按端口号把数据交给对应进程（分用）。端口号 16 位，0 至 1023 为熟知端口，如 FTP 21（数据连接 20）、SSH 22、SMTP 25、DNS 53、HTTP 80、POP3 110、HTTPS 443。IP 地址加端口号构成套接字，一条 TCP 连接由两端的套接字唯一确定。

UDP

UDP 无连接、尽最大努力交付、面向报文（应用层交下来的报文原样加首部发送），没有拥塞控制，首部只有 8 B：源端口、目的端口、长度（首部加数据）、检验和，各 2 B。计算检验和时临时在前面加 12 B 的伪首部（源 IP、目的 IP、协议号 17、UDP 长度等），所以它连带检验了 IP 地址；伪首部既不发送，也不计入长度。DNS、DHCP、实时音视频等常用 UDP。

TCP 的报文段与连接管理

TCP 面向连接、可靠、面向字节流、全双工。首部固定部分 20 B，其中：序号是本报文段数据第一个字节的编号；确认号是期望收到对方下一个报文段的第一个字节的编号（表示这之前的都已收到）；数据偏移即首部长度，以 4 B 为单位；标志位有 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN；窗口是本方的接收窗口，告诉对方允许发送的字节数。

三次握手建立连接：客户发 SYN（seq = x），服务器回 SYN + ACK（seq = y，ack = x + 1），客户再回 ACK（seq = x + 1，ack = y + 1）。SYN 和 FIN 报文段不带数据也要消耗一个序号；不带数据的纯 ACK 报文段不消耗序号。

四次挥手释放连接：主动方发 FIN 后进入 FIN-WAIT-1，收到确认进入 FIN-WAIT-2，这时连接处于半关闭状态，主动方不再发送数据，但仍能接收对方的数据；对方发完数据后发 FIN，主动方确认后进入 TIME-WAIT，再等 2MSL 才关闭。

可靠传输与流量控制

TCP 用累积确认和超时重传实现可靠传输。超时重传时间 RTO 根据往返时间的加权平均值和偏差动态计算，略大于加权平均往返时间。接收方收到失序的报文段时，立即对已按序收到的数据发重复确认；发送方一连收到 3 个重复确认，不等计时器超时就立即重传缺失的报文段，这叫快重传。

流量控制让发送方不要发得太快，以免接收方来不及接收：接收方通过确认报文段中的窗口字段（接收窗口 rwnd）限制发送方。收到零窗口通知后，发送方启动持续计时器，计时器到期就发一个零窗口探测报文段，以免对方发出的非零窗口通知丢失时双方一直互相等待。

拥塞控制

发送方维护拥塞窗口 cwnd，发送窗口取接收窗口 rwnd 与 cwnd 中的较小者。四种算法（以最大报文段 MSS 为单位，按传输轮次计）：

• 慢开始：cwnd 从 1 开始，每经过一个轮次翻一倍，到慢开始门限 ssthresh 时改用拥塞避免；
• 拥塞避免：每经过一个轮次 cwnd 加 1，线性增长；
• 出现超时：ssthresh 设为当时 cwnd 的一半，cwnd 重置为 1，重新慢开始；
• 收到 3 个重复确认：快重传缺失的报文段，并执行快恢复，ssthresh 设为当时 cwnd 的一半，cwnd 设为新的 ssthresh，然后进入拥塞避免（也有教材和实现把 cwnd 设为新的 ssthresh 加 3 个 MSS，本课的题目都按「设为新的 ssthresh」算）。

应用层

网络应用模型有客户/服务器（C/S，服务器常驻、被动等待请求）和对等（P2P，各主机既是客户又是服务器，下载者越多可用的资源也越多）两种。

DNS 把域名解析为 IP 地址。域名空间是层次树：根之下是第一级域名（如 com、cn），再往下是二级、三级域名。域名服务器有根域名服务器、第一级域名服务器、权限域名服务器和本地域名服务器。主机向本地域名服务器一般用递归查询（由本地域名服务器负责得到最终结果）；本地域名服务器向其他服务器一般用迭代查询（被问的服务器只告诉它下一步该问谁）。各级服务器和主机都有高速缓存，查过的结果一段时间内可以直接用。

FTP 用 TCP，使用两个连接：控制连接（服务器端口 21）在整个会话期间一直保持，传送命令和应答；数据连接（主动方式下服务器用端口 20）每传送一个文件建立一次，传完即关闭。