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第六章 传输层

6.1 概述和传输层服务

传输层位于应用层和网络层之间

6.2 套接字编程

网络应用

如何创建一个网络应用：编写一个分布式程序，使其运行在不同的端系统上，并通过网络通信

  • 服务器体系结构（C/S）
    • 有一台总是在线的主机，运行一个服务器程序(server)，服务器主机具有永久的、众所周知的地址
    • 用户终端上运行一个客户程序（client），需要时主动与服务器程序通信，请求服务
    • 客户只与服务器通信，客户 之间不通信

进程如何标识自己：主机地址+主机上与该进程关联的端口号

应用编程接口：socket API

需显式地创建、使用和释放套接字，采用客户-服务器模式

  • 应用可以通过socket API调用两种传输服务:
    • 不可靠的数据报服务：由UDP协议实现
    • 可靠的字节流服务：由TCP协议实现

应用例子：回音服务

  1. 客户程序从键盘读入一行字符（数据），发送给服务器
  2. 服务器接收数据，然后将收到的数据回送给客户
  3. 客户接收回送的数据，在屏幕上显示出来

6.3 传输层复用和分用

6.4 无连接传输：UDP

6.5 面向连接的传输：TCP

TCP概述

建立一条TCP连接需要确定两件事：

  • 双方都同意建立连接（知晓另一方想建立连接）
  • 初始化连接参数（序号，MSS等）

两次握手：

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不一定总是成功：在一个不可靠的网络中，总会有一些意外发生（包传输延迟变化很大/存在重传的报文段/存在报文重排序）

失败情形：

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为了防止以上情形 - PAWS (Protection Against Wrapped Sequence numbers)

  • 为连接选取起始序号
  • 必须避免新、旧连接上的序号产生重叠（如果重叠，会把旧连接上重传的报文段误以为是新连接上的报文段）
  • 基于时钟的起始序号选取算法：
    • 每个主机使用一个时钟，以二进制计数器的形式工作，每隔 ΔT 时间计数器加 1
    • 新建一个连接时，以本地计数器值的最低 32 位作为起始序号
    • 该方法确保连接的起始序号随时间单调增长
    • T取较小的值（4微秒 ）- 确保发送序号的增长速度，不会超过起始序号的增长速度
    • 使用较长的字节序号（32位）- 确保序号回绕的时间远大于分组在网络中的最长寿命

TCP报文段结构

TCP可靠数据传输

TCP三次握手建立连接

  1. 客户TCP发送SYN报文段（SYN=1 , AC K=0）
    • 给出客户选择的起始序号，不包含数据
  2. 服务器TCP发送SYNACK报文段（SYN=ACK=1）（服务器端分配缓存和变量）
    • 给出服务器选择的起始序号
    • 确认客户的起始序号
    • 不包含数据
  3. 客户发送ACK报文段（SYN=0，ACK=1）（客户端分配缓存和变量）
    • 确认服务器的起始序号
    • 可能包含数据

TCP 四次挥手

TCP流量控制5.TCP连接管理

6.6 理解网络拥塞

网络拥塞:

  • 起因：大量分组短时间内进入网络，超出网络的处理能力
  • 表现：分组延迟增大，网络吞吐量下降，甚至降为 0
  • 措施：减少分组进入网络（拥塞控制）

流量控制与拥塞控制的异同：

  • 流量控制：限制发送速度，使不超过接收端的处理能力
  • 拥塞控制：限制发送速度，使不超过网络的处理能力

网络拥塞的后果：

  • 丢包：由路由器缓存溢出造成
  • 分组延迟增大：链路接近满载造成
  • 因此大量网络资源用于：
    • 重传丢失的分组
    • （不必要地）重传延迟过大的分组
    • 转发最终被丢弃的分组

结果进入网络的负载很重，网络吞吐量却很低

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拥塞控制的常用方法

  • 网络辅助的拥塞控制
  • 端到端拥塞控制（TCP 使用）

6.7 TCP拥塞控制

AIMD 策略

TCP 连接的吞吐量

  • W = 发生丢包时的拥塞窗口
    • throughput = W/RTT
  • 发生丢包后调整 cwnd = W/2
    • throughput = W/2RTT
  • 假设 TCP 连接期间，RTT 和 W 基本不变
    • throughput = 0.75W/RTT

TCP 的公平性

  • 公平性目标 - 如果K条TCP连接共享某条带宽为R的瓶颈链路，每条连接应具有平均速度R/K
  • 为什么 TCP 是公平的 - 考虑两条竞争的连接（各种参数相同）共享带宽为R的链路:
    • 加性增：连接1和连接2按照相同的速率增大各自的拥塞窗口，得到斜率为1的直线
    • 乘性减：连接1和连接2将各自的拥塞窗口减半

UDP 和 TCP

TCP futures: TCP over "long, fat pipes"

\(thoughput = \frac{1.22\times MSS}{RTT\sqrt{L}}\)

1500 byte segment, 100 ms RTT, want 10 Gbps throughput

according to the equation, L need to be very low

6.8 拥塞控制的发展

TCP-BIC 算法

  • 思想：二分

CUBIC 算法

BBR

  • 测量最大带宽，需要填满瓶颈链路
  • 测量最低延迟，需要尽量排空
  • 二者不能同时测得

BDP 检测

  • START_UP - 经过三次测量发现投递率不再增长，说明到达瓶颈
  • DRAIN - 指数降低发送速率
  • PROBE_BW -

数据中心的性能问题

  • Incast - 大量流量同时到达交换机的一个端口

解决方法：DCTCP

  • 将队列长度稳定地维持在一个很低的水平
  • 为什么奏效
    • 较低的队列长度
    • 激进的标签策略

6.9 传输层协议的发展

UDP 的问题和改进方案

  • DCCP = UDP + 拥塞控制

TCP 的问题和改进方案

  • 不能多路传输
    • 多路 TCP - MPTCP
    • 实现多子流传输
  • TCP 在操作系统内核中实现
    • 应用无法对 TCP 进行修改
  • 握手时延大

QUIC - TCP 打补丁

  • 实现在用户态中
  • 连接加速：3RTT -> 1RTT
  • 多流复用
  • 易于部署、更新