一、传输层的作用
- 逻辑通信：为运行在不同主机上的应用进程之间提供逻辑通信。它在端系统中实现，将应用进程的报文封装成传输层报文段后传递给网络层；在接收端，重组网络层上交的报文段并传递给接收应用进程。
- 多路复用与多路分解：发送端通过多路复用从不同套接字收集数据块，增加首部信息后生成报文段；接收端通过多路分解将报文段中的数据交付到正确的套接字。
- 提供可靠或不可靠的服务：根据不同的协议（如TCP和UDP），传输层可以提供可靠的数据传输服务（TCP）或不可靠的数据传输服务（UDP）。
二、UDP（用户数据报协议）
- 特点：
- 无连接：发送和接收端之间没有握手协议，每一个UDP报文段的管理是独立的。
- “尽力而为”服务：UDP报文段可能会丢失和乱序，不提供可靠性保证。
- 首部开销小：UDP报文段结构简单，首部字段只有8字节，包括源端口、目的端口、长度和检验和。
- 时延短：适合对时延敏感的应用，如网络管理、DNS、流媒体等。
- 报文段结构：
- 首部字段：源端口、目的端口、长度、检验和。
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伪首部：用于计算检验和，包括源IP地址、目的IP地址、协议号等。
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检验和：提供差错检测功能，采用2字节的整型数据求和反码的方式计算。若接收方将全部数据与检验和相加的和为全1的数据，则没有检测出差错。
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UDP检验和的计算涉及以下几个部分：
- 伪首部（Pseudo-header）：这是一个虚拟的首部，仅用于计算检验和，但不会真正出现在UDP报文段中。伪首部包括：
- 源IP地址（32位）。
- 目的IP地址（32位）。
- 协议号（8位，UDP的协议号为17）。
- UDP报文段的长度（16位）。
- UDP首部：UDP报文段的8字节首部，包括：
- 源端口号（16位）。
- 目的端口号（16位）。
- 长度（16位）。
- 检验和（16位）。在计算检验和时，检验和字段本身被置为0。
- UDP数据部分：应用层传递给UDP的数据。
- 伪首部（Pseudo-header）：这是一个虚拟的首部，仅用于计算检验和，但不会真正出现在UDP报文段中。伪首部包括：
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UDP检验和的计算过程如下：
- 将伪首部、UDP首部和数据部分按顺序拼接成一个连续的字节流。
- 将字节流划分为16位（2字节）的整数序列。
- 对所有16位整数进行二进制反码求和（即按位加，溢出回卷）。
- 将最终的和取反码，得到检验和。
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三、TCP（传输控制协议）
- 特点：
- 面向连接：在数据传输之前需要建立连接，通过三次握手过程来建立连接，确保双方都准备好进行数据传输。
- 可靠传输：通过确认应答、超时重传、滑动窗口等机制实现可靠的数据传输，确保数据的完整性和顺序性。
- 字节流服务：没有报文的界限，只区分报文段。
- 全双工服务：允许同时进行双向数据传输。
- 流量控制与拥塞控制：通过窗口机制防止接收端溢出和分组交换机溢出。
- 报文段结构：
- 首部：20字节固定首部+可变长度的选项字段。
- 首部字段：
- 源端口和目的端口：各占2字节，用于标识发送端和接收端的端口号。
- 序号字段：占4字节，用于对TCP连接中的数据流中的每一个字节进行编号。
- 确认号字段：占4字节，表示期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
- 数据偏移：占4位，表示TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，单位是32位字。
- 保留字段：占6位，保留为今后使用，目前应置为0。
- 标志字段：包括URG（紧急）、ACK（确认）、PSH（推送）、RST（复位）、SYN（同步）、FIN（终止）等标志位。
- 窗口字段：占2字节，用于流量控制，表示接收方期望接收的字节数。
- 检验和：占2字节，用于检验TCP报文段的首部和数据部分。
- 紧急指针字段：占16位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节。
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选项字段：长度可变，最初只规定了最大报文段长度MSS选项。
- 连接管理：
- 连接建立：通过三次握手过程实现。
- 客户端发送一个SYN报文段，请求建立连接，其中SYN=1，序号为x。
- 服务器收到请求后，发送一个SYN ACK报文段作为响应，其中SYN=1，序号为y，ACK=1，确认号为x+1。
- 客户端收到SYN ACK报文段后，发送一个ACK报文段，其中SYN=0，序号为x+1，ACK=1，确认号为y+1，完成连接建立。
- 连接关闭：客户端和服务器端分别关闭它们的连接，通过发送包含FIN=1的报文段来表示释放连接，并对包含FIN=1的报文段进行确认ACK。
- 连接建立：通过三次握手过程实现。
- 往返时间估计与超时重传：
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往返时间估计：采用指数加权移动平均（EWMA）方法估计往返时间（RTT），公式为
\[EstimatedRTT = (1-α)*EstimatedRTT + α*SampleRTT\]其中 $\alpha$ 推荐取值为0.125。
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超时重传时间间隔：通过计算 $SampleRTT$ 与 $EstimatedRTT$ 之间的差值的 $EWMA（DevRTT）$，并加上一个安全余量来设置超时重传时间间隔，公式为
\[DevRTT = (1-\beta)*DevRTT + \beta*|SampleRTT-EstimatedRTT|\\ TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT\]推荐取值：$\beta$ = 0.25
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