第五章 传输层（⭐⭐⭐⭐⭐）

5.1 传输层服务与端口

• 端到端逻辑通信：传输层为应用进程提供逻辑通信
• 复用与分用：多个进程共享同一网络层连接
• 端口分类：
  • 熟知端口：0~1023（HTTP 80、FTP 21、DNS 53 等）
  • 登记端口：1024~49151
  • 动态端口：49152~65535（临时分配）

套接字 = IP地址 + 端口号，唯一标识网络中的一个通信端点。

5.2 UDP

• 无连接、尽最大努力交付、首部仅8B
• 支持多播/广播，实时性好
• 面向报文：应用层交下来多大的报文就发多大，不合并不拆分

UDP首部4字段

字段	长度	说明
源端口	16位	可选（全0表示不需回复）
目的端口	16位	必填
长度	16位	首部+数据的总长度（最小8B）
校验和	16位	可选（全0表示不校验）

UDP校验（伪首部）

• 12字节伪首部：源IP(4B) + 目的IP(4B) + 全零(1B) + 协议号17(1B) + UDP长度(2B)
• 伪首部仅参与校验和计算，不实际发送
• 校验范围：伪首部 + UDP首部 + 数据（若数据为奇数字节则补0）

5.3 TCP（核心 ⭐⭐⭐⭐⭐）

一、TCP报文段首部（完整16字段）

字段	位数	说明
源端口	16	—
目的端口	16	—
序号	32	本报文段数据的第一个字节编号
确认号	32	期望收到的下一个字节编号
数据偏移	4	首部长度，单位4B（最小5=20B，最大15=60B）
保留	6	置0
URG	1	紧急指针有效
ACK	1	确认号有效（连接建立后通常=1）
PSH	1	接收方应尽快交付应用层
RST	1	复位连接
SYN	1	同步序号（建立连接）
FIN	1	释放连接
窗口	16	接收方的接收窗口大小（rwnd）
校验和	16	含伪首部（协议号改为6）
紧急指针	16	URG=1时有效，指出紧急数据末尾偏移
选项	0~320	MSS、窗口扩大、时间戳等

二、三次握手与四次挥手

三次握手：

1. 客户端 → 服务器：SYN=1，seq=x
2. 服务器 → 客户端：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1
3. 客户端 → 服务器：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1（可携带数据）

为什么是三次而不是两次？（⭐ 高频考点）

防止已失效的连接请求到达服务器。若只有两次握手，一个迟到的旧SYN到达服务器后，服务器会认为是新连接并分配资源，但客户端不会响应 → 服务器资源浪费（半开连接）。第三次握手让服务器确认客户端确实还在。

四次挥手：

1. 客户端 → 服务器：FIN=1，seq=u
2. 服务器 → 客户端：ACK=1，ack=u+1（服务器进入 CLOSE-WAIT）
3. 服务器 → 客户端：FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1
4. 客户端 → 服务器：ACK=1，ack=w+1（客户端进入 TIME-WAIT=2MSL）

TIME-WAIT = 2MSL 的两个原因

1. 确保最后一个ACK到达：若这个ACK丢失，服务器会重传FIN，客户端在2MSL内可以重发ACK
2. 让旧分组在网络中消亡：等待2MSL后，本连接的所有旧报文段都已过期，不会干扰新连接

TCP释放连接最短时间（2022真题）

从客户端发出FIN到完全关闭的最短时间 = 发送FIN + 等待ACK + 等待对方FIN + 发送ACK + 2MSL = 约 3RTT + 2MSL（具体取决于题目条件）

⚠️ 陷阱：SYN 与 FIN 都各自消耗一个序号。ACK不消耗序号。

三、可靠传输与流量控制

• 可靠性五要素：确认、超时重传、校验、排序、去重
• 快速重传：3个重复ACK触发（不等超时）
• 发送窗口： $W_{send}=\min(rwnd,\ cwnd)$

超时重传时间计算（加权RTT）

$SRTT_{new} = (1-\alpha)\cdot SRTT_{old} + \alpha\cdot RTT_{sample}$ $RTO = SRTT + 4\cdot DevRTT$

其中 $\alpha$ 通常取 1/8，DevRTT 为偏差的加权平均。

TCP 持续计时器与零窗口探测（⭐）

• 当接收方通告窗口为0时，发送方启动持续计时器
• 计时器到期后发送零窗口探测报文（1字节数据）
• 接收方回复当前窗口值 → 若仍为0则重置计时器，否则恢复发送
• 目的：防止窗口更新报文丢失导致死锁

MSS（最大报文段长度）

• MSS = MTU - IP首部(20B) - TCP首部(20B)，以太网 MSS 典型值 = 1460B
• 在三次握手时通过选项字段协商

四、拥塞控制四算法（⭐⭐⭐⭐⭐）

算法	触发条件	cwnd变化
慢开始	初始/超时后	每收到1个ACK，cwnd+1 MSS（指数增长）
拥塞避免	cwnd ≥ ssthresh	每个RTT，cwnd+1 MSS（线性增长）
快重传	3个重复ACK	立即重传丢失报文段
快恢复	快重传后	ssthresh=cwnd/2，cwnd=ssthresh+3MSS

关键规则：

• 超时：ssthresh = cwnd/2，cwnd = 1 MSS，重新慢开始 ← 最严厉
• 3个重复ACK：ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh + 3MSS（Reno），进入快恢复→拥塞避免
• 慢开始→拥塞避免的切换点：cwnd = ssthresh

cwnd 演化数值算例（⭐ 必考）

例：初始 cwnd=1，ssthresh=16

RTT轮次	1	2	3	4	5	6~16	...
cwnd	1	2	4	8	16	17,18,...	...
阶段	慢开始	慢开始	慢开始	慢开始	→拥塞避免	拥塞避免	...

若在 cwnd=24 时发生超时：ssthresh=12，cwnd=1，重新慢开始 若在 cwnd=24 时收到3个重复ACK：ssthresh=12，cwnd=12+3=15，进入快恢复/拥塞避免

拓展阅读（非408必背，但提升理解上限）

• TCP CUBIC：以时间为自变量调整窗口，现代Linux默认拥塞控制，长肥管道下吞吐更稳
• BBR：基于带宽与RTT建模，目标是接近瓶颈带宽并控制排队时延
• 对408答题建议：主线仍按 Reno 口径作答，若题干明确“现代TCP/生产网络”，可在结论后补一句 CUBIC/BBR 认知

📌 第五章总结

• TCP是408计网最高频主题
• TCP首部16字段、三次握手/四次挥手的序号变化必须熟练
• "为什么是三次握手"和"TIME-WAIT=2MSL原因"是高频论述题
• 拥塞控制：超时 vs 3重复ACK 的处理差异必须区分
• cwnd演化图是每年必考的计算/画图题核心
• 持续计时器、MSS、加权RTT是高频选择题点
• 关联陷阱编号：#8 #9 #14 #15 #16

🎯 第五章 Top-Down 案例模板（端到端可靠与高效）

步骤	提问模板	本章落点
连接	题目是否涉及建连/拆连？	三次握手、四次挥手、TIME-WAIT
可靠	丢包靠什么发现？	ACK/超时/重传
流控	发送方能发多快？	$W_{send}=\min(rwnd,cwnd)$
拥塞	是超时还是3重复ACK？	Reno两条分支

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