第 6 章 傳輸層

1. 第6章 傳輸層

2. 程序對程序 • 不管是資料鏈結層或網路層，談的是主機與主機的連線，但資料通訊的交換則依賴終端應用程式的主從互動關係，即端對端(end-to-end)的通訊。傳輸層的任務就是為資料傳送的兩個主機間，提供應用程式間的資料交換，即程序對程序(process-to-process)間的服務 • 傳輸層提供的傳輸協定中，主要的有可靠的連接導向式TCP和不可靠的非連接導向式UDP。

3. 資料區段中的埠號

4. 埠號與主機

5. 傳輸層的多工 • 多工(multiplexing)將多個信號或訊息結合起來後，以單一通道傳送；反之，解多工(de-multiplexing)則將單一傳輸通道收到的多種訊息或信號，萃取出來分別傳送到接收端

6. 熟知埠號

7. 可靠度 • 非連接導向 • 在不提供可靠的前提下，服務協定不會對封包的損壞、錯誤的順序或遺失做特殊的處理，其設計的目標就是快速和效能。 • 連接導向 • 如果資料傳送要求無誤，而不在於時效上，且資料量較大，那麼傳輸服務必須提供可靠的機制。付出的代價是複雜的流量控制機制和錯誤維護措施。

8. 連接導向服務的意義 • 資料鏈結層有流量控制和錯誤控制，但它是節點之間可靠的服務；網路層是不可靠的，它無法確保資料封包的依序和如實送達，只是盡力而為；但我們需要端對端，即程序間的可靠服務，這就有賴傳輸層來達成此目標

9. TCP表頭

10. TCP連線建立：三向交握

11. TCP連線終止

12. TCP 半閉

13. TCP流量控制 • TCP區段的每個位元組都有依序編號(序列號碼)，且有確認回應資料接收狀況，向對方傳送確認seq = x表示已經收到x – 1個byte，預期接收的資料區段從第x個byte開始。TCP採用滑動視窗的流量控制。主機從網路收到的資料會先暫存於緩衝區，應用程式再從緩衝區讀取資料，緩衝區的空間於是釋放出來，視窗的大小就是根據緩衝區的可用量而定 • 傳送端送出區段後複製一份在佇列中並啟動計時器，如果逾時而未收到該區段的確認回應，或只收到部份的確認回應時，那麼得重送該區段或部份區段。

14. 持留計時器 • 當傳送端收到視窗值為0的時候，會停止傳送資料，並啟動持留計時器(persist timer)，以防範接收端的視窗值更新遺失，傳送端一直等待無法傳送資料，而造成TCP死鎖(deadlock)。如果持留計時器逾時仍然未收到視窗值的更新，傳送端可以嘗試傳送小資料包，接收端會再傳送視窗更新值。傳送端傳送小量的區段，這種現象稱為愚蠢視窗症狀(silly window syndrome)。

15. 錯誤控制 • 傳輸層錯誤控制的範疇包含區段的內容有誤、有遺失的區段、有重複的區段及次序錯誤。除了次序錯誤需要重新排序之外，這些錯誤的解決方法都要透過重送來解決，而要偵測錯誤就得依賴檢查加總、確認回應、序列編號及計時器的TCP滑動視窗傳輸策略。重送使用的機制是回溯 - n ARQ或選擇性回絕ARQ

16. 重傳計時器 • 當有資料區段傳送時就會啟動計時器，收到所有資料區段的確認後，計時器就會停止計時。網路狀況瞬息萬變，送出區段直到收到回應的時間，即來回時間( RTT)，不會每次都一樣，其基本原理是取得多次RTT的平均值以得到平滑的RTT值( SRTT)，因此RTO的值必須是可調適的。如果RTO的值設太小，發生重送的機率必會很高；如果設太大，效率必不彰，可能浪費太多時間等待。

17. 造成壅塞的架構

18. 壅塞控制 • 壅塞控制使用壅塞視窗(congestion window, cwnd)值來控制傳輸量，傳送者視窗大小取決於接收端視窗(rwnd)和cwnd中較小的一個。壅塞控制方式使用慢速啟動(slow start)、壅塞避免(congestion avoidance)以及快速重傳和快速回復(fast retransmission & fast recovery)三種階段的策略。

19. 慢速啟動 • 壅塞控制分兩個階段，慢速啟動和壅塞避免。剛開始連線時，網路的狀況不得而知，沒有資訊提供定義cwnd的值，因此先從1個最大區塊(Maximum Segment Size, MSS)開始，536或512個 byte，每次收到ACK後，即RTT的時間，以指數的方式增加cwnd，cwnd = 1, 2, 4, 8 … ；但必須設定一門檻值(ssthresh)以避免網路壅塞或異常的提早發生，ssthresh的值一般設定為65,535 byte。當cwnd = ssthresh時，壅塞控制進入壅塞避免階段。

20. 壅塞避免 • 避免壅塞使用的演算法是加法遞增和倍數遞減( AIMD)，並結合慢速啟動來達到目標。慢速啟動與AIMD是各自獨立的機制，只是它們搭配進行。各系統最常用的演算法有TCP Tahoe和TCP Reno

21. 壅塞避免：AIMD • 當cwnd = ssthresh時，為避免發生壅塞必須減緩cwnd值增加的速度。此時cwnd不再以指數的方式成長，當收到ACK後cwnd只增加1直到偵測到壅塞為止，這種方式稱為加法遞增(AI)。如果沒收到ACK表示發生壅塞，除了須重送資料區段外，cwnd須降為一半，這種方式稱為倍數遞減(MD)。 • 如果逾時，ssthresh 須設為目前cwnd的一半。但Tahoe將收到3個重覆的ACK和逾時沒收到ACK視為一樣的意義，此時cwnd設為1並開始慢速啟動的階段。 Reno則分別處理，當收到3個重覆的ACK時，cwnd調整為現在的一半，並執行快速重傳且進入快速回復階段：如果得到ACK的回覆，TCP停留在壅塞避免的階段，如果逾時則進入慢速啟動階段。快速重傳及回復機制可避免進入慢速啟動階段，充分利用頻寬增加時效。

22. 壅塞控制與壅塞視窗的變化

23. 壅塞控制流程

24. QoS的調節機制 • 排程：先進先出、優先佇列、公平佇列、權重公平佇列 • 訊務雕塑 • 允入機制

25. QoS：排程 • 先進先出佇列(FIFO) • 依照封包到達的順序依序處理，如果新進的封包到達時佇列已滿，那麼該新進封包會被捨棄，這種捨棄的準則稱為棄尾 • 優先佇列 • 將訊務分級，依照優先順序處理封包 • 公平佇列 • 同時維護多個FIFO資料流，路由器以循環的方式處理封包，棄尾的情形發生在各獨立的FIFO上 • 權重公平佇列 • 將公平佇列的每個資料流賦予權重

26. 權重公平佇列

27. 訊務雕塑 • 網路上的資料流具多樣性，有即時影音串流，或大量檔案傳輸，為有效利用網路頻寬，可對某些大量非即時性訊務在未進入網路之前採取限流(rate limiting)措施，避免影響其它須滿足服務品質之資料流。 • 訊務雕塑可利用漏斗(leaky bucket)原理來平滑其資料流，避免突爆。流入漏斗的水可以很快，但水則以固定緩慢的速度自漏斗流出

28. 允入控制 • 路由器或交換器在資料流進入之前會根據其規範，如頻寬需求、資料流速和佇列機制等來決定是否讓資料流進入。 • 決定允入與否是一件困難的工作。資料流的資料封包是否遵循規範可透過監察(policing)的機制，以決定對此資料流的處理。

29. QoS實施：IntServ • IntServ利用一種資源保留協定(Resource Reservation Protocol, RSVP)建立虛擬通道來為此專屬通道提供等級服務，其通道的狀態不若訊框中繼(frame relay)保持不變的硬狀態(hard state)，它是一種柔狀態(soft state)，必須定期更動。 • IntServ將資料流分為三種等級：保證服務(guaranteed service)、負載控制服務(controlled service)和盡力而為服務(best effort service)。保證服務等級的資料流決不會受到延遲；負載控制服務等級的資料流希望能感覺網路不是壅塞的狀況，資料遺失率須低於10%；而盡力而為的服務與原來IP的非連接導向式服務是一樣的。

30. IntServ的RSVP傳訊

31. QoS實施：DiffServ • 差別式服務主要是一種分級服務，分級的方法不像IntServ根據資料流的規範來允入訊務，它利用表頭DS欄位(TOS)中的6個位元DSCP(differentiated service code point)欄位值來決定級別。所以DifServ不需要去煩惱訊務的型式，它只根據DSCP值來決定其行為，即每站行為(Per Hop Behavior, PHB) • DSCP可以得到26 = 64個級別，不過一般應用上只使用EF PHB、AF PHB和DE PHB。EF(expedited forwarding)，快速轉送的意思，專為低遺失率和低延遲的訊務服務；AF(assured forwarding)，確保轉送的意思，在條件之內保證轉送；DE(default)，預設的意思，也就是原來盡力而為的服務

32. UDP表頭

33. UDP特性 • 是一個不可靠的非連接導向傳輸協定；它之所以不可靠是因為它沒有確認告知資料的接收情形，資料包也沒有序號編列，更不用說資料流量或壅塞的控制。 • 因為它不講究可靠，所以小資料量，要求傳輸效益高且需要即時反應的一些服務，例如影音串流的多媒體即時應用程式反而更適用，因為這種型態的服務可以容忍資料遺失，而且要求速度。