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福剩魏
5 years ago
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1 第七章运输层大连理工大学电信学部信息与通信工程学院王波 1

2 第 7 章运输层 7.1 运输层协议概述进程之间的通信运输层的两个主要协议运输层的端口 7.2 用户数据报协议 UDP UDP 概述 UDP 的首部格式 2

3 第 7 章运输层 ( 续 ) 7.3 传输控制协议 TCP 概述 TCP 最主要的特点 TCP 的连接 7.4 可靠传输的工作原理停止等待协议连续 ARQ 协议 7.5 TCP 报文段的首部格式 3

4 第 7 章运输层 ( 续 ) 7.6 TCP 可靠传输的实现以字节为单位的滑动窗口超时重传时间的选择选择确认 ACK 7.7 TCP 的流量控制利用滑动窗口实现流量控制必须考虑传输效率 4

5 第 7 章运输层 ( 续 ) 7.8 TCP 的拥塞控制拥塞控制的一般原理几种拥塞控制方法随机早期检测 RED 7.9 TCP 的运输连接管理 TCP 的连接建立 TCP 的连接释放 TCP 的有限状态机 5

6 7.1 运输层协议概述进程之间的通信从通信和信息处理的角度看, 运输层向它上面的应用层提供通信服务, 它属于面向通信部分的最高层, 同时也是用户功能中的最低层当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时, 只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层, 而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能 6

7 运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信 AP 应用进程应用进程 1 AP AP 端口运输层提供应用进程间的逻辑通信端口 AP IP 层主机 A 主机 B AP 路由器 1 路由器 2 1 LAN AP 3 LAN WAN AP AP 4 IP 协议的作用范围运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围

8 应用进程之间的通信两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信应用进程之间的通信又称为端到端的通信运输层的一个很重要的功能就是复用和分用应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层, 再往下就共用网络层提供的服务运输层提供应用进程间的逻辑通信逻辑通信的意思是 : 运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接 8

9 运输层协议和网络层协议的主要区别应用进程应用进程因特网 IP 协议的作用范围 ( 提供主机之间的逻辑通信 ) TCP 和 UDP 协议的作用范围 ( 提供进程之间的逻辑通信 ) 9

10 运输层的主要功能运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信 ( 但网络层是为主机之间提供逻辑通信 ) 运输层还要对收到的报文进行差错检测运输层需要有两种不同的运输协议, 即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP 10

11 两种不同的运输协议运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节 ( 如网络拓扑所采用的路由选择协议等 ), 它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道当运输层采用面向连接的 TCP 协议时, 尽管下面的网络是不可靠的 ( 只提供尽最大努力服务 ), 但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道当运输层采用无连接的 UDP 协议时, 这种逻辑通信信道是一条不可靠信道 11

12 7.1.2 运输层的两个主要协议 TCP/IP 的运输层有两个不同的协议 : (1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) 12

13 TCP 与 UDP 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit) TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段 (segment) UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报 13

14 TCP/IP 体系中的运输层协议运输层应用层 UDP TCP IP 与各种网络接口 14

15 TCP 与 UDP UDP 在传送数据之前不需要先建立连接对方的运输层在收到 UDP 报文后, 不需要给出任何确认虽然 UDP 不提供可靠交付, 但在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式 TCP 则提供面向连接的服务 TCP 不提供广播或多播服务由于 TCP 要提供可靠的面向连接的运输服务, 因此不可避免地增加了许多的开销这不仅使协议数据单元的首部增大很多, 还要占用许多的处理机资源 15

16 还要强调两点运输层的 UDP 用户数据报与网际层的 IP 数据报有很大区别 IP 数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发, 但 UDP 用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的 TCP 报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送, 这种信道是可靠的全双工信道但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器, 而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了 TCP 连接 16

17 7.1.3 运输层的端口运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符这是因为在因特网上使用的计算机的操作系统种类很多, 而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信, 就必须用统一的方法对 TCP/IP 体系的应用进程进行标志 17

18 需要解决的问题由于进程的创建和撤销都是动态的, 发送方几乎无法识别其他机器上的进程有时我们会改换接收报文的进程, 但并不需要通知所有发送方我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点, 而不需要知道实现这个功能的进程 18

19 端口号 (protocol port number) 简称为端口 (port) 解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号 (protocol port number), 或通常简称为端口 (port) 虽然通信的终点是应用进程, 但我们可以把端口想象是通信的终点, 因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口, 剩下的工作 ( 即最后交付目的进程 ) 就由 TCP 来完成 19

20 软件端口与硬件端口在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口路由器或交换机上的端口是硬件端口硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口, 而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址 20

21 TCP 的端口端口用一个 16 位端口号进行标志端口号只具有本地意义, 即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的 21

22 三类端口熟知端口, 数值一般为 0~1023 登记端口号, 数值为 1024~49151, 为没有熟知端口号的应用程序使用的使用这个范围的端口号必须在 IANA 登记, 以防止重复客户端口号或短暂端口号, 数值为 49152~65535, 留给客户进程选择暂时使用当服务器进程收到客户进程的报文时, 就知道了客户进程所使用的动态端口号通信结束后, 这个端口号可供其他客户进程以后使用 22

23 7.2 用户数据报协议 UDP UDP 概述 UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能, 即端口的功能和差错检测的功能虽然 UDP 用户数据报只能提供不可靠的交付, 但 UDP 在某些方面有其特殊的优点 23

24 UDP 的主要特点 UDP 是无连接的, 即发送数据之前不需要建立连接 UDP 使用尽最大努力交付, 即不保证可靠交付, 同时也不使用拥塞控制 UDP 是面向报文的 UDP 没有拥塞控制, 很适合多媒体通信的要求 UDP 支持一对一一对多多对一和多对多的交互通信 UDP 的首部开销小, 只有 8 个字节 24

25 面向报文的 UDP 发送方 UDP 对应用程序交下来的报文, 在添加首部后就向下交付 IP 层 UDP 对应用层交下来的报文, 既不合并, 也不拆分, 而是保留这些报文的边界应用层交给 UDP 多长的报文,UDP 就照样发送, 即一次发送一个报文接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报, 在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程, 一次交付一个完整的报文应用程序必须选择合适大小的报文 25

26 UDP 基于端口的分用端口 1 端口 2 端口 3 UDP 分用 UDP 数据报到达 IP 层 26

27 UDP 是面向报文的应用层报文应用层 UDP 首部 UDP 用户数据报的数据部分运输层 IP 首部 IP 数据报的数据部分 IP 层 27

28 7.2.2 UDP 的首部格式字节源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度字节伪首部源端口目的端口长度检验和 UDP 用户数据报首部数据发送在前首部数 IP 数据报据 28

29 用户数据报 UDP 有两个字段 : 数据字段和首部字段首部字段有 8 个字节, 由 4 个字段组成, 每个字段都是两个字节字节源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度字节伪首部源端口目的端口长度检验和 UDP 用户数据报首部数据发送在前首部数 IP 数据报据

30 在计算检验和时, 临时把伪首部和 UDP 用户数据报连接在一起伪首部仅仅是为了计算检验和字节源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度字节伪首部源端口目的端口长度检验和 UDP 用户数据报首部数据发送在前首部数 IP 数据报据

31 12 字节伪首部 8 字节 UDP 首部 7 字节数据计算 UDP 检验和的例子全全 0 数据数据数据数据数据数据数据全 0 填充按二进制反码运算求和将得出的结果求反码和 ( 检验和 ) 数据数据数据数据和 0( 填充 ) 求和得出的结果检验和

32 7.3 传输控制协议 TCP 概述 TCP 最主要的特点 TCP 是面向连接的运输层协议每一条 TCP 连接只能有两个端点 (endpoint), 每一条 TCP 连接只能是点对点的 ( 一对一 ) TCP 提供可靠交付的服务 TCP 提供全双工通信面向字节流 32

33 TCP 发送方应用进程字节流把字节写入发送缓存 H TCP 面向流的概念 H x 表示 TCP 报文段的首部表示序号为 x 的数据字节加上 TCP 首部构成 TCP 报文段 10 9 H TCP 连接发送 TCP 报文段 H 从接收缓存读取字节 TCP 接收方应用进程字节流 33

34 应当注意 TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接 TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到 TCP 的缓存中是不关心的 TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节 (UDP 发送的报文长度是应用进程给出的 ) TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送 TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去 34

35 7.3.2 TCP 的连接 TCP 把连接作为最基本的抽象每一条 TCP 连接有两个端点 TCP 连接的端点不是主机, 不是主机的 IP 地址, 不是应用进程, 也不是运输层的协议端口 TCP 连接的端点叫做套接字 (socket) 或插口端口号拼接到 (contatenated with) IP 地址即构成了套接字 35

36 套接字 (socket) 套接字 socket = (IP 地址 : 端口号 ) (7-1) 每一条 TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点 ( 即两个套接字 ) 所确定即 : TCP 连接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: port2)} (7-2) 36

37 同一个名词 socket 有多种不同的意思应用编程接口 API 称为 socket API, 简称为 socket socket API 中使用的一个函数名也叫作 socket 调用 socket 函数的端点称为 socket 调用 socket 函数时其返回值称为 socket 描述符, 可简称为 socket 在操作系统内核中连网协议的 Berkeley 实现, 称为 socket 实现 37

38 7.4 可靠传输的工作原理停止等待协议 A B A B 发送 M 1 发送 M 1 确认 M 1 丢弃有差错的报文发送 M 2 超时重传 M 1 确认 M 2 确认 M 1 发送 M 3 发送 M 2 确认 M 3 t t t t (a) 无差错情况 (b) 超时重传

39 请注意在发送完一个分组后, 必须暂时保留已发送的分组的副本分组和确认分组都必须进行编号超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些 39

40 确认丢失和确认迟到发送 M 1 A B 发送 M 1 A B 超时重传 M 1 确认 M 1 丢弃超时重传 M 1 确认 M 1 丢弃重复的 M 1 重复的 M 1 发送 M 2 重传确认 M 1 发送 M 2 重传确认 M 1 收下迟到 t t 的确认但什么也不做 t t (a) 确认丢失 (b) 确认迟到 40

41 可靠通信的实现使用上述的确认和重传机制, 我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信这种可靠传输协议常称为自动重传请求 ARQ (Automatic Repeat request) ARQ 表明重传的请求是自动进行的接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组 41

42 信道利用率 B A T D 停止等待协议的优点是简单, 但缺点是信道利用率太低分组 RTT 确认 T D + RTT + T A 分组确认 t t 42

43 信道的利用率 U U = T D TD + RTT + T (7-3) A 43

44 流水线传输发送方可连续发送多个分组, 不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认由于信道上一直有数据不间断地传送, 这种传输方式可获得很高的信道利用率 B t A 分组 ACK t 44

45 7.4.2 连续 ARQ 协议发送窗口 (a) 发送方维持发送窗口 ( 发送窗口是 5) 发送窗口向前 (b) 收到一个确认后发送窗口向前滑动 45

46 累积确认接收方一般采用累积确认的方式即不必对收到的分组逐个发送确认, 而是对按序到达的最后一个分组发送确认, 这样就表示 : 到这个分组为止的所有分组都已正确收到了累积确认有的优点是 : 容易实现, 即使确认丢失也不必重传缺点是 : 不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息 46

47 Go-back-N( 回退 N) 如果发送方发送了前 5 个分组, 而中间的第 3 个分组丢失了这时接收方只能对前两个分组发出确认发送方无法知道后面三个分组的下落, 而只好把后面的三个分组都再重传一次这就叫做 Go-back-N( 回退 N), 表示需要再退回来重传已发送过的 N 个分组可见当通信线路质量不好时, 连续 ARQ 协议会带来负面的影响 47

48 TCP 可靠通信的具体实现 TCP 连接的每一端都必须设有两个窗口一个发送窗口和一个接收窗口 TCP 的可靠传输机制用字节的序号进行控制 TCP 所有的确认都是基于序号而不是基于报文段 TCP 两端的四个窗口经常处于动态变化之中 TCP 连接的往返时间 RTT 也不是固定不变的需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间 48

49 7.5 TCP 报文段的首部格式 32 位位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节的固定首部检验和紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充 TCP 报文段 TCP 首部 TCP 数据部分发送在前 IP 首部 IP 数据部分

50 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充源端口和目的端口字段各占 2 字节端口是运输层与应用层的服务接口运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现

51 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充序号字段占 4 字节 TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号

52 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充确认号字段占 4 字节, 是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

53 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充数据偏移 ( 即首部长度 ) 占 4 位, 它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远数据偏移的单位是 32 位字 ( 以 4 字节为计算单位 )

54 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充保留字段占 6 位, 保留为今后使用, 但目前应置为 0

55 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充紧急 URG 当 URG = 1 时, 表明紧急指针字段有效它告诉系统此报文段中有紧急数据, 应尽快传送 ( 相当于高优先级的数据 )

56 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充确认 ACK 只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效当 ACK = 0 时, 确认号无效

57 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充推送 PH (PuH) 接收 TCP 收到 PH = 1 的报文段, 就尽快地交付接收应用进程, 而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付

58 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充复位 RT (ReeT) 当 RT = 1 时, 表明 TCP 连接中出现严重差错 ( 如由于主机崩溃或其他原因 ), 必须释放连接, 然后再重新建立运输连接

59 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充同步 YN 同步 YN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文

60 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充终止 FIN (FINis) 用来释放一个连接 FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕, 并要求释放运输连接

61 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充窗口字段占 2 字节, 用来让对方设置发送窗口的依据, 单位为字节

62 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充检验和占 2 字节检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分在计算检验和时, 要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部

63 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充紧急指针字段占 16 位, 指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节 ( 紧急数据放在本报文段数据的最前面 )

64 比特 TCP 首部数据偏移源端口目的端口是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度序号保 M (Maximum egment ize) 数据字段加上 TCP 首部确认号才等于整个的 TCP 报文段留 U R G A P C K H R F Y I T N N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充选项字段长度可变 TCP 最初只规定了一种选项, 即最大报文段长度 M M 告诉对方 TCP: 我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 M 个字节

65 其他选项窗口扩大选项占 3 字节, 其中有一个字节表示移位值新的窗口值等于 TCP 首部中的窗口位数增大到 (16 + ), 相当于把窗口值向左移动位后获得实际的窗口大小时间戳选项占 10 字节, 其中最主要的字段时间戳值字段 (4 字节 ) 和时间戳回送回答字段 (4 字节 ) 选择确认选项在后面的节介绍 65

66 位源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U R G A C K P H 序号确认号 R T Y N F I N 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充填充字段这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍

67 7.6 TCP 可靠传输的实现以字节为单位的滑动窗口根据 B 给出的窗口值 A 构造出自己的发送窗口后沿前移 A 的发送窗口 = 20 收缩前沿前移已发送并收到确认 B 期望收到的序号允许发送的序号 TCP 标准强烈不赞成发送窗口前沿向后收缩不允许发送 67

68 A 发送了 11 个字节的数据 A 的发送窗口位置不变可用窗口已发送并收到确认已发送确认并交付主机已发送但未收到确认允许发送但尚未发送 P 1 P 2 P 3 B 的接收窗口允许接收不允许发送未按序收到不允许接收 P 3 P 1 = A 的发送窗口 ( 又称为通知窗口 ) P 2 P 1 = 已发送但尚未收到确认的字节数 P 3 P 2 = 允许发送但尚未发送的字节数 ( 又称为可用窗口 ) 56

69 A 收到新的确认号, 发送窗口向前滑动 A 的发送窗口向前滑动已发送并收到确认不允许已发送允许发送但尚未发送发送 P 1 但未收到确认 P 2 P 3 56 B 的接收窗口向前滑动已发送确认并交付主机未按序收到先存下, 等待缺少的数据的到达允许接收 56 不允许接收

70 A 的发送窗口内的序号都已用完, 但还没有再收到确认, 必须停止发送已发送并收到确认 A 的发送窗口已满, 有效窗口为零已发送但未收到确认 P 1 P 2 P 3 56 不允许发送

71 发送缓存发送应用程序 TCP 发送缓存发送窗口已发送最后被确认的字节最后发送的字节序号增大 71

72 接收缓存接收应用程序 TCP 下一个读取的字节接收缓存接收窗口已收到下一个期望收到的字节 ( 确认号 ) 序号增大 72

73 发送缓存与接收缓存的作用发送缓存用来暂时存放 : 发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据 ; TCP 已发送出但尚未收到确认的数据接收缓存用来暂时存放 : 按序到达的但尚未被接收应用程序读取的数据 ; 不按序到达的数据 73

74 需要强调三点 A 的发送窗口并不总是和 B 的接收窗口一样大 ( 因为有一定的时间滞后 ) TCP 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理通常是先临时存放在接收窗口中, 等到字节流中所缺少的字节收到后, 再按序交付上层的应用进程 TCP 要求接收方必须有累积确认的功能, 这样可以减小传输开销 74

Chapter 5- 运输层 (1)-2017

Chapter 5- 运输层 (1)-2017 计算机网络第五章运输层 (1) 陈旺虎 chenwh@nwnu.edu.cn 第 5 章运输层 5.1 运输层协议概述 5.2 运输层协议概述 5.3 传输控制协议 TCP 概述 5.4 可靠传输的工作原理 4.5 TCP 报文段的首部格式 5.6 TCP 可靠传输的实现 5.7 TCP 的流量控制 5.8 TCP 的拥塞控制 5.9 TCP 的连接管理 5.1 运输层协议概述从通信和信息处理的