计算机网络（第 6 版）

Size: px

Start display at page:

Download "计算机网络（第 6 版）"

掘廊苏
5 years ago
Views:

1 计算机网络 ( 第 7 版 ) 第 5 章运输层 (1) 中国科学技术大学曾凡平

2 网络层 (3) 的主要内容 4.7 IP 多播 IP 多播的基本概念在局域网上进行硬件多播网际组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议 4.8 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 虚拟专用网 VPN 网络地址转换 NAT 4.9 多协议标记交换 MPL MPL 的工作原理 MPL 首部的位置与格式运输层 (1) 2

3 第 5 章运输层 (1) 5.1 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 5.2 用户数据报协议 UDP UDP 概述 UDP 的首部格式 5.3 传输控制协议 TCP 概述 TCP 最主要的特点 TCP 的连接 5.4 可靠传输的工作原理停止等待协议连续 ARQ 协议 5.5 TCP 报文段的首部格式运输层 (1) 3

4 第 5 章运输层 ( 传输层 ) 传输层与网络层是网络协议层次的核心网络层使用数据报或虚电路技术为端到端通信提供了数据包交付服务运输层 ( 传输层 ) 架构在网络层提供的服务之上, 把数据传递服务从两台计算机之间扩展到了两台计算机上的进程之间, 并且服务所需的可靠性独立于当前使用的物理网络传输层为应用层使用网络提供了抽象的模式运输层 (1) 4

5 本章最重要的内容运输层是整个网络体系结构的关键层次之一一定要清楚以下一些重要概念 : (1) 运输层为相互通信的应用进程提供逻辑通信 (2) 端口和套接字的意义 (3) 无连接的 UDP 的特点 (4) 面向连接的 TCP 的特点 (5) 在不可靠的网络上实现可靠传输的原理, 停止等待协议和 ARQ 协议 (6)TCP 的滑动窗口流量控制拥塞控制和连接管理运输层 (1) 5

6 5.1 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运输层 (1) 6

7 5.1.1 进程之间的通信运输层的任务是在源机器的进程和目标机器的进程之间提供数据传输功能, 并且与当前所使用的物理网络完全独立运输层的最终目标是向它的用户提供高效的可靠的和成本有效的数据传输服务, 它的用户通常是应用层的进程为了实现这个目标, 运输层需要充分利用网络层提供给它的服务在运输层内, 完成这项工作的硬件和 / 或软件称为传输实体 (transport entity) 运输层 (1) 7

8 传输实体 (transport entity) 传输实体可以实现在主机的不同位置, 可能在操作系统内核, 或者以一个链接库的形式绑定到网络应用中, 或者以一个独立的用户进程运行, 甚至可以实现在网络接口卡上前两种实现方式在 Internet 上最常见传输实体与应用层和网络层实体的关系如下图所示运输层 (1) 8

9 传输层与其上下层之间的关系的 OI 表示法主机 A 传输服务用户 ( 应用层实体 ) 传输层服务访问点 TAP 应用层主机 B 传输服务用户 ( 应用层实体 ) 层接口传输实体传输协议传输实体传输层网络层服务访问点 NAP 网络层 ( 或网际层 ) 层接口运输层 (1) 9

10 从通信和信息处理的角度看, 传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传输层只存在于通信子网以外的主机中面向信息处理应用层传输层用户功能面向通信网络层数据链路层物理层网络功能运输层 (1) 10

11 运输层的作用 AP 应用进程应用进程 1 AP 5 2 端口运输层提供应用进程间的逻辑通信端口 4 AP 3 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 的作用范围运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信运输层 (1) 11

12 运输层的作用逻辑通信的意思是好像是这样通信, 但事实上并非真的这样通信从 IP 层来说, 通信的两端是两台主机但两台主机之间的通信这种说法还不够清楚严格地讲, 两台主机进行通信就是两台主机中的应用进程互相通信从运输层的角度看, 通信的真正端点并不是主机而是主机中的进程也就是说, 端到端的通信是应用进程之间的通信应用进程之间的通信又称为端到端的通信运输层 (1) 12

13 传输层的代码完全运行在用户的机器上, 但是网络层主要运行在由承运商控制的路由器上 ( 至少对于广域网是如此 ) 用户在网络层上并没有真正的控制权, 所以它们不可能用最好的路由器或者在数据链路层上用更好的错误处理机制来解决服务太差的问题惟一的可能是在网络层之上的另一层中提高服务质量从本质来讲, 由于传输层的存在, 这使得传输服务有可能比网络服务更加可靠丢失的分组和损坏的数据可以在传输层上检测出来, 并且由传输层来补偿而且, 传输服务原语可以通过调用库过程 ( 函数 ) 来实现, 从而使得这些原语独立于网络服务原语传输层承担了将子网的技术设计和各种缺陷与上层隔离的关键作用 13

14 网络层和运输层有明显的区别网络层是为主机之间提供逻辑通信, 而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信应用进程应用进程互联网 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 ) 运输层协议和网络层协议的主要区别运输层 (1) 14

15 运输层的作用在一台主机中经常有多个应用进程同时分别和另一台主机中的多个应用进程通信这表明运输层有一个很重要的功能复用 (multiplexing) 和分用 (demultiplexing) 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根据应用程序的不同需求, 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 运输层 (1) 15

16 基于端口的复用和分用功能应用层运输层网络层 TCP 复用 TCP 报文段发送方应用进程端口 IP 复用 UDP 复用 UDP 用户数据报应用进程端口 TCP 分用 TCP 报文段接收方 IP 分用 UDP 分用 UDP 用户数据报 IP 数据报 IP 数据报运输层 (1) 16

17 屏蔽作用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 AP 逻辑通信信道互联网 AP 运输层 (1) 17

18 两种不同的运输协议但这条逻辑通信信道对上层的表现却因运输层使用的不同协议而有很大的差别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运输层 (1) 18

19 可靠信道与不可靠信道应用层发送进程数据接收进程数据发送进程数据接收进程数据? 运输层全双工可靠信道使用面向连接的协议, 如 TCP 不可靠信道使用无连接的协议, 如 UDP 运输层 (1) 19

20 5.1.2 运输层的两个主要协议 TCP/IP 的运输层有两个主要协议 : (1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) UDP 应用层 IP TCP 运输层与各种网络接口 TCP/IP 体系中的运输层协议运输层 (1) 20

21 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 (segment) TCP 报文段 UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报运输层 (1) 21

22 TCP 与 UDP UDP: 一种无连接协议提供无连接服务在传送数据之前不需要先建立连接传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报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运输层 (1) 22

23 TCP 与 UDP TCP: 一种面向连接的协议提供面向连接的服务传送的数据单位协议是 TCP 报文段 (segment) 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运输层 (1) 23

24 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 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 连接运输层 (1) 24

25 5.1.3 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但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互联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也称为对传输服务访问点进行编址运输层 (1) 25

26 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运输层 (1) 26

27 端口号 (protocol port number) 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 来完成运输层 (1) 27

28 两个不同的概念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运输层 (1) 28

29 TCP/IP 运输层端口端口用一个 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互联网中, 不同计算机的相同端口号是没有联系的由此可见, 两个计算机中的进程要互相通信, 不仅必须知道对方的 IP 地址 ( 为了找到对方的计算机 ), 而且还要知道对方的端口号 ( 为了找到对方计算机中的应用进程 ) 运输层 (1) 29

30 两大类端口 (1) 服务器端使用的端口号熟知端口, 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 (2) 客户端使用的端口号又称为短暂端口号, 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运输层 (1) 30

31 DN RPC UDP 常用的熟知端口 NMP TFTP NMP(trap) IP FTP MTP Telnet TCP HTTP HTTP 运输层 (1) 31

32 5.2 用户数据报协议 UDP UDP 概述 UDP 的首部格式运输层 (1) 32

33 5.2.1 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 : 复用和分用的功能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运输层 (1) 33

34 UDP 的主要特点 (1) UDP 是无连接的, 发送数据之前不需要建立连接,, 因此减少了开销和发送数据之前的时延 (2) UDP 使用尽最大努力交付, 即不保证可靠交付, 因此主机不需要维持复杂的连接状态表 (3) UDP 是面向报文的 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 UDP 一次交付一个完整的报文 (4) UDP 没有拥塞控制, 因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低这对某些实时应用是很重要的很适合多媒体通信的要求 (5) UDP 支持一对一一对多多对一和多对多的交互通信 (6) UDP 的首部开销小, 只有 8 个字节, 比 TCP 的 20 个字节的首部要短运输层 (1) 34

35 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运输层 (1) 35

36 面向报文的 UDP 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若报文太长,UDP 把它交给 IP 层后,IP 层在传送时可能要进行分片, 这会降低 IP 层的效率若报文太短,UDP 把它交给 IP 层后, 会使 IP 数据报的首部的相对长度太大, 这也降低了 IP 层的效率运输层 (1) 36

37 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 层运输层 (1) 37

38 5.2.2 UDP 的首部格式用户数据报 UDP 有两个字段 : 数据字段和首部字段首部字段很简单, 只有 8 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首部数据发送在前 IP 数据报 UD P 用户数据报的首部和伪首部运输层 (1) 38

39 UDP 基于端口的分用当运输层从 IP 层收到 UDP 数据报时, 就根据首部中的目的端口, 把 UDP 数据报通过相应的端口, 上交最后的终点应用进程端口 1 端口 2 端口 3 UDP 数据报到达 UDP 分用 IP 层请注意, 虽然在 UDP 之间的通信要用到其端口号, 但由于 UDP 的通信是无连接的, 因此不需要使用套接字运输层 (1) 39

40 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 2 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首部数据发送在前 IP 数据报运输层 (1) 40

41 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首部数据发送在前 IP 数据报运输层 (1) 41

42 计算 UDP 检验和的例子 12 字节伪首部 8 字节 UDP 首部 7 字节数据 UDP 的检验和是把首部和数据部分一起都检验全全 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运输层 (1) 42

43 5.3 传输控制协议 TCP 概述 TCP 最主要的特点 TCP 的连接运输层 (1) 43

44 5.3.1 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 TCP 中的流 (stream) 指的是流入或流出进程的字节序列面向字节流的含义是 : 虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块, 但 TCP 把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串无结构的字节流由应用程序解释字节流的数据结构运输层 (1) 44

45 TCP 面向流的概念 TCP 不保证接收方应用程序所收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系但接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样运输层 (1) 45

TCP 面向流的概念发送方应用进程 H x 表示 TCP 报文段的首部表示序号为 x 的数据字节接收方应用进程 21 20 19 字节流把字节写入发送缓存从接收缓存读取字节 0 1 2

46 TCP 面向流的概念发送方应用进程 H x 表示 TCP 报文段的首部表示序号为 x 的数据字节接收方应用进程字节流把字节写入发送缓存从接收缓存读取字节字节流 TCP 加上 TCP 首部构成 TCP 报文段 TCP 5 4 发送 TCP 报文段 H 10 9 H H TCP 连接运输层 (1) 46

47 TCP 面向流的概念发送端应用进程接收端应用进程端口向发送缓存写入数据块从接收缓存读取数据块端口 TCP 发送缓存 TCP 接收缓存报文段报文段报文段 TCP 不关心应用进程一次把多长的报文发送到 TCP 缓存 TCP 对连续的字节流进行分段, 形成 TCP 报文段运输层 (1) 47

48 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运输层 (1) 48

49 5.3.2 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运输层 (1) 49

50 套接字 (socket) 套接字 socket = (IP 地址 : 端口号 ) (5-1) 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)} (5-2) 运输层 (1) 50

51 TCP 连接,IP 地址, 套接字 TCP 连接就是由协议软件所提供的一种抽象 TCP 连接的端点是个很抽象的套接字, 即 (IP 地址 : 端口号 ) 同一个 IP 地址可以有多个不同的 TCP 连接同一个端口号也可以出现在多个不同的 TCP 连接中运输层 (1) 51

52 ocket 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 实现运输层 (1) 52

53 5.4 可靠传输的工作原理停止等待协议连续 ARQ 协议运输层 (1) 53

54 理想的传输条件特点理想的传输条件有以下两个特点 : (1) 传输信道不产生差错 (2) 不管发送方以多快的速度发送数据, 接收方总是来得及处理收到的数据在这样的理想传输条件下, 不需要采取任何措施就能够实现可靠传输然而实际的网络都不具备以上两个理想条件必须使用一些可靠传输协议, 在不可靠的传输信道实现可靠传输运输层 (1) 54

55 5.4.1 停止等待协议停止等待就是每发送完一个分组就停止发送, 等待对方的确认在收到确认后再发送下一个分组全双工通信的双方既是发送方也是接收方为了讨论问题的方便, 我们仅考虑 A 发送数据而 B 接收数据并发送确认因此 A 叫做发送方, 而 B 叫做接收方运输层 (1) 55

56 1. 无差错情况 A 发送分组 M1, 发完就暂停发送, 等待 B 的确认 (ACK) B 收到了 M1 向 A 发送 ACK A 在收到了对 M1 的确认后, 就再发送下一个分组 M2 A B 停止发送, 等待 ACK 收到 ACK, 继续发送确认 M1 确认 M2 时间时间运输层 (1) 56

57 2. 出现差错在接收方 B 会出现两种情况 : B 接收 M1 时检测出了差错, 就丢弃 M1, 其他什么也不做 ( 不通知 A 收到有差错的分组 ) M1 在传输过程中丢失了, 这时 B 当然什么都不知道, 也什么都不做在这两种情况下,B 都不会发送任何信息如何保证 B 正确收到了 M1 呢? 解决方法 : 超时重传 A 为每一个已发送的分组都设置了一个超时计时器 A 只要在超时计时器到期之前收到了相应的确认, 就撤销该超时计时器, 继续发送下一个分组 M2 运输层 (1) 57

58 2. 出现差错 A B A B t out 超时重发丢弃 t out 超时重发分组错误分组丢失运输层 (1) 58

59 3. 确认丢失和确认迟到确认丢失若 B 所发送的对 M1 的确认丢失了, 那么 A 在设定的超时重传时间内不能收到确认, 但 A 并无法知道 : 是自己发送的分组出错丢失了, 或者是 B 发送的确认丢失了因此 A 在超时计时器到期后就要重传 M1 假定 B 又收到了重传的分组 M1 这时 B 应采取两个行动 : 第一, 丢弃这个重复的分组 M1, 不向上层交付第二, 向 A 发送确认不能认为已经发送过确认就不再发送, 因为 A 之所以重传 M1 就表示 A 没有收到对 M1 的确认运输层 (1) 59

60 3. 确认丢失和确认迟到确认迟到传输过程中没有出现差错, 但 B 对分组 M1 的确认迟到了 A 会收到重复的确认对重复的确认的处理很简单 : 收下后就丢弃 B 仍然会收到重复的 M1, 并且同样要丢弃重复的 M1, 并重传确认分组运输层 (1) 60

61 3. 确认丢失和确认迟到 A B A B t out 超时重发 t out 超时重发重复的, 丢弃确认丢失收下, 重复的, 丢弃确认迟到运输层 (1) 61

62 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, 以备重发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运输层 (1) 62

63 可靠通信的实现 : 自动重传请求 ARQ 通常 A 最终总是可以收到对所有发出的分组的确认如果 A 不断重传分组但总是收不到确认, 就说明通信线路太差, 不能进行通信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像上述的这种可靠传输协议常称为自动重传请求 ARQ (Automatic Repeat request) 意思是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运输层 (1) 63

64 4. 信道利用率停止等待协议的优点是简单, 缺点是信道利用率太低 B t A T D RTT t T D + RTT + T A 停止等待协议的信道利用率太低信道利用率 U T D T D RT T T A (5-3) 运输层 (1) 64

65 4. 信道利用率可以看出, 当往返时间 RTT 远大于分组发送时间 T D 时, 信道的利用率就会非常低若出现重传, 则对传送有用的数据信息来说, 信道的利用率就还要降低运输层 (1) 65

66 流水线传输为了提高传输效率, 发送方可以不使用低效率的停止等待协议, 而是采用流水线传输流水线传输就是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这样可使信道上一直有数据不间断地传送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运输层 (1) 66

67 流水线传输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 流水线传输可提高信道利用率 t 运输层 (1) 67

68 5.4.2 连续 ARQ 协议滑动窗口协议比较复杂, 是 TCP 协议的精髓所在发送方维持的发送窗口, 它的意义是 : 位于发送窗口内的分组都可连续发送出去, 而不需要等待对方的确认这样, 信道利用率就提高了连续 ARQ 协议规定, 发送方每收到一个确认, 就把发送窗口向前滑动一个分组的位置运输层 (1) 68

69 5.4.2 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连续 ARQ 协议的工作原理运输层 (1) 69

70 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优点 : 容易实现, 即使确认丢失也不必重传缺点 : 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运输层 (1) 70

71 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运输层 (1) 71

72 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运输层 (1) 72

73 5.5 TCP 报文段的首部格式 TCP 虽然是面向字节流的, 但 TCP 传送的数据单元却是报文段一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分, 而 TCP 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用 TCP 报文段首部的前 20 个字节是固定的, 后面有 4n 字节是根据需要而增加的选项 (n 是整数 ) 因此 TCP 首部的最小长度是 20 字节运输层 (1) 73

74 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 R T 序号确认号 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 数据报的数据部分运输层 (1) 74

75 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 75

76 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 76

77 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 77

78 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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 ) 运输层 (1) 78

79 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充保留字段占 6 位, 保留为今后使用, 但目前应置为 0 运输层 (1) 79

80 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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 ) 运输层 (1) 80

81 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充确认 ACK 只有当 ACK 1 时确认号字段才有效当 ACK 0 时, 确认号无效运输层 (1) 81

82 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 82

83 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 83

84 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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运输层 (1) 84

85 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充终止 FIN (FINish) 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运输层 (1) 85

86 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充窗口字段占 2 字节, 用来让对方设置发送窗口的依据, 单位为字节运输层 (1) 86

87 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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 字节的伪首部运输层 (1) 87

88 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 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 ) 运输层 (1) 88

89 位 TCP 首部数据偏移源端口保留序号确认号 Y N F I N 目的端口 M (Maximum egment ize) 是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段所以,M 是 TCP 报文段长度减去 TCP 首部长度 U R G A C K P H R T 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 个字节运输层 (1) 89

90 为什么要规定 M? M 与接收窗口值没有关系若选择较小的 M 长度, 网络的利用率就降低当 TCP 报文段只含有 1 字节的数据时, 在 IP 层传输的数据报的开销至少有 40 字节 ( 包括 TCP 报文段的首部和 IP 数据报的首部 ) 这样, 对网络的利用率就不会超过 1/41 到了数据链路层还要加上一些开销若 TCP 报文段非常长, 那么在 IP 层传输时就有可能要分解成多个短数据报片在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的 TCP 报文段当传输出错时还要进行重传这些也都会使开销增大运输层 (1) 90

91 为什么要规定 M? 因此,M 应尽可能大些, 只要在 IP 层传输时不需要再分片就行由于 IP 数据报所经历的路径是动态变化的, 因此在这条路径上确定的不需要分片的 M, 如果改走另一条路径就可能需要进行分片因此最佳的 M 是很难确定的运输层 (1) 91

92 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运输层 (1) 92

93 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紧急指针选项 ( 长度可变 ) 填充填充字段这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍运输层 (1) 93

94 本章作业和实践作业 8,12,16,21,27,33,35 实践用 Wireshark 观察 TCP 报文的结构运输层 (1) 94

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