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1 计算机网络第 7 章运输层 1

2 第 7 章运输层 *7.1 运输层协议概述 *7.2 TCP/IP 体系中的运输层运输层中的两个协议端口的概念 *7.3 用户数据报协议 UDP UDP 概述 UDP 用户数据报的首部格式 2

3 第 7 章运输层 ( 续 ) 7.4 传输控制协议 TCP *7.4.1 TCP 概述 *7.4.2 TCP 报文段的首部 *7.4.3 TCP 的数据编号与确认 *7.4.4 TCP 的流量控制与拥塞控制 *7.4.5 TCP 的重传机制采用随机早期丢弃 ED 进行拥塞控制 *7.4.7 TCP 的运输连接管理 TCP 的有限状态机 3

4 7.1 运输层协议概述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面向信息处理应用层运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 4

5 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 LA AP 3 LA WA AP AP 4 IP 协议的作用范围运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围

6 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 6

7 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 ) 7

8 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 8

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

10 应用层发送进程运输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道发送进数据接收进程数据程数据接收进程数据? 运输层全双工可靠信道使用 TCP 协议不可靠信道使用 UDP 协议

11 7.2 TCP/IP 体系中的运输层运输层中的两个协议 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) 11

12 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 协议传送的数据单位是 TCP 报文段 (segment) UDP 协议传送的数据单位是 UDP 报文或用户数据报 12

13 TCP/IP 体系中的运输层协议运输层 UDP 应用层 IP TCP 与各种网络接口 13

14 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 14

15 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 15

16 7.2.2 端口的概念端口就是运输层服务访问点 TAP 端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层, 以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程从这个意义上讲, 端口是用来标志应用层的进程 16

17 端口在进程之间的通信中所起的作用应用层运输层网络层 TCP 复用发送方应用进程端口 TCP 报文段 IP 复用 UDP 复用 UDP 用户数据报应用进程 TCP 分用接收方端口 TCP 报文段 IP 分用 UDP 分用 UDP 用户数据报 IP 数据报 IP 数据报

18 端口端口用一个 16 bit 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 18

19 两类端口一类是熟知端口, 其数值一般为 0~1023 当一种新的应用程序出现时, 必须为它指派一个熟知端口 FTP 21, HTTP 80, D 53, MTP 25 等等另一类则是一般端口, 用来随时分配给请求通信的客户进程 19

20 常用端口号端口号用于标识 TCP 用户, 指示了正在使用的上层协议应用层传输层 F T P T e l n e t M T P D T F T P M P TCP UDP 保留的端口号 : <255, 公共应用 , 公司 >1023, 未规定查 FC HTTP 80 POP

21 插口 (socket) TCP 使用连接 ( 而不仅仅是端口 ) 作为最基本的抽象, 同时将 TCP 连接的端点称为插口 (socket), 或套接字套接口插口和端口 IP 地址的关系是 : IP 地址端口号 1500 插口 (socket) ,

22 7.3 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发送数据之前不需要建立连接 UDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表 UDP 用户数据报只有 8 个字节的首部开销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 23

23 7.3.2 UDP 用户数据报的首部格式字节源 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 25

24 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

25 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

26 7.4 传输控制协议 TCP TCP 概述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发送 TCP 报文段 29

27 32 bit 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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

28 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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

29 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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

30 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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

31 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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占 4 bit, 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不是字节而是 32 bit 字 (4 字节为计算单位 ) 首部长度, 最大值 4B*15=60B

32 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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 bit, 保留为今后使用, 但目前应置为 0

33 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充紧急比特 UG 当 UG = 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 )

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

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

36 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充复位比特 T (eet) 当 T = 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

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

38 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 窗口 20 字节固定首部检验和选项 ( 长度可变 ) 紧急指针填充终止比特 FI (FIal) 用来释放一个连接当 FI = 1 时, 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

39 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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 字节窗口字段用来控制对方发送的数据量, 单位为字节 TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小, 然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限

40 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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 字节的伪首部类似 UDP

41 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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 bit 紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号

42 比特 TCP 首部数据偏移源端口目的端口 M 是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度保数据字段加上序号 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段留 U G A C K P H 确认号 T Y F I 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 只规定了一种选项, 即最大报文段长度 M (Maximum egment ize) 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

43 比特源端口目的端口 TCP 首部数据偏移保留 U G A C K P H 序号确认号 T Y F I 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

44 7.4.3 TCP 的数据编号与确认 TCP 协议是面向字节的 TCP 将所要传送的报文看成是字节组成的数据流, 并使每一个字节对应于一个序号在连接建立时, 双方要商定初始序号 TCP 每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号 TCP 的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认接收端返回的确认号是已收到的数据的最高序号加 1 因此确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号 47

45 7.4.4 TCP 的流量控制与拥塞控制 1. 利用滑动窗口进行流量控制 TCP 采用大小可变的滑动窗口进行流量控制窗口大小的单位是字节在 TCP 报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限发送窗口在连接建立时由双方商定但在通信的过程中, 接收端可根据自己的资源情况, 随时动态地调整对方的发送窗口上限值 ( 可增大或减小 ) 48

46 发送窗口收到确认即可前移可发送不可发送指针发送端要发送 900 字节长的数据, 划分为 9 个 100 字节长的报文段, 而发送窗口确定为 500 字节发送端只要收到了对方的确认, 发送窗口就可前移发送 TCP 要维护一个指针每发送一个报文段, 指针就向前移动一个报文段的距离

47 发送窗口收到确认即可前移可发送不可发送指针发送窗口前移已发送并被确认已发送但未被确认可发送不可发送指针发送端已发送了 400 字节的数据, 但只收到对前 200 字节数据的确认, 同时窗口大小不变现在发送端还可发送 300 字节

48 发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认, 但对方通知发送端必须把窗口减小到 400 字节现在发送端最多还可发送 400 字节的数据发送窗口前移已发送并被确认已发送但未被确认可发送不可发送指针发送窗口缩小已发送并被确认可发送不可发送指针

49 2. 拥塞控制目标是将网络中的分组数量维持在一定的水平之下是运输层必须解决的一个非常复杂的问题 1999 FC2581 公布了四种拥塞控制算法 : 慢开始 (slow-start) 拥塞避免 (congestion avoidance) 快重传 (fast retransmit) 快恢复 (fast recovery) 53

50 必须强调指出拥塞避免并非指完全能够避免了拥塞利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的拥塞避免是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长, 使网络比较不容易出现拥塞 70

51 7.4.5 TCP 的重传机制重传机制是 TCP 中最重要和最复杂的问题之一 TCP 每发送一个报文段, 就对这个报文段设置一次计时器只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认, 就要重传这一报文段 74

52 往返时延 TT 的方差很大由于 TCP 的下层是一个互连网环境,IP 数据报所选择的路由变化很大因而运输层的往返时延的方差也很大往返时延的概率分布数据链路层运输层时间 T 1 T 2 T 3 75

53 超时重传时间 TO (etransmission Time-Out) 计时器的 TO 应略大于平均 TT, 即 : 这里 β 是个大于 1 的系数 TO = β TT (7-3) 若取 β 很接近于 1, 发送端可及时地重传丢失的报文段, 因此效率得到提高但若报文段并未丢失而仅仅是增加了一点时延, 那么过早地重传反而会加重网络的负担因此 TCP 原先的标准推荐将 β 值取为 2 78

54 7.4.6 随机早期丢弃 ED (andom Early Discard) 网络层对 TCP 拥塞控制影响最大的就是路由器的数据报丢弃策略路由器数据报丢弃策略 : 尾部丢弃策略和随机早期丢弃 ED 工作有效 FC

55 7.4.7 TCP 的运输连接管理 1. 运输连接的三个阶段运输连接就有三个阶段, 即 : 连接建立数据传送和连接释放运输连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行连接建立过程中要解决以下三个问题 : 要使每一方能够确知对方的存在要允许双方协商一些参数 ( 如最大报文段长度, 最大窗口大小, 服务质量等 ) 能够对运输实体资源 ( 如缓存大小, 连接表中的项目等 ) 进行分配 88

56 客户服务器方式 TCP 的连接和建立都是采用客户服务器方式主动发起连接建立的应用进程叫做客户 (client) 被动等待连接建立的应用进程叫做服务器 (server) 89

57 用三次握手建立 TCP 连接主机 A 主机 B 主动打开连接请求 Y, EQ = x 被动打开 Y, ACK, EQ = y, ACK= x + 1 确认确认 ACK, EQ = x + 1, ACK = y

58 建立 TCP 连接 A 的 TCP 向 B 发出连接请求报文段, 其首部中的同步比特 Y 应置为 1, 并选择序号 x, 表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x B 的 TCP 收到连接请求报文段后, 如同意, 则发回确认 B 在确认报文段中应将 Y 置为 1, 其确认号应为 x + 1, 同时也为自己选择序号 y A 收到此报文段后, 向 B 给出确认, 其确认号应为 y + 1 A 的 TCP 通知上层应用进程, 连接已经建立当运行服务器进程的主机 B 的 TCP 收到主机 A 的确认后, 也通知其上层应用进程, 连接已经建立

59 至此, 整个连接已经全部释放 TCP 连接释放的过程主机 A 主机 B 应用进程释放连接 A 不再发送报文 FI, EQ = x ACK, EQ = y, ACK= x 通知主机应用进程确认 2 应用进程从 A 到 B 的连接就释放了 FI, ACK, EQ, = y, 连接处于半关闭状态 ACK = x + 1 释放连接相当于 A 向 B 说 : B 不再发送报文我已经没有数据要发送了 ACK, EQ = x + 1, ACK = y + 1 确认但你如果还发送数据, 我仍接收 92

60 7.4.8 TCP 的有限状态机为了管理因特网, 在网络管理中心设有管理信息库 MIB (Management Information Base) 管理信息库存放着各主机的 TCP 连接表 TCP 连接表对每个连接都登记了其连接信息除本地和远地的 IP 地址和端口号外, 还要记录每一个连接所处的状态连接 1 连接 2 连接状态本地 IP 地址本地端口远地 IP 地址远地端口连接 n

61 在 Windows 下查看 TCP/IP 状态 etstat -an 94

62 95

63 收到 Y 发送 Y, ACK Y_CVD 关闭发送 FI FI_WAIT_1 FI_WAIT_2 被动打开起点 CLOED LITE 被动打开收到 Y, 发送 Y, ACK 同时打开收到 ACK 关闭发送 FI 收到 T 收到 FI 发送 ACK 收到 FI, ACK 发送 ACK 收到 ACK 数据传送阶段 ETABLIHED 主动关闭关闭同时关闭 CLOIG 发送 Y 收到 ACK 收到 FI 发送 ACK TIME_WAIT 定时经过两倍报文段寿命后主动打开发送 Y 收到 FI 发送 ACK Y_ET 主动打开收到 Y, ACK 发送 ACK 被动关闭 CLOE_WAIT 关闭发送 FI LAT_ACK 关闭或超时收到 ACK TCP 的有限状态机

64 TCP 的正常的连接建立和关闭客户进程服务器进程 LITE( 被动打开 ) Y, EQ = x ( 主动打开 ) Y_ET Y_CVD ETABLIHED ETABLIHED Y, ACK, EQ = y, ACK = x + 1 ACK, EQ = x + 1, ACK = y + 1 Y_CVD ETABLIHED ( 全双工数据传送阶段 ) FI, EQ = u ( 主动关闭 ) FI_WAIT_1 CLOE_WAIT ( 被动关闭 ) FI_WAIT_2 TIME_WAIT TIME_WAIT ACK, EQ = v, ACK = u + 1 FI, ACK, EQ = v, ACK = u + 1 ACK, EQ = u + 1, ACK = v + 1 CLOE_WAIT LAT_ACK CLOED

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Microsoft PowerPoint - CH07运输层.ppt 计算机网络第 7 章运输层 1 第 7 章运输层 *7.1 运输层协议概述 *7.2 TCP/IP 体系中的运输层 7.2.1 运输层中的两个协议 7.2.2 端口的概念 *7.3 用户数据报协议 UDP 7.3.1 UDP 概述 7.3.2 UDP 用户数据报的首部格式 2 第 7 章运输层 ( 续 ) 7.4 传输控制协议 TCP *7.4.1 TCP 概述 *7.4.2 TCP 报文段的首部