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 度看 运输层向应用层提供通信服务 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 络边缘部分中的两个主机使 络的核 部分的功能进 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 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
5.1.1 进程之间的通信 端到端的通信 两个主机进行通信, 实际上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 个很重要的功能 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
运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信 应用进程应用进程 AP 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 4 5 4 3 2 1 IP 层 3 2 1 主机 A 主机 B AP 路由器 1 路由器 2 1 LAN AP 3 LAN 1 WAN AP 2 2 AP 4 IP 协议的作用范围运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围
运输层协议和网络层协议的主要区别 应用进程 应用进程 2 2 2 2 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 )
运输层的主要功能 为应 进程之间提供端到端的逻辑通信 对收到的报 进 差错检测 运输层向 层 户屏蔽了 络层的细节 如网络拓扑 所采用的路由选择协议等 使得从应用进程的角度来看, 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
两种不同的运输协议 运输层提供两种不同的运输协议 面向连接的 TCP 无连接的 UDP 当运输层采 向连接的 TCP 协议时 尽管下面的网络是不可靠的, 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 连接的 UDP 协议时 这种逻辑通信信道是一条不可靠信道
5.1.2 运输层的两个主要协议 户数据报协议 UDP User Datagram Protocol 传输控制协议 TCP Transmission Control Protocol 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 n n n Transport Protocol Data Unit TCP 传送的数据单位是 TCP 报文段 (segment) UDP 传送的数据单位是 UDP 报文或用户数据报
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
TCP&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 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 : 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
5.1.3 TCP/IP 体系中应用进程的标识 应 层的进程标识? 与计算机系统进程标识的区别 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 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
应用进程标识面对的困难 动态性 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 通常, 利 的主机提供的功能来识别通信的终点, 不需要知道实现这个功能的进程
端口号 (protocol port number) 解决上述问题的 法 在运输层使用协议端口号 (protocol port number), 简称端口 (port) 虽然通信的终点是应 进程, 但我们可以把端 想象为通信的终点 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 ) 就由运输层的协议来完成
软件端口与硬件端口 在协议栈层间的抽象的协议端 是软件端 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 路由器或交换机上的端 是硬件端 不同硬件设备进行交互的接口
TCP/IP 的端口 端 个 16 位端 号进 标志 端 号只具有本地意义 只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没有联系
三类端口 服务器端使 的端 号 熟知端口 : 0~1023 登记端口号 :1024~49151 n 为没有熟知端口号的应用程序使用, 必须在 IANA 登记, 以防止重复 客户端使 的端 号 49152~65535 客户进程选择暂时使用, 通信结束后, 这个端口号可供其他客户进程以后使用 ( 短暂端口号 )
5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述 UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了少量功能 (1) 端口的功能 ; (2) 差错检测的功能 特点 无连接, 发送数据之前不需要建立连接 使用尽最大努力交付 面向报文的 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
面向报文 发送 UDP 对应用程序交下来的报文, 在添加首部后便交付 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 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 程序必须选择合适 的报
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
5.2.2 UDP 的首部格式 字节 4 4 1 1 2 源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度 字节 12 2 2 2 2 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
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 4 4 1 1 2 源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度 字节 12 2 2 2 2 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 据 IP 数据报
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 4 4 1 1 2 源 IP 地址目的 IP 地址 0 17 UDP 长度 字节 12 2 2 2 2 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 据 IP 数据报
思考 为什么要增加伪 部 以校验? 伪首部包含 IP 首部的一些字段 可让 UDP 两次检查数据是否已经到达目的地, 以及 IP 层是否正确地传输了数据
UDP 基于端口的分用 端口 1 端口 2 端口 3 UDP 分用 IP 层 UDP 数据报到达
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 153.19.8.104 171.3.14.11 全 0 17 15 1087 13 15 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 10011001 00010011 153.19 00001000 01101000 8.104 10101011 00000011 171.3 00001110 00001011 14.11 00000000 00010001 0 和 17 00000000 00001111 15 00000100 00111111 1087 00000000 00001101 13 00000000 00001111 15 00000000 00000000 0( 检验和 ) 01010100 01000101 数据 01010011 01010100 数据 01001001 01001110 数据 01000111 00000000 数据和 0( 填充 ) 10010110 11101101 求和得出的结果 01101001 00010010 检验和 接收方检验时, 结果全 1 则为正确报文
5.3 传输控制协议 TCP 5.3.1 TCP 最主要的特点 TCP 是 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 通信 向字节流
TCP 面向字节流的概念 发送方 2 21 20 19 应用进程 字节流 把字节写入发送缓存 H x 表示 TCP 报文段的首部 表示序号为 x 的数据字节 从接收缓存读取字节 接收方 2 0 1 2 3 应用进程 字节流 TCP 1817161514 加上 TCP 首部构成 TCP 报文段 TCP 5 4 发送 TCP 报文段 131211H 10 9 H 8 7 6 H TCP 连接
应当注意 TCP 连接是 条虚连接, 真正的物理连接 TCP 对应 进程 次把多 的报 发送到 TCP 的缓存中是不关 的 TCP 根据对 给出的窗 值和当前 络拥塞的程度来决定 个报 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 的数据块划分短 些再传送 TCP 也可等待积累有 够多的字节后再构成报 段发送出去
5.3.2 TCP 的连接 TCP 把连接作为最基本的抽象 每 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 进程, 也不是运输层的协议端 TCP 连接的端点叫做套接字 (socket) 或插口 端口号拼接到 IP 地址即构成了套接字
套接字 (socket) 套接字 socket = (IP 地址 : 端口号 ) 每 条 TCP 连接唯 地被通信两端的两个端点 ( 即两个套接字 ) 所确定 TCP 连接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: port2)}
同一个名词 socket, 有多种不同的意思 应 编程接 API 称为 socket API, 简称为 socket socket API 中使 的 个函数名也叫作 socket 调 socket 函数的端点称为 socket 调 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 协议的 Berkeley 实现, 称为 socket 实现
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