计算机网络教学课件 PPT 作者 杨心强 第5章+运输层

1,21世纪高等学校 计算机规划教材精品系列之一 计算机网络 课 件 杨心强制作 人民邮电出版社，2010 年 6 月,2,课件制作人声明,本课件是“21世纪高等学校计算机规划教材”精品系列之一计算机网络的配套服务资料。 本课件共有9个Powerpoint文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。 对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人的电邮地址：yang_xinqiang163.com。 课件制作人 杨心强 2010年6月,3,计算机网络 第 5 章 运输层,4,第 5 章 运输层,教学目的 掌握运输层的基本功能、协议、服务和端口的概念。 掌握用户数据报协议UDP的协议机制。 掌握传输控制协议TCP的协议机制。 了解流传输控制协议SCPT的协议机制,学习内容 运输层概述 用户数据报协议UDP 传输控制协议TCP 了解流传输控制协议SCPT,5,第 5 章 内容提纲,5.1 运输层概述 5.2 用户数据报协议UDP 5.3 传输控制协议TCP 5.4 流传输控制协议SCTP,6,5.1 运输层概述,在计算机网络体系中，运输层(或传输层)是一个关键层次。其重要性就在于如果没有运输层，则网络体系结构中的分层概念将变得毫无意义。 运输层将涉及三个重要的协议：UDP、TCP和SCTP。UDP和TCP是较老、且重要的运输层协议，而SCTP则是较新的，可靠的面向报文的运输层协议，为最近引入因特网的一些应用而设计的。,7,5.1.1 运输层的基本功能,从网络体系结构的角度，运输层既是面向通信的最高层，又是用户功能的最低层。在通信子网中没有运输层，它只存在于通信子网以外的主机当中。 运输层的基本功能是利用通信子网为两台主机的应用进程之间，提供端到端的性能可靠、价格合理、透明传输的通信服务。还必须具有流量控制、拥塞控制和差错控制等功能，既要负责报文无差错、不丢失、不重复，还要保证报文的顺序性，从而提高其服务质量。 位于网络边缘部分的两台主机使用网络的核心部分的功能进行端到端通信时，该主机的协议栈中才有运输层，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。,8,5.1.1 运输层的基本功能(续1),运输层提供的端到端的通信服务,9,5.1.1 运输层的基本功能(续2),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。被传送的数据是沿着图中的虚线方向传送的。,10,5.1.1 运输层的基本功能(续3),运输层协议和网络层协议的根本区别 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信，而网络层是为主机之间提供逻辑通信。,11,5.1.2 运输层的协议,TCP/IP的运输层有三个不同的协议 (1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)RFC 793 (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)RFC 768 (3) 流控制传输协议SCTP (Stream Control Tranmission Protocol)RFC 2940，4166，4168 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位称为运输协议数据单元TPDU (Transport Protocol Data Unit) 。UDP称TPDU为用户数据报，TCP称TPDU为TCP报文段(segment)，而SCTP称TPDU为SCTP分组。,12,5.1.2 运输层的协议(续1),TCP/IP体系中的运输层协议,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。 当运输层采用面向连接的TCP和SCTP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。,13,5.1.2 运输层的协议(续2),14,5.1.2 运输层的协议(续3),UDP与TCP的差异 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和SCTP则提供面向连接的服务，不提供广播或多播服务。由于TCP和SCTP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。,15,5.1.3 运输层的服务,运输层利用运输层协议向它的用户(通常是应用层中的进程)提供高效、可靠和性价比合理的服务。 运输服务是由位于运输层内部的硬件或软件(称为运输实体)来完成的。 运输服务的内容包括：服务类型、服务质量、服务原语、连接管理和状态报告等。,16,5.1.3 运输层的服务(续1),运输服务的两种类型 面向连接的运输服务 包括三个阶段：建立连接、数据传输和释放连接。运输服务是通过执行运输服务原语来实现的。运输服务原语是运输服务用户与服务提供者之间交换的一些必要信息。一个服务通常由一组原语来描述，用户进程通过调用这些原语来实现该服务。原语带有不同的参数，提供不同的服务质量。 无连接的运输服务 只有数据传输阶段，无连接建立和释放连接阶段。,17,5.1.4 运输层的端口,运输层提供了进程间 (即端到端)通信的能力。在因特网环境中，必须采用统一的进程标识符，而不能用不同计算机的不同格式的进程标识符。 在TCP/IP体系中，运输层使用协议端口号(简称端口)。端口是应用层各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址。端口的具体实现方法则取决于系统使用的操作系统。 在运输层协议中，端口就是运输协议的服务访问点TSAP。应用层的各种进程都是通过相应的端口与运输实体进行交互的。,18,5.1.4 运输层的端口(续1),端口的作用 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。 请注意，这里所说的端口是在协议栈层间的抽象的协议端口，即软件端口，与硬件端口是完全不同的概念。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。,19,5.1.4 运输层的端口(续2),端口在进程通信中的作用,运输协议保证了运输层能够向应用层提供运输服务。TSAP和NSAP都是层与层之间交换信息的抽象接口。,20,5.1.4 运输层的端口(续3),端口 端口用一个16 位的端口号进行标志。 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个进程与运输层实体交互时的层间接口。在因特网中不同计算机的端口号是没有关联的，各台计算机允许使用相同的端口号。 因特网上计算机之间的通信采用客户服务器方式。两台计算机中的进程通信时，不仅必须知道对方的IP地址(找到对方的计算机)，而且还要知道对方的端口号(找到对方计算机中的应用进程)。,21,5.1.4 运输层的端口(续4),端口的两大类型 服务器端使用的端口。又可分两类： 熟知端口号(well-known port number)或系统端口号，数值为01023。IANA把这些端口号指派给了TCP/IP最重要的一些应用程序(见表5-1)。 登记(或注册)端口号，数值为102449151。此类端口号是供没有熟知端口号的应用程序使用的。使用此类端口号必须在IANA按照规定的手续登记，以免重复。 客户端使用的端口，又称临时端口号。数值为4915265535。此类端口供客户进程运行时随时分配给请求通信的客户进程暂时使用。,22,5.1.4 运输层的端口(续5),端口的表示 为了保证进程通信的正常进行，端口号必须与主机IP地址结合起来使用，以标志TCP连接的端点，这个端点称为套接字地址(socket address)或插口地址。即 套接字地址=(IP地址端口号) 插口(或套接字)和端口、IP 地址的关系如下：,23,5.1.4 运输层的端口(续6),每一条运输连接可用通信两端的两个端点(即两个套接字地址)来标识，即 运输连接=( socket1，socket2) =(IP1port1，IP2port2) 运输层协议提供了端对端的两种数据传输服务。对于面向连接者，一对连接的套接字地址可表示为(IP1port1)和(IP2port2)。如使用无连接，虽在两个通信进程之间没有一条虚连接，但每个通信方向上仍有发送/接收端口号，套接字地址的概念仍适用。,24,5.1.4 运输层的端口(续7),TCP/IP中的地址类型和层次关系,25,第 5 章 内容提纲,5.1 运输层概述 5.2 用户数据报协议UDP 5.3 传输控制协议TCP 5.4 流传输控制协议SCTP,26,5.2 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，增加了端口，以提供进程之间复用/分用功能和差错检测功能。 尽管UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP具有以下的优点： 发送数据之前不需要建立连接，这可减少开销和时延。 UDP不使用拥塞控制和不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。 UDP用户数据报首部(8个字节)开销少。 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。,27,5.2.1 UDP 概述(续1),UDP的主要特点 UDP是无连接的，没有建立连接和连接释放的过程。 UDP使用尽最大努力交付，提供不可靠传输服务。 UDP是面向报文的。UDP一次交付一个完整的报文。应用层必须选择合适的报文长度，以免分片。 UDP没有拥塞控制的功能，适合实时应用的需要。 UDP首部(8字节)简短，比TCP的首部(20字节)要短，减少了通信开销。,28,5.2.1 UDP 概述(续2),UDP 端口 52346,UDP 端口 69,出队列,入队列,出队列,入队列,TFTP 服务器,TFTP 客户,UDP 用户数据报,应 用 层,运 输 层,UDP与应用层间的端口上采用报文队列,29,5.2.2 UDP 报文的格式,UDP报文的格式及伪首部,30,5.2.2 UDP 首部格式(续1),用户数据报 UDP 含两个字段：首部字段和数据字段。首部字段由4个字段组成，每个字段都是2个字节。端口字段分别填入源端口号和目的端口号。源端口号仅当目的端将应答送回源端时才使用，不需要时填零。,31,5.2.2 UDP 首部格式(续2),长度字段指明包括首部在内的UDP报文的长度（以字节为单位），其最小值为8。,32,5.2.2 UDP 首部格式(续3),检验和字段用于检验UDP报文在传输中是否存在差错。检验范围是整个UDP报文（包括首部和数据在内）。,33,5.2.2 UDP 首部格式(续4),在计算检验和时，要在UDP用户数据报之前增加12字节的伪首部。伪首部仅仅是为了计算检验和而设置的。与IP数据报的检验不同的是，UDP检验和是将首部和数据字段一起检验的。,34,举例：计算UDP检验和,35,第 5 章 内容提纲,5.1 运输层协议概述 5.2 用户数据报协议UDP 5.3 传输控制协议TCP 5.4 流传输控制协议SCTP,36,5.3 传输控制协议 TCP 5.3.1 TCP 概述,TCP是一个专门为了在不可靠的互联网上提供可靠的端到端字节流通信而设计的运输层协议。 它的设计目标是能够动态地适应互联网的固有特性(包括互联