计算机网络运输层

1、第 5 章 运输层,第 5 章 运输层,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 概述 5.4 可靠传输的工作原理 5.5 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 的运输连接管理,5.1 运输层协议概述,5.1.1 进程之间的通信 5.1.2 运输层的两个主要协议 5.1.3 运输层的端口,5.1.1 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。,运输层的作用,5 4 3 2 1,运输层提供应用进程间的逻辑通信,主机 A,主机 B,应用进程,应用进程,路由器 1,路由器 2,AP1,LAN2,WAN,AP2,AP3,AP4,IP 层,LAN1,AP1,AP2,AP4,端口,端口,5 4 3

2、2 1,IP 协议的作用范围,运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信,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。,运输层协议和网络层协议的主要区别,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)。 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 。,基于端口的复用和分用功能,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。,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

3、 (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol),TCP/IP 体系中的运输层协议,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。,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。,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

4、单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。,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。,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。,软件端口与硬件端口,两个不同的概念。 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。,TCP/IP 运

5、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）。,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 01023。 登记端口号，数值为 102449151，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 4915265535，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。,常用的熟知端口,5.2 用户数据报协议 UDP,5.2.1 UDP 概述 5.2.2 UDP 的首部格式,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

6、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。,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。,UDP 的主要特点,(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。,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。,面向报文的 UDP,接收方 UDP 对

7、 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。,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。,UD P用户数据报的首部和伪首部,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。,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。,5.3 传输控制协议 TCP 概述,5.3.1 TCP 最主要的特点 5.3.2 TCP 的连接,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

8、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。,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。,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

9、。,套接字 (socket),TCP 连接 := socket1, socket2 = (IP1: port1)，(IP2: port2) (5-2),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，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。,5.4 可靠传输的工作原理,5.4.1 停止等待协议 5.4.2 连续 ARQ 协议,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。,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。,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,确认 M1,确认 M2,2. 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

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