河南财经学院CH5运输层.pptx
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1、第 5 章 运输层 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5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述5.2.2 UDP 的首部格式第 5 章 运输层(续)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5.4 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5.5 TCP 报文段的首部格式第 5 章 运输层(续)5.6 TCP 可靠传输的实现 5.6.1 以字节为单位的滑动窗口 5.6.2 超时重传时间的选择 5.6.3 选择确认 S
2、ACK5.7 TCP的流量控制 5.7.1 利用滑动窗口实现流量控制 5.7.1 必须考虑传输效率第 5 章 运输层(续)5.8 TCP 的拥塞控制 5.8.1 拥塞控制的一般原理 5.8.2 几种拥塞控制方法 5.8.3 随机早期检测 RED5.9 TCP 的运输连接管理 5.9.1 TCP 的连接建立 5.9.2 TCP 的连接释放 5.9.3 TCP 的有限状态机 5.1 运输层协议概述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
3、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。运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信 54321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 2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP 层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP 协议的作用范围运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围AP3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
4、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。运输层协议和网络层协议的主要区别 应用进程应用进程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)因 特 网运输层的主要功能 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。两种不同的运输协议运输层向高层用户
5、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。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)TCP 与 UD
6、P 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/IP 体系中的运输层协议 TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层TCP和UDP 比较TCP/IP 协议簇中最常用的两种传输协议是传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。这两种协议都用于管理多个应用程序的通信,其不同点在于每个协议执行各自特定的功能。每个 TCP 数据段在封装应用层数据的报头中都有 20 字节的开销。,而每个
7、UDP 数据段只需要 8 字节的开销。UDP 是一种简单的无连接协议。该协议的优点在于提供低开销数据传输。UDP 中的通信数据段称为数据报。通过此协议,数据报在传输层采用尽力方式传送。使用 UDP 协议的应用包括:域名系统(DNS)视频流IP 语音(VoIP)等。TCP 是一种面向连接的协议。为实现额外的功能,TCP 协议会产生额外的开销。TCP 协议功能包括原序处理、可靠传输以及流量、拥塞控制。使用 TCP 协议的应用程序包括:Web 浏览器电子邮件文件传输程序。5.1.3 运输层的端口(Port)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
8、指派它的进程标识符。这是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。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。端口寻址识别会话端口寻址netstat 命令端口号(protocol port number)简称为端口(port)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
9、最后交付目的进程)就由 TCP 来完成。传输层 的端口 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。在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的。端口寻址端口号的类型三类端口 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。(前两类端口主要用于服务器)客户端口号或短暂端口号,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
10、其他客户进程以后使用。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。UDP 的主要特点 UDP 是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接。UDP 使用尽最大努力交付,即不保证可靠交付,同时也不使用拥塞控制。UDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制,很适合多媒体通信的要求。UDP 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。面向报文的 UDP发送方 UDP 对应用程序交下
11、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。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。UDP低开销与可靠性对比UDP提供基本的传输层功能低开销UDP 是无连接的,并且不提供复杂的重新传输、排序和流量控制机制使用使用UDP的应用的应用:域名系统(DNS)简单网络管理协议(SNMP)动态主机配置协议(DHCP)路由信息协议(RIP)简单文件
12、传输协议(TFTP)网络游戏UDP 是面向报文的 IP 数据报的数据部分IP 首部IP 层UDP 首部UDP 用户数据报的数据部分运输层应用层报文应用层5.3 传输控制协议 TCP 概述 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 面向流的概念 7 68H发送 TCP 报文段发送方接收方把字节写入发送缓存从接收缓存读取字节应用进程应用进程1230181716151419202145131211H109
13、 H加上 TCP 首部构成 TCP 报文段TCPTCP字节流字节流H表示 TCP 报文段的首部x表示序号为 x 的数据字节TCP 连接应当注意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
14、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。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)同一个名词 socket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
15、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。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。5.6 TCP 可靠传输的实现5.6.1 以字
16、节为单位的滑动窗口前移不允许发送已发送并收到确认A 的发送窗口=20允许发送的序号26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56B 期望收到的序号前沿后沿前移收缩根据 B 给出的窗口值A 构造出自己的发送窗口 TCP 标准强烈不赞成发送窗口前沿向后收缩 不允许发送已发送并收到确认A 的发送窗口位置不变允许发送但尚未发送26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
17、 50 51 52 53 54 55已发送但未收到确认56P1P2P3不允许接收已发送确认并交付主机B 的接收窗口允许接收26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56未按序收到可用窗口A 发送了 11 个字节的数据 P3 P1=A 的发送窗口(又称为通知窗口)P2 P1=已发送但尚未收到确认的字节数P3 P2=允许发送但尚未发送的字节数(又称为可用窗口)允许发送但尚未发送A 的发送窗口向前滑动26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
18、 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55已发送并收到确认不允许发送已发送但未收到确认56P1P2P3允许接收B 的接收窗口向前滑动26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55已发送确认并交付主机不允许接收56未按序收到A 收到新的确认号,发送窗口向前滑动 先存下,等待缺少的数据的到达不允许发送已发送并收到确认A 的发送窗口已满,有效窗口为零26 27 28 29 30 31 32 33 3
19、4 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55已发送但未收到确认56P1P2P3A 的发送窗口内的序号都已用完,但还没有再收到确认,必须停止发送。5.7 TCP 的流量控制5.7.1 利用滑动窗口实现流量控制一般说来,我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快,接收方就可能来不及接收,这就会造成数据的丢失。流量控制(flow control)就是让发送方的发送速率不要太快,既要让接收方来得及接收,也不要使网络发生拥塞。利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制。seq=1,DAT
20、Aseq=201,DATAseq=401,DATAseq=301,DATAseq=101,DATAseq=201,DATAseq=501,DATAACK=1,ack=201,rwnd=300ACK=1,ack=601,rwnd=0ACK=1,ack=501,rwnd=100AB允许 A 发送序号 201 至 500 共 300 字节A 发送了序号 101 至 200,还能发送 200 字节A 发送了序号 301 至 400,还能再发送 100 字节新数据A 发送了序号 1 至 100,还能发送 300 字节A 发送了序号 401 至 500,不能再发送新数据了A 超时重传旧的数据,但不能发送新
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