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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,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。,运输层的主要功能,运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。 复用:应用层不同的应用进程使用一种运输层协议传送数据。 分
2、用:接收方的运输层在剥去报文的首部后将数据正确交付到目的进程。 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。 运输层还要对收到的报文进行差错检测。,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),5.1.2 运输层的两个主要协议,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 用户数据报。,TCP 与 UDP,TCP/IP 体系中的运输层协议,TCP,UDP,IP,应用层,与
3、各种网络接口,运输层,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 与 UDP,TCP 则提供面向连接的服务。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。,5.1.3 运输层的端口,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。 两个计算机机中的进程要互相通信，不仅知道对方的IP地址，还必须包括对方的端口号。,三类端口,熟知端口，数值一般为 0
4、1023。这些端口指派给最重要的一些应用程序。,三类端口,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。 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，即复用和分用（端口）的功能和差错检测的功能。,UDP 的主要特点 -1,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
5、不保证可靠交付。 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 的主要特点,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。,5.2.2 UDP 的首部格式,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部
6、,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,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。,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,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
7、了计算检验和。,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。数据要求无差错,不丢失,并且按序到达。,TCP 最主要的特点,TCP 提供全双工通信。 面向字节流。TCP将应用程序交下来的数据看成是一连串的无结构的字节流。,TCP 面向流的概念,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,18,17,16,15,14,H,加上 TCP 首部 构成 TC
8、P 报文段,TCP,TCP,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,5.3.2 TCP 的连接,每一条 TCP 连接有两个端点。 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) 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。 TCP 连接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2),5.4 可靠传输的工作
9、原理 5.4.1 停止等待协议,请注意,在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本。 分组和确认分组都必须进行编号。 超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。,确认丢失和确认迟到,可靠通信的实现,使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。 这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ (Automatic Repeat reQuest)。 ARQ 表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组 。,信道利用率,停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。,TD,RTT,A,TD + RTT + TA,B,分组
10、,确认,t,t,分组,确认,信道的利用率 U,流水线传输,发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。 由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式可获得很高的信道利用率。,B,分组,t,t,A,ACK,5.4.2 连续 ARQ 协议,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(a) 发送方维持发送窗口（发送窗口是 5）,发送窗口,累积确认,接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。,Go-back-N（回退 N）,如果发送方发送了前 5 个分组
11、，而中间的第 3 个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。 这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的 N 个分组。,TCP 首部,20 字节的 固定首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,F I N,32 位,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,填 充,TCP 数据部分,TCP 首部,TCP 报文段,IP 数据部分,IP 首部,发送在
12、前,5.5 TCP 报文段的首部格式,TCP 首部,20 字节 固定 首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,F I N,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,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。,TCP 首部,20 字节 固定 首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留
13、,F I N,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,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。,TCP 首部,20 字节 固定 首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,F I N,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,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。,TCP 首部,20 字节 固定 首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,F I N,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,填 充,数据偏移（即首部长度）占 4 位，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”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）。,TCP 首部,20 字节 固定 首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项
