UDP&ampTCP比较PPT课件.ppt

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1、第3章传输层协议UDP和TCP 3 1端到端通信和端口号3 2用户数据报协议UDP3 3传输控制协议TCP3 4TCP与UDP的比较习题 1 3 1端到端通信和端口号 3 1 1端到端通信在互联网中 任何两台通信的主机之间 从源端到目标端的信道都是由一段一段的点到点通信线路组成的 一个局域网中两台主机通信时只有一段点到点的线路 如图3 1所示 2 图3 1传输层端到端通信 3 由第2章的知识可知 点到点通信是由网络互联层来实现的 网络互联层只屏蔽了不同网络之间的差异 构建了一个逻辑上的通信网络 因此它只解决了数据通信问题 端到端通信是建立在点到点通信基础之上的 它是比网络互联层通信更高一级的通

2、信方式 完成应用程序 进程 之间的通信 端到端的通信是由传输层来实现的 4 3 1 2传输层端口的概念为了识别传输层之上不同的网络通信程序 进程 传输层引入了端口的概念 在一台主机上 要进行网络通信的进程首先要向系统提出动态申请 由系统 操作系统内核 返回一个本地惟一的端口号 进程再通过系统调用把自己和这个特定的端口联系在一起 这个过程叫绑定 Binding 这样 每个要通信的进程都与一个端口号对应 传输层就可以使用其报文头中的端口号 把收到的数据送到不同的应用程序 如图3 2所示 5 图3 2传输层端到端通信 6 在TCP IP协议中 传输层使用的端口号用一个16位的二进制数表示 因此 在传

3、输层如果使用TCP协议进行进程通信 则可用的端口号共有216个 由于UDP也是传输层一个独立于TCP的协议 因此使用UDP协议时也有216个不同的端口 一些常用服务的TCP和UDP的众所周知端口号见表3 1和表3 2 7 表3 1常用的众所周知的TCP端口号 8 表3 2常用的众所周知的UDP端口号 9 256 1023之间的端口号通常都是由Unix系统占用的 以提供一些特定的Unix服务 现在IANA管理1 1023之间所有的端口号 任何TCP IP实现所提供的服务都使用1 1023之间的端口号 客户端口号又称为临时端口号 即存在时间很短暂 这是因为客户端口号是在客户程序要进行通信之前 动态

4、地从系统申请的一个端口号 然后以该端口号为源端口 使用某个众所周知的端口号为目标端口号 如在TCP协议上要进行文件传输时使用21 进行客户端到服务器端的通信 综上所述 我们知道两台要通信的主机 每一端要使用一个二元地址 IP地址 端口号 才可以完成它们之间的通信 10 3 2用户数据报协议UDP 3 2 1UDP数据报的封装及其格式UDP协议在工作时是建立在IP协议之上的 UDP从进程的缓冲区接收进程每一次产生的输出 对每次输出都生成一个UDP数据报 然后把生成的UDP数据报直接封装在IP数据报中进行传输 因此在传输层使用UDP协议时 发送端不需要发送缓冲区 如图3 3所示 11 图3 3UD

5、P数据报的封装 12 被封装在IP中的UDP数据报通过网络传输到目标主机的IP层后 由目标主机的UDP层根据目标端口号送到接收该数据的相应进程 UDP数据报的格式如图3 4所示 13 图3 4UDP数据报格式 14 3 2 2UDP校验和的计算方法顾名思义 这个伪头部并不是UDP的真正组成部分 它只是为了UDP在进行差错检查时可以把更多的信息包含进去而人为加上的 伪头部的格式如图3 5所示 15 图3 5UDP伪头部格式 16 伪头部包含IP头部的一些字段 填充域全填0 目的是使伪头部为16位二进制数的整数倍 这是计算校验和时所需要的 协议字段的值为17 表示为UDP协议 见表2 4 UDP长

6、度为UDP数据报的总长 当然不能包括虚构的伪头部 源端在发送UDP数据报时 使用构造的UDP伪头部和UDP数据报计算出校验和 校验和计算方法与IP头部校验和的计算方法相同 然后填入UDP头部 17 3 2 3UDP协议的特点从UDP协议的数据报格式可以看出 UDP对数据的封装非常简单 主要是增加了端口号与校验和 然后就可以直接通过IP层进行传输了 因此它具有以下特点 1 UDP是一种无连接 不可靠的数据报传输服务协议 2 UDP对数据传输过程中惟一的可靠保证措施是进行差错校验 如果发生差错 则只是简单地抛弃该数据报 3 如果目标端收到的UDP数据报中的目标端口号不能与当前已使用的某端口号匹配

7、则将该数据报抛弃 并发送目标端口不可达的ICMP差错报文 18 4 UDP协议在设计时的简单性 是为了保证UDP在工作时的高效性和低延时性 因此 在服务质量较高的网络中 如局域网 UDP可以高效地工作 5 UDP常用于传输延时小 对可靠性要求不高 有少量数据要进行传输的情况 如DNS 域名服务 TFTP 简单文件传输 等 19 3 3传输控制协议TCP 3 3 1TCP报文段格式TCP报文段 常称为段 与UDP数据报一样也是封装在IP中进行传输的 只是IP报文的数据区为TCP报文段 TCP报文段的格式如图3 6所示 20 图3 6TCP报文段的格式 21 1 TCP源端口号TCP源端口号长度为

8、16位 用于标识发送方通信进程的端口 目标端在收到TCP报文段后 可以用源端口号和源IP地址标识报文的返回地址 2 TCP目标端口号TCP目标端口号长度为16位 用于标识接收方通信进程的端口 源端口号与IP头部中的源端IP地址 目标端口号与目标端IP地址 这4个数就可以惟一确定从源端到目标端的一对TCP连接 3 序列号序列号长度为32位 用于标识TCP发送端向TCP接收端发送数据字节流的序号 22 4 确认号确认号长度为32位 5 头部长度该字段用4位二进制数表示TCP头部的长短 它以32位二进制数为一个计数单位 TCP头部长度一般为20个字节 因此通常它的值为5 6 保留保留字段长度为6位

9、该域必须置0 准备为将来定义TCP新功能时使用 23 7 标志标志域长度为6位 每1位标志可以打开或关闭一个控制功能 这些控制功能与连接的管理 3 3 2小节讲述 和数据传输控制有关 其内容如下所述 URG 紧急指针标志 置1时紧急指针有效 ACK 确认号标志 置1时确认号有效 如果ACK为0 那么TCP头部中包含的确认号字段应被忽略 PSH push操作标志 当置1时表示要对数据进行push操作 RST 连接复位标志 表示由于主机崩溃或其他原因而出现错误时的连接 24 SYN 同步序列号标志 它用来发起一个连接的建立 也就是说 只有在连接建立的过程中SYN才被置1 FIN 连接终止标志 当一

10、端发送FIN标志置1的报文时 告诉另一端已无数据可发送 即已完成了数据发送任务 但它还可以继续接收数据 25 8 窗口大小窗口大小字段长度为16位 它是接收端的流量控制措施 用来告诉另一端它的数据接收能力 9 校验和校验和字段长度为16位 用于进行差错校验 校验和覆盖了整个的TCP报文段的头部和数据区 10 紧急指针紧急指针字段长度为16位 只有当URG标志置1时紧急指针才有效 它的值指向紧急数据最后一个字节的位置 如果把它的值与TCP头部中的序列号相加 则表示紧急数据最后一个字节的序号 在有些实现中指向最后一个字节的下一个字节 26 11 选项选项的长度不固定 通过选项使TCP可以提供一些额

11、外的功能 每个选项由选项类型 占1个字节 该选项的总长度 占1个字节 和选项值组成 如图3 7所示 图3 7TCP选项格式 27 当前已定义的选项如表3 3所示 选项类型字段为0和1的选项仅各占1个字节 其他的选项在选项类型后说明了其总长度 12 填充填充字段的长度不定 用于填充以保证TCP头部的长度为32位的整数倍 值全为0 28 表3 3TCP选项 表略 29 3 3 2TCP连接的建立与关闭TCP是一个面向连接的协议 TCP协议的高可靠性是通过发送数据前先建立连接 结束数据传输时关闭连接 在数据传输过程中进行超时重发 流量控制和数据确认 对乱序数据进行重排以及前面讲过的校验和等机制来实现

12、的 TCP在IP之上工作 IP本身是一个无连接的协议 在无连接的协议之上要建立连接 对初学者来说 这是一个较难理解的一个问题 30 1 建立连接TCP使用 三次握手 3 wayHandshake 法来建立一条连接 所谓三次握手 就是指在建立一条连接时通信双方要交换三次报文 具体过程如下 2 关闭连接由于TCP是一个全双工协议 因此在通信过程中两台主机都可以独立地发送数据 完成数据发送的任何一方可以提出关闭连接的请求 关闭连接时 由于在每个传输方向既要发送一个关闭连接的报文段 又要接收对方的确认报文段 因此关闭一个连接要经过4次握手 31 连接建立和关闭的过程可以用图3 8表示 该图是通信双方正

13、常工作时的情况 关闭连接时 图中的u表示服务器已收到数据的序列号 v表示客户机已收到数据的序列号 32 图3 8TCP连接的建立与关闭 33 3 3 3TCP的流量控制和拥塞控制机制下面我们来看一个实例 图3 9是主机1和主机2使用TCP协议在实际通信时的时序图 34 图3 9TCP连接的建立与关闭 35 在图3 9中 主机1连续发送了两个报文段4和5 其长度都为1024个字节 这两个报文段的数据用来填充接收方 主机2 所通知的窗口 由于主机2通知的窗口大小只有2048个字节 这时主机2的缓冲区已经被填满 因此主机1停下来等待一个主机2的确认 发送端发送数据的过程是如何受到接收方控制的 这可以

14、用图3 10表示 报文段2通知的窗口大小为2048个字节 因此主机1的前两个1024个字节的数据块落入窗口内 如图3 10 a 所示 窗口内的数据是可以立即发送的数据 图3 10 b 是图3 9中主机1发送了报文段4和5后的情况 窗口内的数据已发送完毕 用灰色表示 主机1只能等待 36 图3 10 c 是主机2收到前2048个字节发送了确认报文段6窗口右移后的情况 由于报文段6通知的接收方窗口大小只有1024个字节 因此只有一个1024个字节的数据块落入窗口内 图3 10 d 是主机1对主机2发送了报文段7后的情况 这时窗口内的数据已发送完毕 主机又进入等待状态 图3 9中确认报文段8对收到的

15、前3072个字节进行了确认 但通知的窗口大小为0 如图3 10 e 所示 这时窗口的左边沿到达右边沿 即窗口的长度变为0 称其为一个0窗口 此时发送方不能再发送任何数据 只能等待 等待一段时间后 由于主机2的应用进程从TCP缓冲区中读走了2048个字节的数据 因此由窗口更新报文段9通知的窗口大小为2048个字节 如图3 10 f 所示 这时主机1又可以发送数据了 37 图3 10TCP流量控制机制 滑动窗口协议 38 上述流量控制策略中 使用接收方通知的一个窗口大小来控制数据的发送 窗口的起始点为接收方确认号 终止于窗口长度 只有落在窗口内的数据可以发送 为了解决网络拥塞问题 发送方又引入了另

16、外一个窗口 叫拥塞窗口 CongestionWindow 拥塞窗口被初始化为1个报文段的长度 即另一端通知的最大报文段长度为MSS 在建立连接时 发送方只发送一个长度为MSS的报文段 正常收到确认后 拥塞窗口就增大为2MSS 即为原来拥塞窗口长度的两倍 然后发送两个MSS长度的报文段 min congestionwindow receiverwin 39 3 3 4TCP的超时重发机制TCP协议提供的是可靠的运输层 前面我们已经看到 接收方对收到的所有数据要进行确认 TCP的确认是对收到的字节流进行累计确认 发送TCP报文段时 头部的 确认号 就指出该端希望接收的下一个字节的序号 其含义是在此之前的所有数据都已经正确收到 请发送从确认号开始的数据 TCP的确认方式有两种 一种是利用只有TCP头部 而没有数据区的专门确认报文段进行确认 另一种是当通信双方都有数据要传输时 把确认 捎带 在要传输的报文段中进行确认 因此TCP的确认报文段和普通数据报文段没有什么区别 40 在TCP协议层实现超时重发的关键问题是超时重送的策略 即怎样决定超时间隔和如何确定重发的频率 显然使用固定大小的超时间隔