CH5-运输层

计算机网络（第 5 版）第 5 章 运输层2021/8/101课件制作人：谢希仁第 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2021/8/102课件制作人：谢希仁第 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2021/8/103课件制作人：谢希仁第 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 SACK5.7 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2021/8/104课件制作人：谢希仁第 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 2021/8/105课件制作人：谢希仁5.1 运输层协议概述5.1.1 进程之间的通信n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。n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。2021/8/106课件制作人：谢希仁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AP32021/8/107课件制作人：谢希仁应用进程之间的通信n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。n应用进程之间的通信又称为端到端的通信。n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，再往下就共用网络层提供的服务。n“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。2021/8/108课件制作人：谢希仁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2021/8/109课件制作人：谢希仁运输层的主要功能 n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）。n运输层还要对收到的报文进行差错检测。n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。2021/8/1010课件制作人：谢希仁两种不同的运输协议n运输层向高层用户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。n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。n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。2021/8/1011课件制作人：谢希仁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 2021/8/1012课件制作人：谢希仁n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)。nTCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段(segment)n UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。TCP 与 UDP 2021/8/1013课件制作人：谢希仁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2021/8/1014课件制作人：谢希仁TCP 与 UDP nUDP 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。nTCP 则提供面向连接的服务。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。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。2021/8/1015课件制作人：谢希仁还要强调两点 n运输层的 UDP 用户数据报与网际层的IP数据报有很大区别。IP 数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发，但 UDP 用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。nTCP 报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送，这种信道是可靠的全双工信道。但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器，而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了 TCP 连接。2021/8/1016课件制作人：谢希仁5.1.3 运输层的端口 n运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。n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。n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。2021/8/1017课件制作人：谢希仁需要解决的问题 n由于进程的创建和撤销都是动态的，发送方几乎无法识别其他机器上的进程。n有时我们会改换接收报文的进程，但并不需要通知所有发送方。n我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点，而不需要知道实现这个功能的进程。2021/8/1018课件制作人：谢希仁端口号(protocol port number)简称为端口(port)n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)。n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。2021/8/1019课件制作人：谢希仁软件端口与硬件端口n在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口。n路由器或交换机上的端口是硬件端口。n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。2021/8/1020课件制作人：谢希仁TCP 的端口 n端口用一个 16 位端口号进行标志。n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。2021/8/1021课件制作人：谢希仁三类端口 n熟知端口，数值一般为 01023。n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。n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。2021/8/1022课件制作人：谢希仁5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述 nUDP 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。n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。2021/8/1023课件制作人：谢希仁UDP 的主要特点 nUDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。nUDP 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。nUDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。nUDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。nUDP 的首部开销小，只有 8 个字节。2021/8/1024课件制作人：谢希仁面向报文的 UDPn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。n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。n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。n应用程序必须选择合适大小的报文。2021/8/1025课件制作人：谢希仁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2021/8/1026课件制作人：谢希仁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017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报2021/8/1027课件制作人：谢希仁UDP 基于端口的分用 IP 层UDP 数据报到达端口 2端口 3端口 1UDP 分用2021/8/1028课件制作人：谢希仁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017IP 数据报字节44112122222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。2021/8/1029课件制作人：谢希仁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017IP 数据报字节44112122222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。伪首部仅仅是为了计算检验和。2021/8/1030课件制作人：谢希仁计算 UDP 检验和的例子 10011001 00010011 153.1900001000 01101000 8.10410101011 00000011 171.300001110 00001011 14.1100000000 00010001 0 和 1700000000 00001111 1500000100 00111111 108700000000 00001101 1300000000 00001111 1500000000 00000000 0（检验和）01010100 01000101 数据01010011 01010100 数据01001001 01001110 数据01000111 00000000 数据和 0（填充）10010110 11101101 求和得出的结果01101001 00010010 检验和 153.19.8.104171.3.14.1112 字节伪首部8 字节UDP 首部7 字节数据填充按二进制反码运算求和将得出的结果求反码全 0 17 15 1087 13 15 全 0数据 数据 数据 数据数据 数据 数据 全 02021/8/1031课件制作人：谢希仁5.3 传输控制