传输层协议精品课件

1、传输层协议第1页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.1 进程间通信由于在一台计算机中同时存在多个进程，要进行进程间的通信，首先要解决进程的标识问题。TCP和UDP采用协议端口来标识某一主机上的通信进程。必须给出全局惟一的信宿端的进程标识符。主机可以用IP地址进行标识，IP地址是全局惟一的，再给主机上的进程赋予一个本地惟一的标识符端口号，二者加起来，便形成了进程的全局惟一标识符。第2页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日端口：传输层服务访问点TSAP。从内部实现看，端口是一种抽象的软件结构(数据结构和I/O缓冲区)从通信对方看，端口是通信进程的标识，应用进

2、程通过系统调用与端口建立关联后，传输层传给该端口的数据都会被相应的应用进程所接收从本地应用进程看，端口是进程访问传输服务的入口点。每个端口拥有一个端口号（port number），端口号是16比特的标识符，因此，端口号的取值范围是从0到65535。端口分配有两种基本的方式：全局端口分配和本地端口分配。第3页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日TCP和UDP都是提供进程通信能力的传输层协议，各有一套端口号，都是从0到65535。同一个端口在TCP和UDP中可能对应于不同类型的应用进程，也可能对应于相同类型的应用进程。为了区别TCP和UDP的进程，除了给出主机IP地址和端口号之外

3、，还要指明协议。因特网中要全局惟一地标识一个进程必须采用一个三元组：（协议，主机地址，端口号）网络通信是两个进程之间的通信，两个通信的进程构成一个关联。这个关联应该包含两个三元组，由于通信双方采用的协议必须是相同的，可以用一个五元组来描述两个进程的关联：（协议,本地主机地址,本地端口号,远地主机地址,远地端口号） 第4页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日因特网通信进程间的相互作用模式：客户/服务器模型。客户/服务器模型相互作用的过程是：客户向服务器发出服务请求，服务器完成客户所要求的操作，然后给出响应。服务器一般先于客户端启动，为了让客户能够找到服务器，服务器必须使用一个客

4、户熟知的地址，客户可以根据此地址向服务器提出服务请求。熟知地址的含义：协议是双方约定的协议，主机IP地址是固定且公开的，端口号是大家所熟知的。第5页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日每一个标准的服务器都拥有一个熟知的端口号，不同主机上相同服务器的端口号是相同的。客户进程一般采用临时端口号，而不采用熟知的端口号。临时端口是使用时向操作系统申请，由操作系统分配，使用完后再交由操作系统管理的端口。因此，只要同一时间同一主机上的应用进程数量不超过可分配的临时端口数量就能保证系统的正常运行。 熟知端口所占端口号不多，以全局方式进行分配。TCP和UDP规定，小于1024的端口号用作熟知

5、端口，熟知端口又称为保留端口。第6页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日从1024到65535编号的端口为临时端口，临时端口又称为自由端口。临时端口占全部端口的绝大部分，以本地方式进行分配。当进程要与远地进程通信时，首先申请一个临时端口，然后根据全局分配的熟知端口号与远地服务器建立联系，传输数据。TCP/IP结合了两种端口分配方式，既保证了灵活性，又方便了建立通信进程间的联系。第7页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日01023Well-known102449151Registered4915265535Dynamic第8页，共46页，2022年，5月20日

6、，22点1分，星期日TCP要将数据分为分组，TCP所采用的分组称为TCP段。TCP段不定长，被封装在IP数据报中传输。IP数据报不能保证数据的按序到达，还可能造成数据的丢失或毁坏，这些问题经过TCP协议的处理后，对上层提供的是可靠的无差错的服务。返回第9页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.2 TCP段格式TCP将应用层的数据分块并封装成TCP段进行发送。TCP段=段首部+数据段首部(20到60字节)=定长部分+变长部分定长部分长度：20字节变长部分=选项+填充，长度:0到40字节之间。TCP段格式中各个字段的含义和作用：第10页，共46页，2022年，5月20日，22点

7、1分，星期日第11页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日TCP伪首部的信息来自IP数据报的首部，协议字段指明当前协议为TCP(6)。TCP段的发送端和接收端在计算校验和时都会加上伪首部信息。若接收端验证校验和是正确的，则说明数据到达了正确主机上正确协议的正确端口。第12页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日TCP选项是变长字段，当前TCP使用的选项：选项结束标志为单字节选项，代码为0，用于表示选项结束。第13页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日无操作选项为单字节选项，代码为1，用于选项的填充，实现32位对齐。最大段大小（MSS）选项为多字

8、节选项，代码为2，长度为4字节，最后两个字节用于标识本机能够接收的段的最大字节数。该值范围为0到65535，默认值为536。窗口规模因子选项为多字节选项，代码为3，长度为3字节。在TCP段的首部存在16比特的窗口大小字段，但在高吞吐和低延迟的网络中，65535字节的窗口仍然嫌小。通过在选项中采用窗口规模因子，可以增加窗口的大小。扩展后的窗口大小为：Wn=Wo2fWn为新的窗口大小，Wo为TCP首部窗口大小字段的值，f为窗口规模因子。 第14页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日时间戳选项为多字节选项，代码为8，长度为10字节。时间戳值字段由源端在发送数据段时填写，信宿端收到后

9、，在确认数据段中将收到的时间戳值填入时间戳回显应答字段，信源端根据该时间戳值和当前时间戳可以计算出数据段的往返时间。返回第15页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.3 TCP连接的建立和拆除8.3.1 TCP连接的建立为了实现数据的可靠传输，TCP要在应用进程间建立传输连接。从理论上讲，建立传输连接只需要一个请求和一个响应就可以了。但是由于通信子网的问题，请求有可能丢失，为了解决请求的丢失问题，常用的办法是超时重传。客户发出连接请求时，启动一个定时器，一旦定时器超时，客户将被迫再次发起连接请求，会导致重复连接。 第16页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期

10、日解决重复连接的办法：三次握手方法。三次握手方法要求对所有报文进行编号，TCP采用的方法是给每个字节一个32比特的序号。每次建立连接时都产生一个新的初始序号。序号字段位数定长，序号循环使用，序号字段位数较长，当序号循环一周回来时，使用同一序号的旧报文段早已传输完。这样，保证网络中不会同时出现来自同一源主机的相同序号的两个不同报文段。 第17页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日建立连接前，服务器端首先被动打开其熟知的端口，对端口进行监听。当客户端要和服务器建立连接时，发起一个主动打开端口的请求（临时端口）。然后进入三次握手过程：第一次握手：由要建立连接的客户向服务器发出连接请

11、求段，该段首部的同步标志SYN被置为1，并在首部中填入本次连接的客户端的初始段序号SEQ（例如SEQ=26500）。第二次握手：服务器收到请求后，发回连接确认（SYN+ACK），该段首部中的同步标志SYN被置为1，表示认可连接，首部中的确认标志ACK被置为1，表示对所接收的段的确认，与ACK标志相配合的是准备接收的下一序号（ACK 26501），该段还给出了自己的初始序号（例如SEQ=29010）。对请求段的确认完成了一个方向上连接。第18页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日第三次握手：客户向服务器发出的确认段，段首部中的确认标志ACK被置为1，表示对所接收的段的确认，与A

12、CK标志相配合的准备接收的下一序号被设置为收到的段序号加1(ACK 29011)。完成了另一个方向上的连接。第19页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.3.2 TCP连接的拆除连接双方都可以发起拆除连接操作。简单地拆除连接可能会造成数据丢失。例如，A、B两主机已建立连接并传输报文，A主机在B主机没有准备的情况下，单方面发出断开连接请求，并停止接收该连接上的数据。但断开连接请求的传输要有一段时间，而在B主机未收到断开连接请求之前，随时可能向A主机发送数据，会有丢失数据的可能性。第20页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日解决：TCP采用和三次握手类似的方法

13、。这里可以将断开连接操作视为在两个方向上分别断开连接操作构成。一方发出断开连接请求后并不马上拆除连接，而是等待对方的确认，对方收到断开连接请求后，发送确认报文，这时拆除的只是单方向上连接（半连接）。对方发送完数据后，再通过发送断开连接请求来断开另一个方向上的半连接。返回第21页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.4 TCP流量控制TCP除了提供进程通信能力外，主要特点是具有高可靠性。TCP在发送端与接收端之间建立一条连接，报文需要得到接收端的确认。TCP传输的是一个无报文丢失、重复和失序的正确的数据流。TCP采用的最基本的可靠性技术：流量控制拥塞控制差错控制第22页，共4

14、6页，2022年，5月20日，22点1分，星期日问题：在面向连接的传输过程中，发送方与接收方在发送报文的速率方面要协调一致。若发送方一味地向网络注入数据，则可能造成网络拥塞或因接收方来不及处理而丢失数据。若发送方每发出一个报文都等待对方的确认，势必造成效率低下。解决：滑动窗口协议。采用滑动窗口协议既能够保证可靠性，又可以充分利用网络的传输能力。这种方案允许连续传输多个报文而不必等待各个报文的确认，能够连续发送的报文数受到窗口大小的限制。 第23页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日滑动窗口协议通过发送方窗口和接收方窗口的配合来完成传输控制。发送缓存中是一组顺序编号的字节数据，

15、这些数据的一部分在发送窗口中，另一部分在发送窗口外。图中发送缓存左端和右端空白处表示可以填入数据的空闲缓存，实际上可以将缓存视为左端和右端相连的环。第24页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日一旦窗口内的部分数据得到确认，窗口便向右滑动，将已确认的数据移到窗口的外面。这些数据所对应的缓冲单元成为空闲单元。窗口右边沿的移动使新的数据又落入到窗口中，成为可以被连续发送的数据的一部分。 接收方的窗口反映当前能够接收的数据的数量。图8-9给出了接收方缓存与窗口的示意图。第25页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日接收端窗口的大小W对应接收端缓存可以继续接收的数据量，

16、它等于接收缓存大小M减去缓存中尚未提交的数据字节数N，即W=M-N。接收方窗口的大小取决于接收方处理数据的速度和发送方发送数据的速度，当从缓存取走数据的速度低于数据进入缓存的速度时，接收窗口逐渐缩小，反之则逐渐扩大。接收方将当前窗口大小通告给发送方（利用TCP段首部的窗口大小字段），发送方根据接收窗口调整其发送窗口，使发送方窗口始终小于或等于接收方窗口的大小。第26页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日通过使用滑动窗口协议限制发送方一次可以发送的数据量，就可以实现流量控制的目的。这里的关键是要保证发送方窗口小于或等于接收方窗口的大小。当发送方窗口大小为1时，每发送一个字节的数

17、据都要等待对方的确认，这便是简单停等协议。流量控制可以在网络协议的不同层次上实现，TCP的流量控制是在传输层上实现的端到端的流量控制。返回第27页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.5 TCP拥塞控制流量控制是由于接收端不能及时处理数据而引发的控制机制。拥塞是由于网络中的路由器超载而引起的严重延迟现象。拥塞的发生会造成数据的丢失，数据的丢失会引起超时重传，而超时重传的数据又会进一步加剧拥塞，如果不加以控制，最终将会导致系统的崩溃。拥塞造成的数据丢失，仅仅靠超时重传是无法解决的。因此,TCP提供了拥塞控制机制。 第28页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日

18、TCP的拥塞控制，仍然是利用发送方的窗口来控制注入网络的数据流的速度。减缓注入网络的数据流后，拥塞就会被解除。引入拥塞控制后，发送窗口的大小取决于两个方面的因素：接收方的处理能力确认报文所通告的窗口大小（即可用的接收缓存的大小）来表示；网络的处理能力发送方所设置的变量拥塞窗口来表示。发送窗口的大小取通告窗口和拥塞窗口中小的一个。发送窗口大小=min(接收方通告窗口大小，拥塞窗口大小)第29页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日和接收窗口一样，拥塞窗口也处于不断的调整中。一旦发现拥塞，TCP将减小拥塞窗口。为了避免和消除拥塞，TCP周而复始地采用三种策略来控制拥塞窗口的大小。首

19、先是使用慢启动策略，在建立连接时拥塞窗口被设置为一个最大段大小MSS。对于每一个段的确认都会使拥塞窗口增加一个MSS，实际上这种增加方式是指数级的增加。例如，开始时只能发送一个数据段，当收到该段的确认后拥塞窗口加大到两个MSS，发送方接着发送两个段，收到这两个段的确认后，拥塞窗口加大到4个MSS，接下来发送4个段，拥塞窗口加大到8个MSS。第30页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日当拥塞窗口加大到门限值（拥塞发生时拥塞窗口的一半）时，进入拥塞避免阶段，在这一阶段，使用的策略是，每收到一个确认，拥塞窗口加大1个MSS，即使确认是针对多个段的，拥塞窗口也只加大1个MSS，这在一

20、定程度上减缓了拥塞窗口的增长。但在此阶段，拥塞窗口仍在增长，最终可能导致拥塞。拥塞使重传定时器超时，发送方进入拥塞解决阶段。发送方在进行重传的同时，将门限值调整为拥塞窗口的一半，并将拥塞窗口恢复成一个MSS，然后进入新一轮的循环。第31页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日返回第32页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.6 TCP差错控制差错控制是TCP保证可靠性的手段之一。TCP的差错控制包括差错检测和纠正。TCP处理的差错有数据被破坏、重复、失序和丢失。数据被破坏可以通过TCP的校验和检测出来，接收方丢弃出错的数据，而且不给出确认，发送方定时器超时后

21、，重发该数据。重复数据段一般是由超时重传造成的，接收方可以根据序号判断是否是重复数据段，对于重复数据段只需要简单地丢弃即可。 第33页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日数据失序是由于TCP下面的IP协议是无连接的数据报协议，不能保证数据报的按序到达。TCP对于提前到达（前面的数据还未到达）的数据，暂不确认，直到前面的数据到达后再一起确认。数据丢失错误也是通过超时重传来进行恢复。但是确认报文段的丢失一般不会造成任何影响，因为TCP采用的是累计确认，TCP确认针对流中的字节序号，而不是段号。一般情况下，接收方确认已正确收到的、连续的流前部。对于接下去的数据段的确认也就包含了对前

22、面数据的确认。若下一个确认未能在重传定时器超时之前到达发送方，则会出现重复报文段。重复数据会被接收方鉴别出来（根据序号），并被丢弃。 第34页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日超时重传最关键的因素是重传定时器的定时时间片的大小。由于在因特网这种大型网络中传输延迟变化范围很大，从发出数据到收到确认所需的往返时间（Round Tript Time，RTT）动态变化，很难确定。为了适应传输延迟的动态变化，TCP的重传定时值也要不断调整。TCP通过测试连接的往返时间，对重传定时值进行修正。TCP的重传定时值根据下式进行计算： Timeout= RTT (1)为大于1的常数加权因子(

23、推荐=2)，RTT为估算的往返时间。RTT根据下式进行计算： RTT=RTTo+(1)RTTn (2)返回第35页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.7 TCP状态转换图TCP建立连接、传输数据和断开连接是一个复杂的过程。为了准确地描述这一过程，可以采用有限状态机。有限状态机包含有限个状态，在某一时刻，机器必然处于某一特定状态，当在一个状态下发生特定事件时，机器会进入一个新的状态。在进行状态转换时，机器可以执行一些动作。图8-11是TCP的有限状态机，图中状态用方框表示，状态转移用带箭头的线表示，线旁的说明用斜线分为两部分，斜线前是引起状态转移的事件，斜线后是状态转移时所

24、发出的动作。 第36页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日第37页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日返回第38页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.8 用户数据报协议UDP用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）是TCP/IP传输层的另一个协议。TCP/IP同时提供TCP服务和UDP服务的目的是为了给用户更加灵活的选择。UDP同IP协议一样提供无连接数据报传输，UDP在IP协议上增加了进程通信能力。UDP除了提供进程间的通信能力外，还提供了简单的差错控制。但UDP不提供流量控制，也不对UDP数据报进行确认。

25、 第39页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.8.1 UDP数据报格式UDP将应用层的数据封装成UDP数据报进行发送。UDP数据报由首部和数据构成。UDP采用定长首部，长度为8个字节。UDP数据报格式如图8-13所示。第40页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日UDP建立在IP之上，整个UDP数据报被封装在IP数据报中传输。虽然16比特的UDP总长度字段可以标识65535字节，但由于IP数据报总长度65535的限制及IP数据报首部占用20字节，实际UDP最大长度为65515字节， UDP最大数据长度为65507字节。（65506）UDP的校验和字段长度为16比特，是可选字段，置0时表明不对UDP进行校验。第41页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期日8.8.2 UDP伪首部UDP数据报的校验和用于实现有限的差错控制。UDP校验和的计算与TCP相同，计算校验和时，除了UDP数据报本身外，它还加上一个伪首部。伪首部不是UDP数据报的有效成分，只是验证UDP数据报是否传到正确的信宿端的手段。UDP伪首部的格式如图8-14所示。 第42页，共46页，2022年，5月20日，22点1分，星期