计算机网络CH08 传输层

内容纲要

传输层协议概述1\]

■82TCP/IP中的传输层

■8.3用户数据报协议UDP

________\___________\___________\__________1___________I___________I___________I____________I__________I______L______L_______L___

■8.4传输控制协议TCP

内容纲要

迪祥输层协议概法」

■8,付"中田修，耳I

18.4传输控制协议TCP

8」传输层协议概述

■传输层又称为运输层，位于应用层

和网络层之间，是分层网络体系结

-杈单核上部外一厂

一传输层为应用进程之间提供端到端

的逻辑通信（网络层是为主机之间

提供逻辑通信）。

■传输层用于增强和弥补通信子网的

服务不足，提供主机之间可靠有效

的通信。T////

8.1传输层协议概述

）从通信和信息处理的角度看，一传输层向

一它上面的应用层提供通信服东―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。

面向信息处理1应用层

传输层

面邮a棺网络层

数据链路层网络功能

物理层

//////

传输层协议和网络层协议主要区别

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）---------1

传输层与其上下层之间的关系

的OSI表示法

主机A主机B

一g

在端系统上运行

一

主要功能之一是翁定

息和在目的系统上接

-

­数据的分段和组装

­数据流的控制

•错误检测和恢复

8

8.1传输层协议概述

■传输层实体能够根据高层应用的需求

—提供不同的服务质量齐不二目—

■传输层协议可以是面向连接的协议或

,先连模正我。「1I■■

■传输层对高层用户屏蔽网络的差异,

使高层用户的对等实体在交互过程中

不受下层通信技术细节的影响。

9

8.1传输层协议概述

传输层协议的分类

-传输层协议的选择是根据高层用户

的需要和低层网络协议提供的服务

一高层对传输层服务的要求A

•通信子网所提供的服务N

•传输层协议=T-N

10

8.1传输层协议概述

网络提供的服务质量

■A型：网络连接具有可接受的低残留

差错率和可接受的低故障通知率。

■B型：网络连接具有可接受的低残留

差错率和不可接受的高故障通知率。

■C型：网络连接具有不可接受的高差

\Oe\\\/////

11

8.1传输层协议概述

osi参考模型中的传输层协议分类

£TPO：简单类J支持A型网络。

■TPLj本差错恢复类，支持B型网黜

■TP2：复用类j支持A型网络。

5Tp3：差错恢复与复用类，支持B型网

1络。7IIIIII

-TP4：差错检测和恢复，复用类，支持

C型网络。

12

内容纲要

8J传输层称议概述

8.2TCP/IP中的传输层

8・3用户数据报协议UDP

8.2TCP/IP中的传输层

-传输层对高层用户屏蔽通信子网的细节,

使应用进程认为在两个传输层实体之间

有一条端到端的逻辑通信信道。但这条

逻辑通信信道对上层的表现却因传输层

使用的不同协议而有很大的差别O

■TCP/IP的传输层主要有两个不同的协

议，即面向连接的TCP协议和无连接的

UDP协议。

14

TCP/IP体系中的运输层协议

应用层

传输层向上层应用提供可靠的

和不可靠的逻辑通信信道

接

接

发

发

应11

收

送

收

送

用

进

进

进

进

层

程

程

程

程

数据数据数据数据

运全双工可靠信道

输

层

使用TCP协议使用UDP协议

8.2TCP/IP中的传输层

TCP/IP的传输层有两个不同协议：

■十用户数据报协议UDP[

-----(UserDatagramProtocol)

无连接，效率高，可靠性较低。

■*传输控制协议TCP^

(TransmissionControlProtocol)

面向连接，可靠性高，控制复杂。

17

8.2TCP/IP中的传输层

■两个对等运输实体在通信时传送的数

据单位叫作传输协议数据单元TPDU

'__(Transport^ProtocolDataUnit)。

■TCP传送的数据单位协议是TCP报

\X®(selgmtentjo~~~~~~~~7~~7~~T

-UDP传送的数据单位协议是UDP报

J

18

8.2TCP/IP中的传输层

■UDP在传送数据之前不需先建立连接一

对方的运输层在收到UDP报文后，不需

解出咨何

-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。

■在目前的网络传输条件下，使用UDP

往往也能提供足够的传输可靠性。

19

8.2TCP/IP中的传输层

■TCP则提供面向连接的服务。送心

」不提供广播或多播服务。\\\\

上由PTCE要提供可靠的一面向连接一

_的传输服务，，因此不可避免地增加了—

—许多控制开销。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。

■TCP适合大量数据传输的应用。

20

TCP/IP中的传输层与网际层

■传输层的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J旦UDP用户数据报是

在传输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的

-TCP报文段是在传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传输

层是否建立了TCP连接。

21

8.2TCP/IP中的传输层

端口的概念\

.端口就是传输层服务访问点JTSAPQ

■端口的作用就是让应用层的各种应用进

程都能将其数据通过端口向下交付给传

输层，―以及让传输层知道应当将其报文

段中的数据向上通过端口交付给应用层

相应的进程。

■从这个意义上讲，端口是应用层进程的

标识。

22

端口在进程之间的通信中所起的作用

发送方接收方

应用进程应用进程

二4二4z|\二4二4"E1S二4二4二XzzN二N

TCP报文段用户数据

IP数据报IP数据报

8.2TCP/IP中的传输层

崎芦\\\

■端F口用一个16bit端口号进行标识，

有效的端口号为0-65535。

■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。

24

8.2TCP/IP中的传输层

端口类型nn\\\

1端口有两种类型］］44

类是熟知端口，其数值二般为G1023。

__这些端口号是TCP/IP体系确定并公布的,

「以便所有的用户进程都知道「■能够与它一

卡西亍曼产隼信。［~~~~~~//~~/

•另一类则是一般端口，用来随时分配给

请求通信的客户进程。

■熟知端口一般用于向公众提供服务。步

8.2TCP/IP中的传输层

_______I__I__I__1__k_

；UDP和TCP使用」用口号”作为计算机系

统中高层应用进程的标识，而IP地址则标识

了网络中的一台主机，IP地址和端口号的组

合称为插口(socket),或套接字、套接口一

■插口和端口、IP地址的关系是：

插□(socket)

26

8.2TCP/IP中的传输层

演\\\\\\

・TCP使用“连接”作为最基本的抽象

一个TCP连接是用它的两个端点来建

示的乙这个端点就是插口(socket)。__

■由于TCP使用两个端点来识别连接，一

一个计算机上的某个端口号可以被多个

连接所共享。

■UDP服务也使用插口地址实现通信。

27

名词socket的多种不同的意思

■应用编程接口API称为socketAPI,

■socketAPI中使用的一个函数名也叫

作socket。］|III~~II~~

■调用socket函数的端点称为socketo

■调用socket函数时其返回值称为

socket描述符，可简称为socketo

■在操作系统内核中连网协议的

Berkeley实现，称为socket实现。

28

内容纲要

俵输层协议概述]1[

-■---1-/---8----1.---i-----1--------1--------1--------1--------1--------1--------1--------1--------1--------

■a2TCP/IP中的传输层

■8.3用户数据报协议UDP

___\\L__F「1LL

■8.4传输控制协议TCP

8・3用户数据报协议UDP

■UDP是一个简单的面向用户数据报

的传输层协议。应用进程的输出正

产生一个UDP数据报，并组装成一

一个待发送的IP数据报1

■UDP只在的数据报服务之上增

加了很少一点的功能，即端口的功

能和有限的差错检测功能。

■UDP不提供可靠性。

30

8・3用户数据报协议UDP

■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

｛发送数据2前木需要建立连接_______23

・婀，耳机机要维持复杂的连接状态表］

\UDP用户数据报只有斫净片的首部开销工

•网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降

低。这对某些实时应用是很重要的。

31

UDP用户数据报的首部格式

字节44112

源IP地址目的IP地址017UDP长度

字节122222

首部

IP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。

字节44112

源IP地址目的IP地址017UDP长度

字节122222

「曲爵f1源端口|目的端口|长度|检验和［

<IP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。

字节44112

源IP地址目的IP地址017UDP长度

字节12_2222

［伪首部］源端口|目的端口|长度|检验和

UDP用户数据报|首部|数据

发送在前［工

首部|数.据一

------------------------------IP数据报----------

计算UDP检验和的例子

1001100100010011—153.19

040000100001101000—8.104

12字节

1010101100000011->171.3

伪首部171.314.11

全0|17|150000111000001011->14.11

8字节108713|0000000000010001—0和17

UDP首部“15一全。0000000000001111—15

数据|数据国据国常0000010000111111T1087

7字节

0000000000001101—13

数据数据|数据葭据届同

0000000000001111T15

0000000000000000一0（检验和）

0101010001000101->数据

使用16bit段反码运算0101001101010100一数据

0100100101001110一数据

填充部分仅参加计算

0100011100000000T数据和0（填充）

按二进制反码运算求和10010110111010117求和得出的结果

将得出的结果求反码0110100100010100一检验和

8.3用户数据报协议UDP

-UDP用户数据报的首部中长度

字段定义了数据报的总长度，即

T部加数据部分。

■-UDP用户数据报的首部中检验

和用来检验整个用户数据报（首

部加数据部分）出现的差错。

■计算伪首部可以增加可靠性。

36

UDP端口用报文队列来实现

应TFTP客尸TFTP服务器

用

层11

出队列入队列出队列入队列

传

输

层

UDP端口51000UDP

UDP用户数据报

8・3用户数据报协议UDP

-UDP提供无连接的服务，每

个用户数据报都是独立的，用户

卜肉据报不使用编号。

■-UDP是一个很小的不可靠的传

输层协议，没有流量控制；除了

检验和之外，没有差错控制机制。

■UDP可以用于多播和广播。

38

内容纲要

■8,隼里毕愕增」

■82TCP/IP中的传输层

■8.4传输控制协议TCP

8.4传输控制协议TCP

-TCP提供一种面向连接的、全双工的、

现靠用字节快申斗二目\\\\

■在一个TCP连接中，仅有两方进行彼

此通信o广播和多播不能用fElcp0

-TCP的接收端必须丢弃重复的数据一

■TCP对字节流的内容不作任何解释。

对字节流的解释由TCP连接双方的应

用层解释。\[I///////

40

8.4传输控制协议TCP

-TCP通过下列方式来提供可靠性：

•应用数据被分割成TCP认为最适合发展的

性犀块称列*文粘*殳。J

协议中采用自适应的超时及重传策略C

「TCP可以对收到的数据进行重新排序，将

收到的数据以正确的顺序交给应用层。

•TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

・TCP还能提供流量控制。

41

8.4传输控制协议TCP

、辛±|±|

友送”而接收端

TCP报文段格式

32bit

比特,0,816

III一产一.....31

源端口目的端口

号

序

20字节的

固定首部

TCP确认号

数

据UAPRSF

窗

保

留

RCSSYI口

偏

移GKHTNN

检验和紧急指针

选项（长度可变）填充

TCP报文段TCP首部TCP数据部分

发送在前1

IP首部IP数据部分

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

源端口和目的端口字段——各占2字节。端口是传输

层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都

要通过端口才能实现。

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。

比特08162431

源端口目的端口

序号2O

字

节

定

固

TCF确认号立

首

首用口

数据UAPS

保留RCSY窗口

偏移GKHN

检验和紧急指针

选项（长度可变）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。

2O

字

节

定

固

立

首

口

数据偏移一一占4bit,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

单位不是字节而是32bit字（4字节为计算单位）。

保留字段——占6bit,保留为今后使用，但目前

应置为Oo

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

紧急比特URG—当URG=1时，表明紧急指

针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据,

应尽快传送（相当于高优先级的数据）。

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

确认比特ACK——只有当ACK=1时确认号字

段才有效。当ACK=O时，确认号无效。

i

20

推送比特PSH(Push)—接收方TCP收到推送比特

置1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不

再等到整个缓存都填满了后再向上交付。

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

复位比特RST(Reset)——当RST=1时，表明TCP

连接中出现严重差错(如由于主机崩溃或其他原因)，

必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

同步比特SYN——同步比特SYN置为1,就表示

这是一个连接请求或连接接受报文。

比特08162431

源端口目的端口

序号2O

字

节

固

定

TCP确认号

首

部

首部

数据UAP需।窗口

保留RCS

偏移GKH

检验和紧急指针

选项(长度可变)填充

终止比特FIN(FINal)——用来释放一个连接。当

FIN=1时，表明此报文段的发送端的数据已发送

完毕，并要求释放运输连接。

比特08162431

源端口目的端口

序号

20

字节

确

认

号

固定

CP首部

TC部

首

数

据UAPRS

窗

保

留RCSSY□

偏

移GKHTN

检验和紧急指针

选项（长度可变）填充

窗口字段——占2字节。窗口字段用来控制对方发送

的数据量，单位为字节。TCP连接的一端根据设置的

缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对

方以确定对方的发送窗口的上限。

2O

字

节

固

定

首

部

检验和----占2字节。检验和字段检验的范围包括

首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在TCP

报文段的前面加上12字节的伪首部。

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

紧急指针字段——占16bito紧急指针指出在本报

文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。

比特08162431

2O

字

节

固

定

首

部

选项字段——长度可变。TCP首部可以有多达

40字节的可选信息，用于把附加信息传递给终点,

或用来对齐其它选项。

8.4传输控制协议TCP

TCP首部的主要选叫\\'

，最大报文段长度MSS\\\

__MSS(MaximumSegmentSize)是

rrcp报文段中的数据字段的最大长度。一

MSS告诉对方TCP：“我的缓存所能

接收的报文段的数据字段的最大长度

是MSS个字节。”

■窗口扩大因子，用于长肥管道。

■时间戳，可用于测量往返时延RTT。

59

填充字段——这是为了使整个首部长度是4字节的

整数倍。

8.4传输控制协议TCP

TCP的数据编号与确认

■TCP协议是面向字节的。TCP将所

要传送的报文看成是字节组成的数据

流，并使每一个字节对应于一个序号。

■在连接建立时，双方要商定初始序号。

TCP每次发送的报文段的首部中的序

号字段数值表示该报文段中的数据部

分的第一个字节的序号。

61

8.4传输控制协议TCP

TCP的数据编号与确认

-TCP的确认是对接收到的数据的最高

序号表示确认。接收端返回的确认号

是已收到的数据的最高序号加工因

此确认号表示接收端期望下次收到的

数据中的第一个数据字节的序号。

■为提高效率，TCP可以累积确认，即

在接收多个报文段后，一次确认。

62

8.4传输控制协议TCP

一、TCP的流量控制

■TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量典

____1

■TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就

又当前给对方设置的发送窗口数值的上限

■发送窗口在连接建立时由双方商定。但在

通信的过程中，接收端可根据自己的资源

情况，随时动态地调整对方的发送窗口上

限值（可增大或减小）。63

-------------发送窗口---------------►

a收到确认即可前移

1100101200201300301400401500501600601700701800801900

可发送---------------------------不可发送

指针

发送端要发送900字节长的数据，划分

为9个100字节长的报文段，而发送窗

口确定为500字节。

发送端只要收到了对方的确认，发送窗

口就可前未多。

发送TCP要维护一个指针。每发送一个

报文段，指针就向前移动一个报文段的

距离。

<--------------发送窗口---------------.

a收到确认即可前移

1200I20I3Oo|3Ol40。|40150050160。|601700,018001801900

卜

----------------可发送----------------------------不可发送---------->

指针---------------发送窗口前移

___________________________

|1100

101200poi500501600601700701800801900

__________A_______________

1已发送f

一已发送但-----j--------------------■可发送<An|岩；芋.

L并被确认丁未被确认

指针

发送端已发送400字节的数据，但只收到对

前200字节数据的确认，同时窗口大小不变。

现在发送端还可发送300字节。

发送端收到对方对前400字节数据的确认，但

对方通知发送端必须把窗口减小到400字节。

现在发送端最多还可发送400字节的数据。

V发送窗口前移

1100101200401500501600601700701800801900

=>

已发送.已发送但口

L并被确认一■可发送一不发送—

未被确认nJ►

指针

◄—发送窗口缩小

1100101200201300301400H01500501600601700701800801900

已发送

可发送.不可

并被确认L发送

指针

利用可变窗口大小进行流量控制

双方确定的窗口值是400

主机A主机B

SEQ=1

A还能发送300字节

SEQ=101

A还能发送200字节

；JACK=201,WIN=300允许A再发送300字节（序号201至500）

SEQ=301

A还能发送200字节（序号301至500）

SEQ=401

A还能发送100字节（序号401至500）

SEQ=201

A超时重发，但不能发送序号500以后的数据

4ACK=5O1,WIN=200

允许A再发送200字节（序号501至700）

SEQ=501

A还能发送100字节（序号501至700）

<ACK=601,WIN=0|

不允许A再发送（到序号600的数据都已收到）

8.4传输控制协议TCP

二、慢启动和拥塞避免

-发送端的主机在确定发送报文段的速

率时，既要根据接收端的接收能力，

又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。

■因此，每一个TCP连接需要有以下两

一千姆态聿量l]7丁/j

•接收端窗口rwnd(receiverwindow)又

森为通知窗口(advertisedwindow)□

•拥塞窗口cwnd(congestionwindow)□

68

接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd

工接收窗口rwnd这是接收端根据其

目前的接收缓存大小所许诺的最新的

窗口值厂是来自接收端的流量控制。一

接收端将此窗口值放在TCP报文的

首部中的窗口字段，传送给发送端。

■拥塞窗口cwnd(congestionwindow)~

是发送端根据自己估计的网络拥塞程

度而设置的窗口值，是来自发送端的

流量控制o

69

■发送端的发送窗口的上限值应当取为

接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这

两个变量中较小的一个，即应按以下

公式崎总T1

发送窗日的上限值=Min[rwnd,cwnd]

■当rwnd<cwnd时,是接收端的接收

能力限制发送窗日的最大修------

时，则是网络的拥塞

限制发送窗口的最大值方

8.4传输控制协议TCP

慢启动算法的原理

■在刚开始发送时，可先将拥塞窗口

cwnd设置为一个最大报文段MSS的

数I武I丁I-----II□

■在每收到一个对新的报文段的确认后,

将拥塞窗口增加至2倍MSS的数值。

-用这样的方法逐步增大发送端的拥塞

窗口cwnd,可以使分组注入到网络的

速率更加合理。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

慢启动拥塞避免慢启动拥塞避免

当TCP连接进行初始化时，将拥塞窗口置为1。图中

的窗口单位不使用字节而使用报文段。

慢启动门限的初始值设置为16个报文段，

即ssthresh=16。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口cwnd和接收端

窗口rwnd中的最小值。我们假定接收端窗口足够大,

因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

在执行慢启动算法时，拥塞窗口cwnd的初始值为1,

发送第一个报文段M0o

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

发送端收到ACK1（确认M0,期望收到M1）后，将

cwnd从1增大到2,于是发送端可以接着发送和

M2两个报文段。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

接收端发回ACa和ACK3O发送端每收到一个对新报

文段的确认ACK,就把发送端的拥塞窗口加倍。现在

发送端的cwnd从2增大到4,并可发送M4-M6*4

个报文段。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

「慢启动1拥塞避免~1卜慢启动I拥塞避免

发送端每收到一个对新报文段的确认ACK,就把发送

端的拥塞窗口加倍，因此拥塞窗口cwnd随着传输次

数按指数规律增长。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

慢启动拥塞避免慢启动拥塞避免

当拥塞窗口cwnd增长到慢开始门限值ssthresh时

（即当cwnd=16时），就改为执行拥塞避免算法,

拥塞窗口按线性规律增长。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

假定拥塞窗口的数值增长到24时，网络出现超时

（表明网络拥塞了）。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

更新后的ssthresh值变为12（即发送窗口数值24

的一半），拥塞窗口再重新设置为1,并执行慢启动

算法。

慢启动和拥塞避免算法的实现举例

当cwnd=12时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口

按按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一

个MSS的大小。

8.4传输控制协议TCP

乘法减小(multiplicativedecrease)

■“乘法减小”是指不论在慢启动阶段还

是拥塞避免阶段,；只要出现T次超时

(即出现一次网络拥塞)，就把慢启

动门限值ssthresh设置为当前的拥塞

窗口值乘以0.5。

■当网络频繁出现拥塞时，ssthresh值就

下降得很快，以大大减少注入到网络

中的分组数。82

8.4传输控制协议TCP

加法增大(additiveincrease)

■“加法增大”是指执行拥塞避免算法

后，当收到对所有