计算机网络 传输层

传输层

主要内容

传输层协议概述

网络体系中的传输层

g传输层中的两个协议

4端口的概念

。用户数据报协议UDP

9UDP概述

wUDP用户数据报的首部格式

。传输控制协议TCP

❖TCP概述

9TCP报文段的首部

9TCP的数据编号与确认

6TCP的流量控制与拥塞控制

9TCP的重传机制

♦采用随机早期丢弃RED进行拥塞控制

♦TCP的传输连接管理

传输层协议概述

。从通信和信息处理的角度看，传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3

低层。!

「----------------:

面向信息处理1应用层

」'用户功能

「传输层]

I_________________________J

面向通信J网络层'

数据链路层:网络功能

物理层\

传输层为相互通信的应用进程提

供了逻辑通信

主机A主机B

IP协议日勺作用范围

传输层协议TCP和UDP的作用范围

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。

♦:♦传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传输层，再

往下就共用网络层提供的服务。

“传输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”

的意思是：传输层之间的通信好像是沿水平方向传送

数据。但事实上这两个传输层之间并没有一条水平方

向的物理连接。

传输层的主要功能

。传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）。

。传输层还要对收到的报文进行差错检测。

。传输层需要有两种不同的传输协议，即面向连

接的TCP和无连接的UDPo

传输层与其上下层之间的关系

的OSI表示法

主机A|主机B

传输服务用户传输服务用户

应用层

（应用层实体）（应用层实体）

传输层服务访问点1层接口

TSAP

传输实体V-----传输协议---►传输实体传输层

层接口

网络层服务访问点,网络层

NSAP（或网际层）

传输层向上提供可靠的和不可靠

的逻辑通信信道

接

接

发

发

收

收

送

送

进

进

进

进

程

程

程

I程

数据数据数据

运

输

层

使用TCP协议使用UDP协议

传输层协议机制

1、可靠的网络服务

假定网络服务是100%可靠

传输层协议机制解决的问题:

寻址

多路复用

流控

连接建立和拆除

流控策略：

。将缓冲器溢出的TPDU简单地除去，这需要重

传，因而增加通信量。

。当缓冲区满时，拒收从网络服务来的TPDU,

对多个传输层连接多路复用单个网络连接时，

不使用这种策略。

滑动窗口技术。

信用证策略。

发送机A接收机B

6**2B准备接收7个

A可以发送7个6-®-2

5*3TPDUS

TPDUs4（0号到6号）

三

A每次发送后62匹国7''''-

B回答响应3个

721TPDUs,但除了

缩小它的窗口5，^3r__,

4尸—,6-^-2原有的预算外，只

5T3能接收-个附加的

TPDU（即B将接

5辛方＜收TPDU3到7）

A按照每个信用证70]S

调整它的窗口fijfXO

5V3N=5-

A用完了它B回答响应3个

的信用证TPDUs并恢复

原有的信用证

A接收到新

的信用证

信用证分配协议实例

2、不可靠的网络服务

对不可靠的网络服务，传输层协议要复杂得多,

传输层协议机制解决的问题：

重传策略

重复检测

流控

连接建立

连接结束

故障恢复

A注释

旧的RFC到达

RFCZYB响应，A发送一个

新的RFC

N=Z

丢弃由于次序出错，

B丢弃数据TPDU

两次握手例子

B注释

A发起一个连接

RFCY,

B接收并回答响应

ACKX

A回答响应并开始发送

旧的RFC到达

B接收并回答响应

RST.ACKYA拒绝B的连接

(b)延迟的RFC

RFCZ,A发起一个连接

B接收并回答响应

旧的RFC/ACK

到达，A拒绝

A回答响应并开始发送

(c)延迟RFC/ACK

三次握手的例子

TCP/IP体系中的传输层

U传输层中的两个协议

TCP/IP的传输层有两个不同的协议：

(1)用户数据报协议UDP

(UserDatagramProtocol)

(2)传输控制协议TCP

(TransmissionControlProtocol)

TCP与UDP

两个对等传输实体在通信时传送的数据单位叫作

传输协议数据单元TPDLI(TransportProtocol

DataUnit)o

TCP传送的数据协议单位是TCP报文段

(segment)

UDP传送的数据协议单位是UDP报文或用户数

据报。

TCP/IP体系中的传输层协议

传输层

TCP与UDP

。UDP在传送数据之前不需要先建立连接。对

方的传输层在收到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

向连接的传输服务，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。

还要强调两点

。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，但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。

端口的概念

端口就是传输层服务访问点TSAPo

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，端口是用来标志应用层的进程。

♦端口在进程之间的通信中所起的作用

厂发送方、、接收》

/'/\

应用进程应用进程

应

用[zTs.rETs.rEi\r=i^

层

运

3□□[O-D炳

输

TCP复用UDP复用分用

层TCP分用UDP

UDP:UDP：

TCP报文段用户数据报TCP报文段用户数据报

7।

网

络IP复用IP分用

层

.y\—.

IPIP数据报

端口

♦：♦端口用一个16bit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。在因

特网中不同计算机的相同端口号是没有联

系的。

两类端口

。一类是熟知端口，其数值一般为0~1023。当

一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个

熟知端口。

。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。

插口(socket)

。TCP使用“连接”(而不仅仅是“端口”)作为最

基本的抽象，同时将TCP连接的端点称为插口

(socket),或套接字、套接口。

♦：.插口和端口、IP地址的关系是：

IP地址端口号

31500

插口(SOCket)|131.623.13,15。

用户数据报协议UDP

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，即端口的功能和差错检测的功能。）

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。

力发送数据之前不需要建立连接

9UDP的主机不需要维持复杂的连接状态表。

9UDP用户数据报只有8个字节的首部开销。/'

小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。

端口是用报文队列来实现

应TFTP客户TFTP服务器

用

层1

/X/X

出队列入队列出队列入队列

运

输

层

UDP端口51000

UDP用户数据报

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

;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

数''据

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

「前i.-1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

首部数、百

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

计算UDP检验和的例子

1001100100010011一153.19

040000100001101000->8.104

12字节

1010101100000011T171.3

伪首部1

全017150000111000001011->14.11

8字节1087130000000000010001T0和17

一15\

UDP首部,15全00000000000001111

0000010000111111―1087

7字节数据数据数据-13\

0000000000001101

数据数据数据金0

0000000000001111-15f

填充0000000000000000一0（检验和）

0101010001000101T数据

0101001101010100一数据

0100100101001110

0100011100000000一数据和0（填充）

按二进制反码运算求和1001011011101101T求和得出的结果

将得出的结果求反码0110100100010010一检验和

_____________________________________________________________________

请注意：进行反码运算求和时，最高位有进位2,这个2应当加到最低位。j

UDP的复用、分解与端口

❖提供复用和分解的功能，这种复用和分

解的功能是通过端口机制来实现的。

❖UDP端口号的指定方式：

由某些管理机构指定的称为著名端口，

供用户使用。

动态绑定方式，由应用程序指定端口o

UDP的分解操作

一十~传输控制协议TCP

TCP概述

"、±L1J

友送师接收端

TCP协议功能

⑴定义了两台计算机之间进行可靠的传输而交换的数

据和确认信息的格式。

⑵允许一台计算机上的多个应用程序同时进行通信，

也能对接收到的数据进行分解，分别送到多个程序。

⑶使用连接而不是协议端口作为基本的抽象概念，连

接是用一对端点来标识的。

(4)是一个面向连接的协议，即在TCP进行互联网络通信

之前，通信双方必须先建立连接，然后再进行通信。

⑸将数据流看做字节的序列，为了便于传输又将这个

序列划分为若干段。

(6)使用专门的滑动窗口机制来解决传输效率和流量控

制这两个问题。

32bit

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V

序号Q

2O

字

节

定

固

立

首

口

f

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。

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）。

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。

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。

MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。

数据字段加上TCP首部

才等于整个的TCP报文段。

选项(长度可变)I填充

选项字段一一长度可变。TCP只规定了一种选项，即最大报文段长度

MSS(MaximumSegmentSize)0MSS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。”

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。1

。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。

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1o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。

TCP的流量控制与拥塞控制

1.滑动窗口的概念

❖TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口

大小的单位是字节。

。在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前

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。但在通信的闻

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）。

-------------发送窗口--------------►

—----＞收到确认即可前移

1100101200201300301400401500501600601700701800801900

卜

--------------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

子下O

。发送端只要收到了对方的确认，发送窗口就可

前移。

。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--------------►

—----＞收到确认即可前移

1100101200201300301400401500501600601700701800801900

卜

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

指针--------------发送窗口前移------------

=><

|1100

1012001koi500501600601700701800801900

1卜1

已发送—已发送但J-------可发送-------不发送—

r并被确认~未被确认nJ

指针

♦：♦发送端已发送了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。

♦:♦发送端收到了对方对前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。

«-------------发送窗口前移-----------

1100101200401500501600601700701800801900

i卜

已发送.已发送但口

L并被确认一可发送-------不发送—

未被确认k-------♦nJ

指针

发送窗口缩小

1

|1100

101200201300301400|Loi500501600601700701800801900

一不可‘

<__________已发送___________J『L_________HPTJ仪岩达;/》>

并被确认|L发送7

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=1TA还能发送300字节

ISEQ=101/A还能发送200字节

SEQ=2Q，

V”I

AGK二WIN=3叩允许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

AA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

I.ACK=501.WIN=20。

允许A再发送200字节（序号501至700）

ISEQ=501」

丁TTTF].|A还能发送100字节（序号501至700）

1.ACK=601.WIN=0]

不允许A再发送（到序号600的数据都已收至IJ）

2慢开始和拥塞避免

。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连接需要有以下两个状态变

量：

力接收端窗口rwnd(receiverwindow)又称为通

知窗口(advertisedwindow)o

《拥塞窗口cwnd(congestionwindow)。

接收端窗口rwnd和

拥塞窗口cwnd

♦(1)接收端窗口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，是来自接

收端的流量控制。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。I

♦(2)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。

发送窗口的上限值

”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,

即应按以下公式确定：

发送窗口的上限值=Min[rwnd,cwnd]

当rwnd<cwnd时，是接收端的接收能力限制发送

窗口的最大值。

当cwnd<rwnd时，则是网络的拥塞限制发送窗口

的最大值。

慢开始算法的原理

。在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口

cwnd设置为一个最大报文段MSS的数值。

。在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞

窗口增加至多一个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。

乘法减小

(multiplicativedecrease)

♦:♦“乘法减小”是指不论在慢开始阶段还是拥

塞避免阶段，只要出现一次超时(即出现

一次网络拥塞)，就把慢开始门限值设置

为当前的拥塞窗口值乘以0.5o

。当网络频繁出现拥塞时，慢开始门限值就

下降得很快，以大大减少注入到网络中的

分组数。

加法增大

(additiveincrease)

。“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，当

收到对所有报文段的确认就将拥塞窗口

cwnd增加一个MSS大小，使拥塞窗口缓

慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

必须强调指出

。拥塞避免”并非指完全能够避免了

拥塞。利用以上的措施要完全避免

网络拥塞还是不可能的。

。“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段

把拥塞窗口控制为按线性规律增长,

使网络比较不容易出现拥塞。

3.快重传和快恢复

。快重传算法规定，发送端只要一连收到三

个重复的ACK即可断定有分组丢失了，

就应立即重传丢失的报文段而不必继续等

待为该报文段设置的重传计时器的超时。

。不难看出，快重传并非取消重传计时器，

而是在某些情况下可更早地重传丢失的报

文段。

，:快重传举例

主机A主机B

M1,M2

A

A发送Mi和M2

ACK2,ACK3

B确认MI和M2

A发送M3但丢失了

八

M4

A发送M4

ACK3

B只能再次确认M2（因为M3没有收到）

A发送M5

ACK3B发送第二个重复确认ACK3

M6

A发送M6

ACKR

B发送第三个重复确认ACK3

A收到了三个重复的确认A