《计算机网络运输层》课件

计算机网络运输层计算机网络的运输层是网络协议栈中负责数据传输的重要层级。它提供可靠的端到端数据传输服务，管理数据流的建立、维护和终止，确保数据完整性并处理错误。运输层概述网络模型中的位置运输层位于网络模型中的第四层，位于网络层之上，应用层之下。提供服务运输层为应用层提供服务，将数据从源主机传输到目标主机，并提供数据可靠性保障。协议类型运输层主要包含两种协议：TCP和UDP，它们提供不同的服务，满足不同应用需求。传输数据运输层负责将应用层的数据分割成数据报文，并添加头部信息，以便进行传输。运输层协议的作用和功能数据分组将应用层的数据分段成更小的数据包，以便在网络中传输。可靠数据传输确保数据包按顺序到达目的地，并解决数据丢失或损坏问题。连接管理建立和维护网络连接，以便应用层进程之间进行通信。流量控制控制数据发送速度，防止接收方被数据淹没。TCP/IP协议族中的运输层1网络层之上位于网络层的IP协议之上，直接与网络层交互，为应用层提供可靠的数据传输服务。2协议族中的重要组成部分TCP/IP协议族中不可或缺的一部分，负责数据在不同主机之间传输的可靠性和效率。3两个主要协议TCP和UDP，提供不同级别的服务，满足不同应用场景的需求。什么是TCP?传输控制协议TCP是一种面向连接的协议。这意味着在传输数据之前，发送方和接收方需要建立一个连接。然后，数据在连接上可靠地传输，确保数据完整无缺地到达目的地。可靠性TCP提供了可靠的数据传输，可以保证数据按顺序到达，并且没有丢失或损坏。TCP使用校验和、序号、确认机制等技术来实现可靠传输。TCP基本原理1连接建立发送SYN报文，等待对方确认2数据传输可靠的数据传输，保证数据完整性和顺序3连接释放发送FIN报文，结束连接TCP使用面向连接的传输方式，在传输数据之前需要建立连接。连接建立过程中，双方交换SYN报文进行握手，确认连接成功。传输数据过程中，TCP通过序号、确认号、校验和等机制保证数据传输可靠性，并采用窗口机制和拥塞控制来提高传输效率。TCP连接建立TCP连接建立采用三次握手协议。1SYN客户端向服务器发送连接请求2SYN/ACK服务器确认请求，并发送同步确认3ACK客户端确认同步确认三次握手确保双方都准备好通信，并防止旧连接影响新连接建立。TCP可靠数据传输1顺序控制TCP确保数据包按顺序到达目的地。发送方对数据包进行编号，接收方按顺序组装数据包。2确认机制接收方确认收到数据包，发送方收到确认信息后，才会发送下一个数据包。3超时重传发送方设定超时时间，如果在超时时间内没有收到确认信息，就会重新发送数据包。TCP窗口机制滑动窗口TCP使用滑动窗口机制来提高数据传输效率，避免不必要的等待。窗口大小窗口大小表示接收方能够接收的最大数据量，通常以字节数为单位。窗口移动随着数据确认的接收，窗口会向前滑动，允许发送方发送更多数据。流量控制窗口机制可以有效地控制网络流量，防止接收方被过多的数据淹没。TCP拥塞控制1慢启动缓慢增加发送窗口大小2拥塞避免线性增加发送窗口大小3快重传快速重传丢失数据段4快恢复快速恢复连接状态TCP拥塞控制机制旨在避免网络过载，保证网络的稳定性。通过慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复等机制，TCP能够有效地控制发送速率，防止网络拥塞。TCP流量控制1发送方控制发送方根据接收方缓冲区大小，调整发送速率。2接收方窗口接收方告知发送方可接收数据量大小。3滑动窗口发送方维护一个窗口，记录已发送但未确认的数据。4确认机制接收方发送确认信息，告知发送方已接收数据。TCP流量控制是防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出，从而实现可靠数据传输的关键机制。TCP分段和重组分段TCP将数据分成多个数据段，每个数据段都有自己的序号和校验和，以便在网络传输中进行可靠的数据传输。传输这些数据段在网络中以IP数据报的形式传输，并可能被路由器拆分成更小的数据报。重组接收方根据数据段的序号对接收到的数据段进行排序，并检查校验和，以确保数据完整性和正确性。重组完成当所有数据段都到达并被重组后，TCP将完整的应用程序数据交付给应用程序。TCP头部格式TCP头部包含10个字段，共20个字节。每个字段都具有特定功能，用于确保可靠的数据传输。这些字段包括：源端口号、目标端口号、序号、确认号、数据偏移、保留、标志位、窗口大小、校验和、紧急指针。TCP状态转换图TCP状态转换图展示了TCP连接在整个生命周期中不同状态之间的转换过程。从初始状态到最终的关闭状态，连接经历了一系列状态的转换，例如监听、建立连接、数据传输和关闭连接。每个状态代表了连接当前的运行状态，并根据事件的触发进行状态转换。该图能够清晰地展现TCP连接的状态变化规律，帮助理解TCP连接的建立和关闭过程。什么是UDP?无连接协议UDP是无连接协议，不建立连接即可发送数据。速度快不需要建立连接，因此效率更高，延迟更小。不可靠UDP不保证数据传输可靠性，可能丢失数据。UDP基本原理1无连接UDP是无连接的协议，这意味着数据传输前不需要建立连接。2不可靠传输UDP不提供数据可靠传输，数据包可能会丢失、乱序到达，或重复到达。3面向报文UDP将数据封装成报文，每个报文包含目标地址和端口号。UDP头部格式UDP头部包含8个字节，包含源端口号、目标端口号、长度和校验和。源端口号和目标端口号分别标识发送和接收应用程序。长度字段包含整个UDP数据报（包括头部和数据）的长度。校验和字段用于检测数据报在传输过程中的错误。UDP的优缺点优点：简化UDP协议简单，头部信息少，开销小，传输速度快。优点：实时性UDP协议不进行可靠性校验，适合实时应用，例如视频会议和直播。缺点：不可靠UDP协议不提供数据重传机制，可能会导致数据丢失或乱序。缺点：无错误控制UDP协议不进行数据完整性校验，无法保证数据传输的准确性。TCP与UDP的比较TCP特点TCP是一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输服务。数据传输之前必须建立连接，并确保数据可靠传输，适用于对数据可靠性要求高的场景。UDP特点UDP是一种无连接的协议，不保证数据传输的可靠性。数据传输无需建立连接，速度更快，适用于对数据传输速度要求高，对数据可靠性要求不高的场景。应用场景例如，网页浏览、文件传输等需要保证数据可靠性的应用通常使用TCP协议，而视频通话、网络游戏等对数据传输速度要求高，对数据可靠性要求不高的应用通常使用UDP协议。应用层协议与运输层的关系相互依赖应用层协议依靠运输层提供服务，例如可靠数据传输或数据报传送。数据交互应用层协议向运输层传递数据，运输层则将数据封装成数据报或段，发送给网络层。协同工作应用层协议和运输层协议协同工作，为用户提供各种网络应用服务，例如电子邮件、网页浏览等。SCTP协议简介SCTP简介流控制传输协议(SCTP)是一个可靠的、面向连接的传输层协议。用于提供可靠的数据传输服务，适用于需要高可靠性和安全性场景。主要特点SCTP提供数据完整性保障，拥有更高的安全性。同时支持多路径传输，提高了数据传输效率。SCTP的特点和应用可靠性SCTP提供可靠的数据传输，与TCP相似，确保数据按顺序到达目的地，并处理数据丢失和错误。多路径SCTP支持多路径传输，允许数据通过多个网络接口或路径发送，提高了网络的容错性和效率。安全性SCTP协议提供了身份验证和加密功能，增强了数据传输的安全性，防止数据被窃取或篡改。QUIC协议简介基于UDP的可靠传输QUIC协议是基于UDP的可靠传输协议，与TCP相比，它在性能和安全性方面都有提升。面向连接的协议QUIC协议本质上是面向连接的，但它通过建立一个连接来传输多个流，提高了传输效率。快速连接建立QUIC协议采用更快的握手机制，减少连接建立时间，提升用户体验。QUIC的创新点基于UDPQUIC协议基于UDP协议，与TCP相比，它更加轻量级，可以更快地建立连接。多路复用QUIC协议支持在单个UDP连接上同时传输多个数据流，这可以有效地提高数据传输效率。加密和认证QUIC协议默认使用TLS协议进行加密和认证，可以确保数据传输的安全性。流量控制和拥塞控制QUIC协议提供了流量控制和拥塞控制机制，可以确保数据传输的可靠性和稳定性。未来运输层发展趋势网络多样性移动网络、物联网、云计算等技术的迅速发展，对运输层提出了新的需求。高性能网络带宽不断提升，需要更高效的协议和技术以充分利用网络资源。安全网络安全问题日益突出，需要更安全可靠的运输层协议来保障数据传输。移动性移动设备的普及需要运输层协议能够适应各种网络环境，并提供良好的移动性支持。本章小结运输层运输层是计算机网络协议栈中的重要组成部分。它为上层应用提供可靠数据传输和流量控制等服务。关键概念TCP和UDP是两种常见的运输层协议。TCP提供可靠数据传输，UDP提供不可靠数据传输。协议比较TCP和UDP各有优缺点，选择合适的协议取决于应用场景。SCTP和QUIC是新兴的运输层协议，它们在某些方面优于TCP和UDP。复习思考题本章内容为计算机网络的重要基础，掌握运输层协议的功能和特点至关重要。以下是一些思考题，帮助你巩固所学内容。1.TCP和UDP的区别是什么？2.TCP如何保证数据传输的可靠性？3.TCP的拥塞控制机制有哪些？4.UDP适用于哪些应用场景？5.简述SCTP协议的特点及其应用场景。6.QUIC协议的创新点有哪些？拓展阅读推荐深入研究想要更深入地了解计算机网络传输层，推荐阅读《计算机网络》教材，例如谢希仁老师的《计算机网络》第五版。相关技术了解TCP/IP协议族的其他层，例如网络层和数据链路层，推荐阅读《TCP/