计算机网络(第三版)第7章：传输层.ppt

1、第7章 传输层,计算机网络 第7章 传输层,2,本章学习要求：,了解：网络环境中分布式进程通的基本概念。 掌握：进程相互作用的Client/Server模型。 掌握：传输层的基本功能与服务质量。 掌握：用户数据报协议UDP。 掌握：传输控制协议TCP。,计算机网络 第7章 传输层,3,7.1 传输层与传输层协议,计算机网络 第7章 传输层,4,网络层及以下的各层实现了网络中主机之间的通信，但是数据通信不是最终的目的; 计算机网络最本质的活动是分布在不同地理位置的主机之间的进程通信，以实现各种网络服务功能; 设置传输层的主要目的就是要实现分布式进程通信。,传输层的基本功能,计算机网络 第7章 传

2、输层,6,1.网络环境中分布式进程通信需要解决：,寻址方法 多重协议的识别,计算机网络 第7章 传输层,7,2.网络环境中进程标识,在一台计算机中，不同的进程用进程号或进程标识（process ID）惟一地标识出来。 网络环境中完整的进程标识应该是： 本地主机地址-本地进程标识 ； 远程主机地址-远程进程标识。 进程地址也叫做端口号（port number）。,计算机网络 第7章 传输层,8,端口号(port number)简称为端口(port),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，剩下的工作就由 传输层来完

3、成。,计算机网络 第7章 传输层,9,公认端口（Well-KnownPorts）：这类端口也常称之为“熟知端口”。这类端口的端口号从0到1023 ，它们紧密绑定于一些特定的服务。 注册端口（RegisteredPorts）：端口号从1023到49151。它们松散地绑定于一些服务 。 动态和/或私有端口（Dynamicand/orPrivatePorts）：端口号从49152到65535。理论上，不应把常用服务分配在这些端口上。 有称为临时端口。,计算机网络 第7章 传输层,10,3.多重协议的识别,传输层有TCP协议和UDP协议； 网络环境中一个进程的全网惟一的标识需要一个三元组来表示：协议，

4、本地地址，本地端口号。,计算机网络 第7章 传输层,11,网络环境中一个完整的进程通信标识需要一个五元组来表示： 协议 本地地址 本地端口号 远地地址 远地端口号,计算机网络 第7章 传输层,12,传输层协议与其他协议的层次关系,计算机网络 第7章 传输层,13,4.传输协议数据单元,传输层之间传输的报文叫做传输协议数据单元（ Transport Protocol Unit，TPDU）； TPDU有效载荷是应用层的数据。,计算机网络 第7章 传输层,14,7.2 用户报文协议UDP7.2.1 UDP协议的主要特点,UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议； 在完成进程到进程的通信中提供了有限的

5、差错检验功能； 设计比较简单的UDP协议的目的是希望以最小的开销来达到网络环境中的进程通信目的； 进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，那么可以使用UDP协议。,计算机网络 第7章 传输层,15,7.2.2 UDP的基本工作过程,UDP用户数据报传输过程中的封装与拆封,进程数据,UDP数据,进程,UDP头,IP分组的数据部分,IP头,帧数据,帧头,进程数据,UDP数据,进程,UDP头,IP分组的数据部分,IP头,帧数据,帧头,发送端,接收端,帧尾,帧尾,计算机网络 第7章 传输层,16,UDP 用户数据报的首部格式,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度

6、,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,计算机网络 第7章 传输层,17,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,0,17,IP 分组,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,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。,计算机网络 第7章 传输层,18,伪首部,源端口,目的端口,

7、长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 分组,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,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。,计算机网络 第7章 传输层,19,7.2.3 UDP熟知端口号,计算机网络 第7章 传输层,20,7.3.4 UDP数据报格式,计算机网络 第7章 传输层,21,UDP检验和的检验范围： 伪头部 UDP头 应用层数据,计算机网络 第7章 传输层,22,计算机网络 第7章 传输层,23,7.3 传输控制协

8、议TCP7.3.1 TCP协议的主要特点,TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议； TCP协议建立在不可靠的网络层IP协议之上，IP不能提供任何可靠性机制，TCP的可靠性完全由自己实现； 提供全双工通信； 面向字节流； TCP采用的最基本的可靠性技术是： 确认与超时重传； 流量控制。,TCP 面向流的概念,发送 TCP 报文段,发送方,接收方,把字节写入 发送缓存,从接收缓存 读取字节,应用进程,应用进程,18,17,16,15,14,H,加上 TCP 首部 构成 TCP 报文段,TCP,TCP,字节流,字节流,H,表示 TCP 报文段的首部,x,表示序号为 x 的数据字节,TCP 连接,计

9、算机网络 第7章 传输层,25,7.3.2 TCP的端口号分配和Socket地址,TCP常用的熟知端口号,端口号,服务进程,说明,文件传输协议（控制连接）,20,FTP,文件传输协议（数据连接）,21,FTP,23,Telnet,虚拟终端网络,25,SMTP,简单邮件传输协议,80,HTTP,超文本传输协议,111,RPC,远程过程调用,计算机网络 第7章 传输层,26,7.3.3 TCP报文段格式,TCP头部,数据,源端口号,目的端口号,序号,头部长度,校验和（16位）,窗口大小,选项及填充,确认号,保留,URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN,紧急指针,0,15,16,31,用三次

10、握手建立 TCP 连接,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,A 的 TCP 向 B 发出连接请求报文段，其首部中的 同步位 SYN = 1，并选择序号 seq = x，表明传送 数据时的第一个数据字节的序号是 x。,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,B 的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则 发回确认。 B 在确认报文段中应使 SYN = 1，使 ACK = 1， 其确认号ack = x 1，自己选择的序号 seq = y。,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,A 收到此报文段后向 B 给出确认，其 ACK = 1， 确认号 ack = y 1

11、。 A 的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,B 的 TCP 收到主机 A 的确认后，也通知其上层 应用进程：TCP 连接已经建立。,用三次握手建立 TCP 连接的各状态,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,CLOSED,数据传送,ESTAB- LISHED,ESTAB- LISHED,A,B,客户,服务器,CLOSED,TCP 的连接释放,数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。 现在 A 的应用进程先向其 TCP 发出连接释放 报文段，并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接。 A 把连接释放报文段首部的 FIN =

12、1，其序号 seq = u，等待 B 的确认。,数据传送,通知 应用 进程,ESTAB- LISHED,ESTAB- LISHED,A,B,客户,服务器,B 发出确认，确认号 ack = u 1， 而这个报文段自己的序号 seq = v。 TCP 服务器进程通知高层应用进程。 从 A 到 B 这个方向的连接就释放了，TCP 连接 处于半关闭状态。B 若发送数据，A 仍要接收。,数据传送,ESTAB- LISHED,ESTAB- LISHED,A,B,客户,服务器,数据传送,若 B 已经没有要向 A 发送的数据， 其应用进程就通知 TCP 释放连接。,数据传送,ESTAB- LISHED,EST

13、AB- LISHED,A,B,客户,服务器,数据传送,A 收到连接释放报文段后，必须发出确认。,数据传送,ESTAB- LISHED,ESTAB- LISHED,A,B,客户,服务器,数据传送,在确认报文段中 ACK = 1，确认号 ack w 1， 自己的序号 seq = u + 1。,ACK = 1, seq = u + 1, ack = w 1,ACK = 1, seq = u + 1, ack = w 1,FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack= u 1,FIN- WAIT-1,CLOSE- WAIT,FIN- WAIT-2,LAST- ACK,被动关闭,数据传送

14、,ESTAB- LISHED,ESTAB- LISHED,A,B,客户,服务器,数据传送,CLOSED,5.9.2 TCP 的连接释放,TCP 连接必须经过时间 2MSL 后才真正释放掉。,A 必须等待 2MSL 的时间,为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。,计算机网络 第7章 传输层,41,7.3.5 TCP流量与拥塞控制,TCP的数据编码与确认,计算机网络 第7章 传输层,42,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,可发送,不可发送,发送端要发送 9

15、00 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。,计算机网络 第7章 传输层,43,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可发送,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,发送窗口,可发送,不可发送,发送窗

16、口前移,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。,计算机网络 第7章 传输层,44,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,已发送 并被确认,已发送但 未被确认,可发送,不可发送,指针,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可 发送,指针,发送窗口前移,发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认，但对方通

17、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。,计算机网络 第7章 传输层,45,2. 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： 接收端窗口 rwnd (receiver window) 又称为通知窗口(advertised window)。 拥塞窗口 cwnd (congestion window)。,计算机网络 第7章 传输层,46,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

18、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。 (2) 拥塞窗口 cwnd (congestion window) 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。,计算机网络 第7章 传输层,47,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

19、塞限制发送窗口的最大值。,计算机网络 第7章 传输层,48,7.3.6 TCP差错控制,差错检测和纠正 检验和 确认 超时,针对的几种情况 受损伤的报文段 丢失的报文段 重复的报文段 乱序的报文段 丢失的确认,计算机网络 第7章 传输层,49,传输出错报 文段的处理,计算机网络 第7章 传输层,50,丢失的报文段,计算机网络 第7章 传输层,51,7.3.7 TCP的计时器,重传计时器(P303) 为了控制丢失的或丢弃的报文段，TCP使用了处理报文段的确认的等待重传时间的重传计时器。 坚持计时器(P307) TCP为每一个连接使用一个坚持计时器； 当发送方的TCP收到一个窗口大小为零的确认时，就需要启动坚持计时器; 当坚持计时器期限到时，发送方的TCP就发送一个特殊的探测报文段。,计算机网络 第7章 传输层,52,保持计时器(P298) 保持计时器是用来防止在两个TCP之间的连接处以长时期空闲。 时间等待计时器(P300) 时间等待计时器是在连接终止期间使用的； 当TCP关闭一个连