第08章运输层

1第8章运输层运输协议(transportprotocol)是整个网络体系结构中的关键之一。8.1运输协议概述8.2TCP/IP体系中的运输层8.3用户数据报协议UDP8.4传输控制协议TCP2重点1.重点介绍UDP协议和TCP协议2.端口概念3.TCP的各种机制（面向连接的可靠服务、序号、确认、窗口、拥塞控制等）4.TCP连接管理（三次握手和两次释放）3难点1.TCP的数据编号与确认2.TCP的窗口和拥塞控制3.为什么需要三次握手4.TCP连接状态图48.1运输协议概述从通信和信息处理的角度看，运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低层。运输层只存在于通信子网以外的主机中，在通信子网中没有运输层。567运输层为应用进程之间提供逻辑通信，但网络层是为主机之间提供逻辑通信。8OSI使用了简洁的抽象方法将运输层与其上下层之间的关系归纳如下图所示。9运输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，它使应用进程看见的就是好像在两个运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运输层使用的不同协议而有很大的差别。当运输层采用面向连接的TCP协议时，尽管下面的网络是不可靠的(即只提供尽最大努力服务)，但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。但当运输层采用无连接的UDP协议时，这种逻辑通信信道则是一条不可靠信道。在下图中将可靠信道画成一个管道，这意味着报文在这样的“管道”中运输时，可以做到无差错、按序(接收的顺序和发送的顺序一样)、无丢失和无重复。10118.2TCP/IP体系中的运输层运输层中的两个协议TCP/IP的运输层有两个不同的协议，它们都是因特网的正式标准，即：（1）用户数据报协议–UDP(UserDatagramProtocol)（2）传输控制协议–TCP(TransmissionControlProtocol)1213端口的概念UDP和TCP都使用了与应用层接口处的端口(port)与上层的应用进程进行通信。14若没有端口，运输层就无法知道数据应当交付给应用层的哪一个进程。端口是用来标识应用层的进程。端口号分为两类。一类是由因特网指派名字和号码公司ICANN负责分配给一些常用的应用层程序固定使用的熟知端口(well-knownport)，其数值一般为0~1023，见[RFC1700]。例如，FTP用21，TELNET用23，SMTP用25，DNS用53，HTTP用80，SNMP用161，等等。当一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个熟知端口，否则其他的应用进程就无法和它进行交互。1516插口包括IP地址(32bit)和端口号(16bit)，共48bit。插口和端口、IP地址的关系如下图所示。178.3用户数据报协议UDP用户数据报的用途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，例如：(1)发送数据之前不需要建立连接(当然发送数据结束时也没有连接需要释放)，因而减少了开销和发送数据之前的时延。UDP没有拥塞控制，也不保证可靠交付，因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。UDP用户数据报只有8个字节的首部开销，比TCP的20个字节的首部要短。18由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。下表给出了一些应用和应用层协议主要使用的运输层协议(UDP或TCP)。1920通常用UDP的报文队列来具体实现一个UDP端口，如下图所示。21用户数据报的格式用户数据报UDP有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段很简单，只有8个字节，由4个字段组成，每个字段都是两个字节。各字段意义如下所述。源端口字段：源端口号。目的端口字段：目的端口号。长度字段：UDP用户数据报的长度。检验和字段：防止UDP用户数据报在传输中出错。22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017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数据报23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017IP数据报字节44112122222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。1001100100010011→153.190000100001101000→8.1041010101100000011→171.30000111000001011→14.110000000000010001→0和170000000000001111→150000010000111111→10870000000000001101→130000000000001111→150000000000000000→0（检验和）0101010001000101→数据0101001101010100→数据0100100101001110→数据0100011100000000→数据和0（填充）1001011011101101→求和得出的结果0110100100010010→检验和153.19.8.104171.3.14.1112字节伪首部8字节UDP首部7字节数据填充按二进制反码运算求和将得出的结果求反码全0171510871315全0数据数据数据数据数据数据数据全01001100100010011→153.190000100001101000→8.1041010101100000011→171.30000111000001011→14.110000000000010001→0和170000000000001111→150000010000111111→10870000000000001101→130000000000001111→150000000000000000→0（检验和）0101010001000101→数据0101001101010100→数据0100100101001110→数据0100011100000000→数据和0（填充）1001011011101101→求和得出的结果0110100100010010→检验和153.19.8.104171.3.14.1112字节伪首部8字节UDP首部7字节数据填充全0171510871315全0数据数据数据数据数据数据数据全0258.4传输控制协议TCPTCP是TCP/IP体系中面向连接的运输层协议，它提供全双工的可靠交付的服务。TCP报文段的首部一个TCP报文段分为首部和数据两部分。TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4N字节是根据需要而增加的选项(N必须是整数)。因此TCP首部的最小长度是20字节。TCP是面向连接的运输层协议。每一条TCP连接只能有两个端点(endpoint)，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）。TCP提供可靠交付的服务。TCP提供全双工通信。面向字节流。TCP最主要的特点TCP面向流的概念768H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1230181716151419202145131211H109H加上TCP首部构成TCP报文段TCPTCP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连接应当注意TCP连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。TCP对应用进程一次把多长的报文发送到TCP的缓存中是不关心的。TCP根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP发送的报文长度是应用进程给出的）。TCP可把太长的数据块划分短一些再传送。TCP也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。TCP的连接TCP把连接作为最基本的抽象。每一条TCP连接有两个端点。TCP连接的端点不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。TCP连接的端点叫做套接字(socket)或插口。端口号拼接到(contatenatedwith)IP地址即构成了套接字。套接字(socket)套接字socket=(IP地址:端口号)(5-1)每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：TCP连接::={socket1,socket2}={(IP1:port1),(IP2:port2)}(5-2)同一个名词socket有多种不同的意思应用编程接口API称为socketAPI,简称为socket。socketAPI中使用的一个函数名也叫作socket。调用socket函数的端点称为socket。调用socket函数时其返回值称为socket描述符，可简称为socket。在操作系统内核中连网协议的Berkeley实现，称为socket实现。TCP首部20字节的固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431填充TCP数据部分TCP首部TCP报文段IP数据部分IP首部发送在前TCP报文段的首部格式TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充源端口和目的端口字段——各占2字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充序号字段——占4字节。TCP连接中传送的数据流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。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充数据偏移（即首部长度）——占4位，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”的单位是32位字（以4字节为计算单位）。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充保留字段——占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充紧急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)。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充确认ACK——只有当ACK1时确认号字段才有效。当ACK0时，确认号无效。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充推送PSH(PuSH)——接收TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充复位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