第五部分运输层

计算机工程系计算机网络第五部分运输层计算机工程系主要知识点端到端通信的概念运输层的主要功能用户数据报协议UDP传输控制协议TCP计算机工程系1端到端通信的概念问题：通信双方如何识别？即通信进程如何标识？IP层功能运输层功能计算机工程系1端到端通信的概念IP地址－》标识不同的主机或设备，即标识通信中的“点设备”;点设备中的通信进程如何标识？端口号，即用一个16bit的端口号来标识。因此，不同点设备上的进程之间的通信也称为端到端通信；而点设备之间的通信称为点到点通信。计算机工程系1端到端通信的概念运输层实现的是端到端的通信。端到端通信是依赖于点到点的通信来实现，也可以说是多个端到端通信通过复用一个点到点通信的信道来实现。因此，运输层提供应用进程之间的逻辑通信。而IP层提供的是点设备之间的逻辑信道。运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信54321应用进程应用进程运输层提供应用进程间的逻辑通信IP层AP1AP2AP4端口端口54321AP3主机A主机B路由器1路由器2AP1LAN2WANAP2AP3AP4LAN1IP协议的作用范围运输层协议TCP和UDP的作用范围计算机工程系1端到端通信的概念运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运输层，再往下就共用网络层提供的服务。“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。计算机工程系运输层协议和网络层协议的主要区别应用进程…应用进程…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）因特网计算机工程系2运输层的主要功能运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）。由于应用进程之间的通信需求不同，有的需要尽力而为的传输，有的需要可靠传输，如何实现？运输层还要对收到的报文进行差错检测。运输层针对两种不同的需求提供了两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。试想：为什么IP层不提供两种不同服务？计算机工程系运输层的端口如何寻址？端口，即协议端口，16bit，取值范围为0～65535（216−1）。针对不同的传输层协议，有各自独立的取值空间；但同一个协议取值空间相同。例如UDP和TCP分别对应不同的端口号取值空间，但TCP中所有进程在同一个空间取值，不能重复。同一台点设备上同一个协议不同进程的端口号不能相同！！计算机工程系软件端口与硬件端口为了便于与网络设备中端口混淆：在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口。路由器或交换机上的端口是硬件端口。硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口，而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址。计算机工程系三类端口如何分配端口号？熟知端口，数值一般为0~1023。登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在IANA登记，以防止重复。客户端口号或短暂端口号，数值为49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。计算机工程系用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)运输层采用无连接的UDP协议时，这种逻辑通信信道是一条不可靠信道，提供尽力而为服务。运输层的两个主要协议计算机工程系传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)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（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。运输层的两个主要协议计算机工程系运输层的两个主要协议TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层计算机工程系因此，运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），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。运输层的两个主要协议计算机工程系运输层的两个主要协议UDP在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到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、面向连接的运输服务，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。计算机工程系运输层的两个主要协议运输层的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用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。TCP报文段是在运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运输层是否建立了TCP连接。计算机工程系3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。计算机工程系3用户数据报协议UDPUDP的主要特点UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。UDP是面向报文的。UDP没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。UDP的首部开销小，只有8个字节。计算机工程系UDP是面向报文的IP数据报的数据部分IP首部IP层UDP首部UDP用户数据报的数据部分运输层应用层报文应用层计算机工程系面向报文的UDP发送方UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。接收方UDP对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。应用程序必须选择合适大小的报文。计算机工程系UDP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用户数据报计算机工程系UDP基于端口的分用IP层UDP数据报到达端口2端口3端口1UDP分用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。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。计算UDP检验和的例子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0计算机工程系UDP报文实例以下为网络分析工具捕捉到的数据帧，对其中的UDP报文的构成进行分析。ffffffffffff001320dc57b208004500004319a600008011d4da0a014229ffffffff03ec03ec002f1ccb640a00001108000000352e302e302e3732041083190a014229ec03000000000000000025050000计算机工程系UDP报文实例数据描述03ec源端口100403ec目的端口1004002f数据报长度（47）1ccb校验和（OK）640a00001108000000352e302e302e3732041083190a014229ec03000000000000000025050000数据（39字节）计算机工程系4传输控制协议TCPTCP协议是运输层的重要协议，提供可靠传输机制。主机A主机B应用进程PA应用进程PB标定：（IP+Port）虚电路方式，由于其依赖IP层的不可靠传送机制实现，因此如何确保其可靠传输?计算机工程系4.1TCP可靠传输的实现原理TCP连接如何实现可靠传输？IP层提供的是不可靠传输，如何实现可靠传输？停止等待协议＋重传机制计算机工程系停止等待协议等停实现无差错传输A发送M1确认M1B发送M2发送M3确认M2确认M3tt一定能可靠传输了吗？(1)发送报文出错？(2)发送报文丢失？(3)确认报文丢失？(4)确认报文出错？计算机工程系停止等待协议A发送M1B超时重传M1发送M2确认M1丢弃有差错的报文(b)超时重传tt在发送方设定超时重传计时器，实现超时重传：确保丢失和有差错的发送报文能够重新发送此时，确认报文丢失、出错、甚至迟到后会出现什么情况？计算机工程系确认丢失和确认迟到A发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(a)确认丢失确认M1ttA发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(b)确认迟到确认M1收下迟到的确认但什么也不做tt在接收方丢弃重复报文，在发送方同样丢弃重复确认报文计算机工程系停止等待协议说明：在发送完一个报文（分组）后，必须暂时保留已发送的报文（分组）的副本。发送报文必须编号，以确认重复报文；同样，确认分组中必须包含对哪个发送报文的确认信息，即包含发送报文的编号，以丢弃重复确认。超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。计算机工程系4.1TCP可靠传输的实现原理使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ(AutomaticRepeatreQuest)。ARQ表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。计算机工程系信道利用率分析停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。TDRTTATD+RTT+TABttADDTTTURTT信道利用率：信道利用率太低，如何提高？计算机工程系信道利用率分析流水线传输发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式可获得很高的信道利用率。BttA如何实现？是否可以连续不断发送？计算机工程系连续ARQ协议123456789101112(a)发送方设置并维持发送窗口（发送窗口是5）发送窗口(b)发送方收到一个确认后发送窗口向前滑动向前123456789101112发送窗口如何实现确认？是否需要每个分组都确认？在发送方引入滑动窗口，以实现对发送量的控制计