北京邮电大学计算机网络课件第五章：运输层

计算机网络（第5版）第5章运输层第5章运输层5.1运输层协议概述5.1.1进程之间的通信5.1.2运输层的两个主要协议5.1.3运输层的端口5.2用户数据报协议UDP5.2.1UDP概述5.2.2UDP的首部格式第5章运输层（续）5.3传输控制协议TCP概述5.3.1TCP最主要的特点5.3.2TCP的连接5.4可靠传输的工作原理5.4.1停止等待协议5.4.2连续ARQ协议5.5TCP报文段的首部格式第5章运输层（续）5.6TCP可靠传输的实现5.6.1以字节为单位的滑动窗口5.6.2超时重传时间的选择5.6.3选择确认SACK5.7TCP的流量控制5.7.1利用滑动窗口实现流量控制5.7.1必须考虑传输效率第5章运输层（续）5.8TCP的拥塞控制5.8.1拥塞控制的一般原理5.8.2几种拥塞控制方法5.8.3随机早期检测RED5.9TCP的运输连接管理5.9.1TCP的连接建立5.9.2TCP的连接释放5.9.3TCP的有限状态机5.1运输层协议概述5.1.1进程之间的通信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。当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信54321运输层提供应用进程间的逻辑通信主机A主机B应用进程应用进程路由器1路由器2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP协议的作用范围运输层协议TCP和UDP的作用范围AP3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。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。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）。运输层还要对收到的报文进行差错检测。运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。两种不同的运输协议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。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。当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。TCP/IP的运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)5.1.2运输层的两个主要协议两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元TPDU(TransportProtocolDataUnit)。TCP传送的数据单位协议是TCP报文段(segment)UDP传送的数据单位协议是UDP报文或用户数据报。TCP与UDPTCP/IP体系中的运输层协议TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层TCP与UDP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。还要强调两点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。5.1.3运输层的端口运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符。这是因为在因特网上使用的计算机的操作系统种类很多，而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符。为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信，就必须用统一的方法对TCP/IP体系的应用进程进行标志。需要解决的问题由于进程的创建和撤销都是动态的，发送方几乎无法识别其他机器上的进程。有时我们会改换接收报文的进程，但并不需要通知所有发送方。我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点，而不需要知道实现这个功能的进程。端口号(protocolportnumber)简称为端口(port)解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号(protocolportnumber)，或通常简称为端口(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（即最后交付目的进程）就由TCP来完成。软件端口与硬件端口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。TCP的端口端口用一个16位端口号进行标志。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。三类端口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。5.2用户数据报协议UDP5.2.1UDP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。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。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。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5.2.2UDP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05.3传输控制协议TCP概述5.3.1TCP最主要的特点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。768H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。5.3.2TCP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。5.4可靠传输的工作原理5.4.1停止等待协议(a)无差错情况A发送M1确