CH5-运输层

第5章运输层本章内容运输层的主要任务是在源主机和目的主机之间提供可靠的、性价合理的端到端的数据传输功能，并且与所使用的物理网络完全独立。本章重点：1、运输层的作用及两个主要协议2、UDP协议结构与应用3、TCP协议服务、确认机制、报文格式及连接管理4、TCP可靠传输机制与实现5、TCP流量控制6、TCP拥塞控制第5章运输层5.1运输层概述5.2用户数据报协议UDP5.3传输控制协议TCP5.4TCP可靠传输5.5TCP流量控制5.6TCP拥塞控制5.1.1运输层的地位与作用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。运输层的作用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运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信运输层的作用“逻辑通信”的意思是“好像是这样通信，但事实上并非真的这样通信”。从IP层来说，通信的两端是两台主机。但“两台主机之间的通信”这种说法还不够清楚。严格地讲，两台主机进行通信就是两台主机中的应用进程互相通信。从运输层的角度看，通信的真正端点并不是主机而是主机中的进程。也就是说，端到端的通信是应用进程之间的通信。网络层和运输层有明显的区别网络层是为主机之间提供逻辑通信，而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。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）互联网运输层协议和网络层协议的主要区别运输层的作用在一台主机中经常有多个应用进程同时分别和另一台主机中的多个应用进程通信。这表明运输层有一个很重要的功能——复用(multiplexing)和分用(demultiplexing)。根据应用程序的不同需求，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。基于端口的复用和分用功能应用层运输层网络层TCP报文段UDP用户数据报应用进程TCP复用IP复用UDP复用TCP报文段UDP用户数据报应用进程端口端口TCP分用UDP分用IP分用IP数据报IP数据报发送方接收方屏蔽作用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。互联网APAP逻辑通信信道两种不同的运输协议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（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。可靠信道与不可靠信道？应用层运输层接收进程全双工可靠信道数据使用面向连接的协议，如TCP。使用无连接的协议，如UDP。不可靠信道发送进程数据接收进程发送进程数据数据5.1.2运输层的两个主要协议TCP/IP的运输层有两个主要协议：(1)用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)(2)传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层TCP/IP体系中的运输层协议TCP与UDP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UDPUDP：一种无连接协议提供无连接服务。在传送数据之前不需要先建立连接。传送的数据单位协议是UDP报文或用户数据报。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与UDPTCP：一种面向连接的协议提供面向连接的服务。传送的数据单位协议是TCP报文段(segment)。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。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运输层端口与套接字运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。但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。这是因为在互联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。1、端口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两个不同的概念。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/IP运输层端口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。在互联网中，不同计算机的相同端口号是没有联系的。由此可见，两个计算机中的进程要互相通信，不仅必须知道对方的IP地址（为了找到对方的计算机），而且还要知道对方的端口号（为了找到对方计算机中的应用进程）。两大类端口(1)服务器端使用的端口号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。(2)客户端使用的端口号又称为短暂端口号，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。常用的熟知端口UDPTCPIPSMTPFTPTelnetRPCDNSSNMPTFTP111531616925212023HTTP80HTTPS443SNMP(trap)1622、套接字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)TCP连接::={socket1,socket2}={(IP1:port1)，(IP2:port2)}(5-2)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，IP地址，套接字TCP连接就是由协议软件所提供的一种抽象。TCP连接的端点是个很抽象的套接字，即（IP地址：端口号）。同一个IP地址可以有多个不同的TCP连接。同一个端口号也可以出现在多个不同的TCP连接中。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。5.2用户数据报协议UDP5.2.1UDP协议结构5.2.2UDP的特点与应用用户数据报协议UDPUDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能：复用和分用的功能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。5.2.1UDP协议结构用户数据报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。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用户数据报的首部和伪首部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分用当运输层从IP层收到UDP数据报时，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交最后的终点——应用进程。请注意，虽然在UDP之间的通信要用到其端口号，但由于UDP的通信是无连接的，因此不需要使用套接字。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2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。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0UDP的检验和是把首部和数据部分一起都检验。UDP的主要特点(1)UDP是无连接的，发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。(2)UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。(3)UDP是面向报文的。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。UDP一次交付