本章學(xué)習(xí)要求

第7章傳輸層2023/1/131本章學(xué)習(xí)要求了解：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通的基本概念。掌握：進(jìn)程相互作用的Client/Server模型。掌握：傳輸層的基本功能與服務(wù)質(zhì)量。掌握：用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。掌握：傳輸控制協(xié)議TCP。

2023/1/132概述在OSI參考模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是面向網(wǎng)絡(luò)通信的層次，會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層是面向信息處理的層次，傳輸層位于它們之間，是整個(gè)協(xié)議層次的核心，并為高層提供獨(dú)立于具體網(wǎng)絡(luò)（通信子網(wǎng)）的端—端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。2023/1/133傳輸層特點(diǎn)傳輸層也稱為運(yùn)輸層，它只存在于端開放系統(tǒng)中。它是數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行控制從低到高的最后一層。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，它將服務(wù)加以提高，以滿足高層的要求；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量較好時(shí)，它只用很少的工作。傳輸層還可進(jìn)行復(fù)用，即在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接上創(chuàng)建多個(gè)邏輯連接。傳輸層面對的數(shù)據(jù)對象已不是網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址,而是和會(huì)話層的界面端口。2023/1/134傳輸虛電路HostWWW.HUAWEI.COMFTP.HUAWEI.COM應(yīng)用數(shù)據(jù)WWWFTP傳輸數(shù)據(jù)包211028801027DataData2023/1/1352023/1/1367.1網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通信的基本概念2023/1/137網(wǎng)絡(luò)層及以下的各層實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間的通信，但是數(shù)據(jù)通信不是最終的目的;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最本質(zhì)的活動(dòng)是實(shí)現(xiàn)分布在不同地理位置的主機(jī)之間的進(jìn)程通信，以實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能;設(shè)置傳輸層的主要目的就是要實(shí)現(xiàn)分布式進(jìn)程通信。

設(shè)置傳輸層的目的2023/1/1387.1.1單機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)程通信方法

進(jìn)程和進(jìn)程通信是操作系統(tǒng)中的一個(gè)最基本的概念；程序是一個(gè)在時(shí)間上按照嚴(yán)格次序的前后相繼的操作序列，是一個(gè)靜態(tài)的概念；進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，它是一個(gè)程序?qū)δ硞€(gè)數(shù)據(jù)集的執(zhí)行過程；2023/1/139正在運(yùn)行的進(jìn)程叫做運(yùn)行態(tài)；等待分配CPU的進(jìn)程叫做就緒態(tài)；等待其他的條件的進(jìn)程叫做等待態(tài)；進(jìn)程狀態(tài)反映出進(jìn)程執(zhí)行過程的變化；要保證系統(tǒng)正常地工作，操作系統(tǒng)必須對進(jìn)程的創(chuàng)建、撤消與狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制；從進(jìn)程的觀點(diǎn)看，操作系統(tǒng)的核心則是控制和協(xié)調(diào)這些進(jìn)程的運(yùn)行，解決進(jìn)程之間的通信。單機(jī)操作系統(tǒng)的作用2023/1/1310BSDUNIX引入了管道（pipe）、命名管道（namedpipe）和軟中斷信號(hào)（signal）機(jī)制；AT&TUNIX引入了消息（message）、共享存儲(chǔ)區(qū)（sharedmemory）和信號(hào)量（semaphore）等；UNIX系統(tǒng)的消息、共享存儲(chǔ)區(qū)和信號(hào)量統(tǒng)稱為進(jìn)程通信（interprocesscommunication，IPC）機(jī)制；IPC機(jī)制也不適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程通信。單機(jī)環(huán)境下的進(jìn)程通信機(jī)制常用方法2023/1/13117.1.2網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通信的特點(diǎn)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是分布在不同地理位置的多臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集合”?！蔼?dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”意味著連網(wǎng)的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)的操作與資源是由自身的操作系統(tǒng)管理；用戶共享的網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)所能提供的服務(wù)功能最終是通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的分布式進(jìn)程通信來實(shí)現(xiàn)的。2023/1/1312網(wǎng)絡(luò)中各主機(jī)是高度自治的，沒有一個(gè)統(tǒng)一的高層進(jìn)行控制與管理；網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)主機(jī)對其他主機(jī)的進(jìn)程狀態(tài)、要與哪一進(jìn)程進(jìn)行通信一概不知道。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)程通信存在的主要問題2023/1/13131.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通信需要解決的問題進(jìn)程命名與尋址方法多重協(xié)議的識(shí)別進(jìn)程間相互作用的模式2023/1/13142.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程標(biāo)識(shí)在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，不同的進(jìn)程用進(jìn)程號(hào)或進(jìn)程標(biāo)識(shí)（processID）惟一地標(biāo)識(shí)出來。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完整的進(jìn)程標(biāo)識(shí)應(yīng)該是：本地主機(jī)地址-本地進(jìn)程標(biāo)識(shí)；遠(yuǎn)程主機(jī)地址-遠(yuǎn)程進(jìn)程標(biāo)識(shí)。進(jìn)程地址也叫做端口號(hào)（portnumber），用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對進(jìn)程的標(biāo)識(shí)。

2023/1/13153.多重協(xié)議的識(shí)別UNIX操作系統(tǒng)的TCP/IP的傳輸層就有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中一個(gè)進(jìn)程的全網(wǎng)惟一的標(biāo)識(shí)需要一個(gè)三元組來表示：協(xié)議、本地地址、本地端口號(hào)。2023/1/1316網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中一個(gè)完整的進(jìn)程通信標(biāo)識(shí)需要一個(gè)五元組來表示：協(xié)議，本地地址，本地端口號(hào)，遠(yuǎn)地地址，遠(yuǎn)地端口號(hào)在UNIX操作系統(tǒng)中:三元組又叫做半相關(guān)half-association

五元組叫做一個(gè)相關(guān)association2023/1/13177.1.3進(jìn)程間相互作用模式：Client/Server模型網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)既為本地用戶提供服務(wù)，也為網(wǎng)絡(luò)的其他主機(jī)的用戶提供服務(wù);每臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)的硬件、軟件與數(shù)據(jù)資源應(yīng)該既是本地用戶可以使用的資源，也是網(wǎng)絡(luò)的其他主機(jī)的用戶可以共享的資源;每一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都是對應(yīng)一個(gè)“服務(wù)程序”進(jìn)程;“服務(wù)程序”進(jìn)程要為每一個(gè)獲準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)用戶請求執(zhí)行一組規(guī)定的動(dòng)作，以滿足用戶網(wǎng)絡(luò)資源共享的需要，即提供服務(wù);

1.Client/Server模型的基本概念2023/1/1318網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程通信相互作用的模式在TCP/IP協(xié)議體系中，進(jìn)程間的相互作用采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)模型;客戶與服務(wù)器分別表示相互通信的兩個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程;2023/1/1319客戶：一次進(jìn)程通信中發(fā)起的一方（發(fā)出請求方）；服務(wù)器：接受進(jìn)程通信的請求，提供服務(wù)的一方（提供服務(wù)方）；每一次通信由客戶進(jìn)程隨機(jī)啟動(dòng)；服務(wù)器進(jìn)程處于等待狀態(tài)，及時(shí)響應(yīng)客戶服務(wù)請求。

客戶與服務(wù)器之間的關(guān)系2023/1/13202.為什么要采用客戶機(jī)/服務(wù)器模型?網(wǎng)絡(luò)資源分布的不均勻性：由于資源分布不均勻，需要從其他計(jì)算機(jī)的進(jìn)程中得到服務(wù)（客戶進(jìn)程需要得到服務(wù)）。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程通信的異步性：因?yàn)檫M(jìn)程發(fā)出請求，什么時(shí)候得到網(wǎng)絡(luò)上哪一個(gè)進(jìn)行服務(wù)都是不知道的（網(wǎng)絡(luò)提供異步服務(wù)）。2023/1/13217.1.4進(jìn)程通信中Client/Server模型實(shí)現(xiàn)方法客戶機(jī)/服務(wù)器模型的工作實(shí)質(zhì)是“請求驅(qū)動(dòng)”；在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，客戶進(jìn)程發(fā)出請求完全隨機(jī)。在同一個(gè)時(shí)刻，可能有多個(gè)客戶進(jìn)程向一個(gè)服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請求（并發(fā)）；為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的功能，在服務(wù)器的設(shè)計(jì)中要解決服務(wù)器的：并發(fā)請求處理能力并發(fā)服務(wù)器的進(jìn)程標(biāo)識(shí)服務(wù)器安全2023/1/1322采用并發(fā)服務(wù)器采用重復(fù)服務(wù)器解決服務(wù)器處理并發(fā)請求的基本方案2023/1/1323并發(fā)服務(wù)器（concurrentserver）并發(fā)服務(wù)器的核心是使用一個(gè)守護(hù)程序（daemon）；守護(hù)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候隨之啟動(dòng)，在沒有客戶的服務(wù)請求到達(dá)時(shí)，并發(fā)服務(wù)器處于等待狀態(tài);一旦客戶機(jī)的服務(wù)請求到達(dá)，服務(wù)器根據(jù)客戶的服務(wù)請求的進(jìn)程號(hào)，去激活相應(yīng)的子進(jìn)程，而服務(wù)器回到等待狀態(tài)；并發(fā)服務(wù)器叫做主服務(wù)器（master），把子服務(wù)器叫做從服務(wù)器（slave）；主服務(wù)器必須擁有一個(gè)全網(wǎng)公認(rèn)的進(jìn)程地址；網(wǎng)絡(luò)中的客戶進(jìn)程可以根據(jù)服務(wù)器進(jìn)程的公認(rèn)地址，向服務(wù)器提出服務(wù)請求。2023/1/1324客戶與并發(fā)服務(wù)器建立傳輸連接的過程2023/1/1325重復(fù)服務(wù)器（interativeserver）通過設(shè)置一個(gè)請求隊(duì)列來存儲(chǔ)客戶機(jī)的服務(wù)請求；服務(wù)器采用先來先服務(wù)的原則來順序處理客戶機(jī)的服務(wù)請求。2023/1/1326比較并發(fā)服務(wù)器：并發(fā)服務(wù)器可以處理多個(gè)客戶的服務(wù)請求；從服務(wù)器不依賴主服務(wù)器而獨(dú)立處理客戶服務(wù)請求；不同的從服務(wù)器可以分別處理不同的客戶的服務(wù)請求；系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好。重復(fù)服務(wù)器：處理客戶的服務(wù)請求的數(shù)量受到請求隊(duì)列長度的限制。并發(fā)服務(wù)器適應(yīng)于面向連接的服務(wù)類型；重復(fù)服務(wù)器適應(yīng)于無連接的服務(wù)類型。2023/1/1327討論主動(dòng)啟動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)程通信的程序叫做客戶；服務(wù)器是一個(gè)用來提供某種服務(wù)的，有特殊權(quán)限的專用程序；服務(wù)器程序在網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，接受來自遠(yuǎn)程客戶的服務(wù)請求，提供一種服務(wù)；服務(wù)器程序需要硬件配置較高的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的支持；客戶/服務(wù)器是軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)程間相互作用關(guān)系的模型。2023/1/13287.2傳輸層的基本功能7.2.1傳輸層的端-端通信2023/1/13297.2.2傳輸層協(xié)議的基本功能傳輸層的目標(biāo)是向應(yīng)用層的應(yīng)用程序進(jìn)程的通信提供可靠的傳輸服務(wù);傳輸層在分層結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用，通過執(zhí)行傳輸層協(xié)議，屏蔽通信子網(wǎng)在技術(shù)、設(shè)計(jì)上的差異和服務(wù)質(zhì)量的不足，向高層提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、完善的通信服務(wù);從通信和信息處理的角度看，應(yīng)用層是面向信息處理的，而傳輸層是為應(yīng)用層提供通信服務(wù)的。1.傳輸層在協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的位置2023/1/13302.傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸層之間傳輸?shù)膱?bào)文叫做傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TransportProtocolDataUnit，TPDU）；TPDU有效載荷是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。2023/1/13317.2.3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與服務(wù)質(zhì)量QoS

服務(wù)（Service）概念網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，各層之間有嚴(yán)格的依賴關(guān)系，它們通過相鄰層之間的接口來實(shí)現(xiàn)；服務(wù)是描述相鄰層之間關(guān)系的重要概念；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體現(xiàn)在低層向相鄰上層提供的一組操作；低層是服務(wù)提供者，高層是服務(wù)的用戶。

2023/1/1332連接建立延遲/連接釋放延遲；連接建立/釋放失敗概率；傳輸時(shí)延；吞吐率；殘留誤碼率；傳輸失敗概率。衡量服務(wù)質(zhì)量QoS的主要指標(biāo)2023/1/1333連接建立延遲從傳輸服務(wù)用戶要求建立連接到收到連接確認(rèn)之間所經(jīng)歷的時(shí)間；它包括了遠(yuǎn)端傳輸實(shí)體的處理延遲；連接建立延遲越短，服務(wù)質(zhì)量越好。連接建立失敗的概率在最大連接建立延遲時(shí)間內(nèi)，連接未能建立的可能性；由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，缺少緩沖區(qū)或其他原因造成的失敗。

2023/1/1334吞吐率吞吐率是在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)測得的每秒鐘傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；每個(gè)傳輸方向分別用各自的吞吐率來衡量。傳輸延遲傳輸延遲是指從源主機(jī)傳輸用戶發(fā)送報(bào)文開始到目的主機(jī)傳輸用戶接收到報(bào)文為止的時(shí)間；每個(gè)方向的傳輸延遲是不同的。2023/1/1335殘余誤碼率殘余誤碼率用于測量丟失或亂序的報(bào)文數(shù)占整個(gè)發(fā)送的報(bào)文數(shù)的百分比；理論上殘余誤碼率應(yīng)為零，實(shí)際上它可能是一較小的值。安全保護(hù)安全保護(hù)為傳輸用戶提供了傳輸層的保護(hù)，以防止未經(jīng)授權(quán)的第三方讀取或修改數(shù)據(jù)。

2023/1/1336優(yōu)先級(jí)為傳輸用戶提供用以表明哪些連接更為重要的方法；當(dāng)發(fā)生擁塞事件時(shí)，確保高優(yōu)先級(jí)的連接先獲得服務(wù)?；謴?fù)功能當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部問題或擁塞情況下，傳輸層本身自發(fā)終止連接的可能性。2023/1/1337在討論傳輸層服務(wù)質(zhì)量參數(shù)時(shí)需注意的問題服務(wù)質(zhì)量參數(shù)是傳輸用戶在請求建立連接時(shí)設(shè)定的，表明希望值和最小可接受的值；傳輸層通過檢查服務(wù)質(zhì)量參數(shù)可以立即發(fā)現(xiàn)其中某些值是無法達(dá)到的，傳輸層可以不去與目的主機(jī)連接，而直接通知傳輸用戶連接請求失敗與失敗的原因；有些情況下，傳輸層發(fā)現(xiàn)不能達(dá)到用戶希望的質(zhì)量參數(shù)，但可以達(dá)到稍微低一些的要求，然后再請求建立連接；并非所有的傳輸連接都需要提供所有的參數(shù),大多數(shù)僅僅是要求殘余誤碼，而其他參數(shù)則是為了完善服務(wù)質(zhì)量而設(shè)置的。2023/1/13387.3用戶報(bào)文協(xié)議UDPUDP是一種無連接的、不可靠的傳輸層協(xié)議；在完成進(jìn)程到進(jìn)程的通信中允許提供了有限的差錯(cuò)檢驗(yàn)功能；設(shè)計(jì)UDP協(xié)議的目的是：希望以最小的開銷來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程通信目的；對進(jìn)程發(fā)送的報(bào)文較短、可靠性要求不高的服務(wù)，可用UDP協(xié)議。7.3.1UDP協(xié)議的主要特點(diǎn)2023/1/13397.3.2UDP的基本工作過程UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)傳輸過程中的封裝與拆封

2023/1/1340UDP報(bào)文傳輸隊(duì)列2023/1/1341UDP的復(fù)用和分用2023/1/13427.3.3UDP端口號(hào)TCP/IP協(xié)議族中用端口號(hào)來標(biāo)識(shí)應(yīng)用程序進(jìn)程；端口號(hào)是在0到65535之間的整數(shù)；客戶程序隨機(jī)選取的臨時(shí)端口號(hào)；每一種服務(wù)器程序被分配了確定的全局一致的熟知端口號(hào)；每一個(gè)客戶進(jìn)程都知道相應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)程的熟知端口號(hào)。2023/1/1343UDP使用的熟知端口號(hào)2023/1/13447.3.4UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式2023/1/1345UDP檢驗(yàn)和的檢驗(yàn)范圍：偽頭部、UDP頭、應(yīng)用層數(shù)據(jù)2023/1/13467.4傳輸控制協(xié)議TCPTCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議；TCP協(xié)議建立在不可靠的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議之上，IP不能提供任何可靠性機(jī)制，TCP的可靠性完全由自己實(shí)現(xiàn)；TCP采用的最基本的可靠性技術(shù)是：確認(rèn)與超時(shí)重傳；流量控制。7.4.1TCP協(xié)議的主要特點(diǎn)2023/1/1347TCP協(xié)議與其他協(xié)議的層次關(guān)系2023/1/13487.4.2TCP的端口號(hào)分配TCP常用的熟知端口號(hào)2023/1/13497.4.3TCP報(bào)文段格式2023/1/13507.4.4TCP傳輸連接建立與連接釋放TCP傳輸連接建立過程示意圖

2023/1/1351TCP在傳輸連接釋放過程中4次握手過程2023/1/13527.4.5TCP流量與擁塞控制TCP的數(shù)據(jù)編碼與確認(rèn)

2023/1/1353TCP窗口概念

2023/1/1354窗口與TCP的流量控制2023/1/13557.4.6TCP差錯(cuò)控制差錯(cuò)檢測和糾正檢驗(yàn)和確認(rèn)超時(shí)針對的幾種情況受損傷的報(bào)文段丟失的報(bào)文段重復(fù)的報(bào)文段亂序的報(bào)文段丟失的確認(rèn)2