通工專業(yè)(卓越)-現(xiàn)代通信網(wǎng)B-第六章-互聯(lián)網(wǎng)-3

第6章因特網(wǎng)（Internet）互聯(lián)網(wǎng)（internet）是指兩個(gè)或者以上的網(wǎng)絡(luò)互連而成的網(wǎng)絡(luò)。因特網(wǎng)（Internet）是互聯(lián)網(wǎng)的一種，使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備之間的通信。萬維網(wǎng)（WWW）是一種基于超文本相互鏈接而成的全球性系統(tǒng)，是因特網(wǎng)所能提供的服務(wù)之一?；ヂ?lián)網(wǎng)包含因特網(wǎng)，因特網(wǎng)包含萬維網(wǎng)。2023/2/72第六章Internet6.1Internet概述6.2協(xié)議與互連的原理6.3IP層6.4運(yùn)輸層

6.5應(yīng)用層6.6IPv62023/2/736.4運(yùn)輸層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接入層TCPUDP運(yùn)輸層提供不同主機(jī)上應(yīng)用進(jìn)程之間的端到端邏輯通信。運(yùn)輸層提供基于端口號的尋址、復(fù)用/分用能力。2023/2/74運(yùn)輸層的協(xié)議和服務(wù)兩個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議UDP（自學(xué)）只在IP數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了復(fù)用/分用和（數(shù)據(jù)報(bào)）差錯(cuò)檢測功能無連接；盡力而為、不可靠交付；面向報(bào)文、無擁塞控制TCP√在兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程之間提供可靠數(shù)據(jù)傳送服務(wù)面向連接；可靠交付；面向字節(jié)流TCP段結(jié)構(gòu)TCP連接管理TCP流量控制TCP接收證實(shí)和超時(shí)重傳TCP擁塞控制2023/2/75TCP報(bào)文段的格式源端口號目的端口號32bits

應(yīng)用數(shù)據(jù)（可變長）順序號（SN)確認(rèn)號(AN)接收窗口緊急指針校驗(yàn)和FSRPAU頭部長度保留可選項(xiàng)(變長)20字節(jié)小于40字節(jié)64k字節(jié)2023/2/76TCPF

T

PT

E

L

N

E

TD

N

SS

N

M

PT

F

T

PS

M

T

PUDP2123255369161520運(yùn)輸層端口號

服務(wù)器端口號（0~49151）

客戶端短暫端口號（49152~65535）R

I

P應(yīng)用層運(yùn)輸層熟知/系統(tǒng)端口號:0~1023。Internet標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)程序。在C/S模式下，提供特定服務(wù)的服務(wù)器必須公開其服務(wù)端口號。登記端口號：1024~49151。沒有熟知端口號的應(yīng)用程序。所有的Internet服務(wù)使用的周知端口列表可在找到2023/2/77順序號：SYN＝1時(shí)代表初始序號ISN；否則SN表示該段中第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號。確認(rèn)號：代表TCP接收實(shí)體期望接收的下一個(gè)字節(jié)的序號。頭部長度：以32bit為單位。接收窗口：由接收方給出的愿意接受的字節(jié)數(shù)量，起始序號由確認(rèn)號字段給出。校驗(yàn)和：對整個(gè)報(bào)文段進(jìn)行校驗(yàn)。源端口號目的端口號32bits

應(yīng)用數(shù)據(jù)（可變長）順序號(SN)確認(rèn)號(AN)接收窗口緊急指針校驗(yàn)和FSRPAU頭部長度保留可選項(xiàng)(變長)20字節(jié)小于40字節(jié)64k

字節(jié)2023/2/78緊急指針：該字段的值加上報(bào)文段的序號后，代表緊急數(shù)據(jù)序列的最后一個(gè)字節(jié)，它使收方能夠知道共有多少緊急數(shù)據(jù)到來。URG：緊急指針字段有效ACK:

確認(rèn)號字段有效PSH：強(qiáng)制交付RST：重建連接SYN：序號同步，連接建立FIN：無數(shù)據(jù)發(fā)送，連接釋放源端口號目的端口號

應(yīng)用數(shù)據(jù)（可變長）順序號(SN)確認(rèn)號(AN)接收窗口緊急指針校驗(yàn)和FSRPAU頭部長度保留可選項(xiàng)(變長)32bits2023/2/79TCP連接管理面向連接為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的可靠數(shù)據(jù)通信，TCP采用了面向連接的方式，即在進(jìn)程間先建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，然后釋放連接。連接是實(shí)現(xiàn)可靠傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)連接的標(biāo)識套接字Socket=（IP地址：端口號）TCP連接TCP連接=【socketA，socketB】 =【（本地IP：本地端口號），（遠(yuǎn)端IP：遠(yuǎn)端端口號）】2023/2/710Socket的概念進(jìn)程進(jìn)程InternetOS控制程序員控制TCP層SocketBSocketA2023/2/711基于套接字的多路分解clientIP:BP1clientIP:AP1P2serverIP:CSP:9157DP:80SP:9157DP:80P4P3D-IP:CS-IP:AD-IP:CS-IP:BSP:5775DP:80D-IP:CS-IP:B2023/2/712連接建立過程：三次握手每一方通知對方自己將要使用的初始SN（ISN）每一方確認(rèn)對方的SNSYN-ACK:確認(rèn)SN+1第二個(gè)SYN可以和第一個(gè)ACK合并SYN:SN＝xACK:AN＝x+1SYN:SN＝y(tǒng)ACK:AN＝y(tǒng)+1ClientServer2023/2/713連接釋放過程每一方獨(dú)立發(fā)起釋放過程發(fā)送FIN消息“I’mnotgoingtosendanymoredata”另一方可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)單向連接確認(rèn)必須繼續(xù)確認(rèn)FIN確認(rèn)最后的SN+1釋放過程看成兩個(gè)獨(dú)立的單工連接來理解ABFIN,SN＝AACK,AN=A+1ACK,AN=？+1DataACK,AN=B+1FIN，SN=B2023/2/714TCP保證可靠服務(wù)的機(jī)制可靠服務(wù)：無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)、不錯(cuò)序。如何保證？差錯(cuò)：校驗(yàn)和保證識別出傳輸差錯(cuò)丟失：引入接收確認(rèn)和重傳機(jī)制重復(fù)、錯(cuò)序：引入順序號和確認(rèn)號，使在最終目的地可以進(jìn)行分段的重裝發(fā)快收慢：引入流量控制，使接收者可控制發(fā)送速率網(wǎng)絡(luò)擁塞：引入擁塞控制，調(diào)整源端的發(fā)送量，使之不超過網(wǎng)絡(luò)處理能力并發(fā)應(yīng)用：引入端口號區(qū)分不同的連接，實(shí)現(xiàn)復(fù)用/分用TCP可靠傳輸?shù)墓ぷ髟鞹CP下層網(wǎng)絡(luò)所提供的是不可靠傳輸，TCP必須采取適當(dāng)措施才能保證兩個(gè)運(yùn)輸層之間的可靠傳輸。自動(dòng)重傳請求（ARQ）協(xié)議在停等式ARQ中，發(fā)送方每發(fā)完一個(gè)分組就停止發(fā)送，等待接收方確認(rèn)，收到確認(rèn)后再發(fā)送下一個(gè)分組，否則重傳該分組。在連續(xù)（回退N）

ARQ中，發(fā)送方維持著一個(gè)一定大小的發(fā)送窗口，位于發(fā)送窗口內(nèi)的所有分組都可連續(xù)發(fā)送出去，而中途不需要等待對方的確認(rèn)。當(dāng)收到接收方確認(rèn)分組出錯(cuò)后，發(fā)送方將重傳已發(fā)送過的N個(gè)分組。在選擇性重傳ARQ中，當(dāng)收到接收方確認(rèn)分組出錯(cuò)后，發(fā)送方只發(fā)送發(fā)生傳送錯(cuò)誤的分組?；瑒?dòng)窗口協(xié)議：該協(xié)議允許發(fā)送方在停止并等待確認(rèn)前發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)分組（窗口）。可以加速數(shù)據(jù)的傳輸，還可以控制流量的問題。自動(dòng)超時(shí)重傳：分組丟失、確認(rèn)丟失、分組延遲。累積確認(rèn)：對按序到達(dá)的最后一個(gè)分組發(fā)送確認(rèn)。2023/2/7152023/2/716TCP流量控制流量問題：發(fā)送快，接收慢流量控制：限制發(fā)送者的速率以實(shí)現(xiàn)收發(fā)速率匹配流控機(jī)制：滑動(dòng)窗口由接收方在ACK中給出接收窗口（信用量）發(fā)送方的發(fā)送窗口不能超過接收方的接收窗口2023/2/717滑動(dòng)窗口協(xié)議發(fā)送方順序號：Seq，發(fā)送方必須在分組頭中包含一個(gè)順序號。窗口尺寸：W，允許連續(xù)發(fā)送未被證實(shí)的分組的最大個(gè)數(shù)。證實(shí)信號：Ack（i）；證實(shí)0～i－1分組被正確接收，累計(jì)證實(shí)策略。定時(shí)器：超時(shí)重傳。重傳機(jī)制：當(dāng)發(fā)生丟失時(shí)，進(jìn)行重發(fā)糾錯(cuò)。131415161718192021222324TCP窗口W已發(fā)送且證實(shí)的已發(fā)送未證實(shí)的目前可發(fā)送的SendBaseNextSeq2023/2/718acknowledgedsent可以發(fā)送的超出window的SourcePortDest.PortSequenceNumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD.ChecksumUrgentPointerOptions…SourcePortDest.PortSequenceNumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD.ChecksumUrgentPointerOptions...PacketSentPacketReceivedTCP發(fā)送側(cè)：流量控制參數(shù)2023/2/719TCP信用量流控機(jī)制確認(rèn)與流控分離的思想涉及三個(gè)字段：順序號SN、確認(rèn)號AN、窗口尺寸W傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)均分配一個(gè)SN窗口單位為字節(jié)，不是報(bào)文段當(dāng)發(fā)送方收到一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段AN＝i，W＝j(luò)，意味著序號0～i-1的字節(jié)都被確認(rèn)，下一個(gè)期望接收的字節(jié)序號為i發(fā)送方新的窗口大小W＝j(luò)，合法的窗口內(nèi)的序號為i~j-12023/2/720信用量機(jī)制-示例W=1400W=1000W=1400累積確認(rèn)累積確認(rèn)2023/2/721TCP窗口大小確定合理的W值是實(shí)現(xiàn)高效率流量控制的關(guān)鍵。W的取值顯然與RTT有關(guān)，也與接收端可分配的緩沖區(qū)數(shù)量有關(guān)。（為簡化分析，暫不考慮緩沖區(qū)的限制）設(shè)往返時(shí)延為RTT，線路速率＝Rbps，分組長度=L，則當(dāng)W≧(RTT×R)/L時(shí)，不會(huì)造成發(fā)送端因等待確認(rèn)信號，引起的線路空閑。直觀上，W與RTT成正比。但實(shí)際上W太大無意義，只會(huì)增加緩沖區(qū)的開銷。但在Internet上，端到端的時(shí)延變化很大，如何確定RTT？2023/2/722確定RTT由于Internet的狀態(tài)隨時(shí)在變，固定的RTT值對實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況可能有時(shí)顯得太長，有時(shí)又太短。因此TCP采用觀察最近的報(bào)文段的往返時(shí)延的方法來估計(jì)RTT，然后設(shè)定一個(gè)大一些的值。TCP的RTT估值公式

估計(jì)RTT＝（1－а）×估計(jì)RTT＋а×樣本RTT

其中，在【RFC2988】а的參考值а＝0.125。

含義是，使RTT對短暫的時(shí)延變化不敏感。2023/2/723結(jié)論：TCP的窗口值在發(fā)送一側(cè)，TCP的窗口W＝min{CWin,RcvWin}，其中RcvWin由接收方在ACK中給出，而CWin由發(fā)送方根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)確定。因此，發(fā)送方的最大吞吐量＝min{CWin,RcvWin}/RTT2023/2/724TCP丟失重傳機(jī)制由于網(wǎng)絡(luò)層不提供反饋信息，為保證可靠傳輸，TCP必須采用超時(shí)重傳機(jī)制來處理報(bào)文段的丟失問題。丟失的定義：超時(shí)或連續(xù)收到三個(gè)冗余的ACK。問題的關(guān)鍵：如何設(shè)定超時(shí)定時(shí)器RTO？顯然，RTO必須大于RTT，否則會(huì)造成不必要的重傳。2023/2/725RTO的估算公式顯然，RTO也不應(yīng)比RTT的估值大太多，否則當(dāng)出現(xiàn)丟失時(shí)，TCP將不能很快地重傳該報(bào)文段。估值RTO＝估值RTT＋4×DevRTT（偏差）

DevRTT＝（1－?）×DevRTT＋?×|當(dāng)前RTT估值－RTT均值|

?推薦值＝0.252023/2/726TCP:重傳示例-1HostASeq=100,20bytesdataACK=100timeprematuretimeout過早超時(shí)HostBSeq=92,8bytesdataACK=120Seq=92,8bytesdataSeq=92timeoutACK=120HostASeq=92,8bytesdataACK=100Loss丟失timeoutlostACKscenario丟失確認(rèn)HostBXSeq=92,8bytesdataACK=100timeSeq=92timeoutSendBase=100SendBase=120SendBase=120Sendbase=1002023/2/727TCP：重傳示例-2HostASeq=92,8bytesdataACK=100Loss丟失timeoutCumulativeACKscenario累積確認(rèn)HostBXSeq=100,20bytesdataACK=120timeSendBase=120結(jié)論：實(shí)際中，RTO的值一般為1秒左右。一旦發(fā)生超時(shí)，TCP將重傳序號最小的未被確認(rèn)的報(bào)文段，并將RTO值加倍。發(fā)送端只為最小的未被確認(rèn)的報(bào)文段啟動(dòng)一個(gè)超時(shí)定時(shí)器，每收到一個(gè)ACK，執(zhí)行一次復(fù)位。累積確認(rèn)2023/2/728TCP的擁塞控制擁塞：對網(wǎng)絡(luò)資源的需求超過網(wǎng)絡(luò)的承受能力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能惡化。原因:信源不知道網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。信源彼此之間互相不知道對方的行為。擁塞控制vs流量控制：擁塞控制是一個(gè)全局性的過程，就是防止過多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致路由器或鏈路過載。流量控制是一個(gè)端到端的問題，就是抑制發(fā)送端的發(fā)送速率，以免接收端來不及接收。控制機(jī)制相似，但觸發(fā)的原因與目的不同。擁塞導(dǎo)致的現(xiàn)象：分組丟失；時(shí)延加大；網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。10Mbps100Mbps1.5Mbps2023/2/729擁塞控制技術(shù)分類端到端的擁塞控制√沒有來自網(wǎng)絡(luò)的顯式擁塞反饋指示端系統(tǒng)只能通過觀測loss&delay等推測擁塞TCP采用此方案網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制路由器給端系統(tǒng)提供擁塞指示單比特?fù)砣甘疚恢该靼l(fā)送者應(yīng)該使用的發(fā)送速率問題:導(dǎo)致路由器行為復(fù)雜化根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層是否為運(yùn)輸層提供顯式的擁塞狀態(tài)信息來分類2023/2/730TCP擁塞控制要解決的3個(gè)問題（1）TCP發(fā)送方如何確定發(fā)生了擁塞？

擁塞的確定：檢測網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)：分組丟失率；平均分組時(shí)延；超時(shí)重傳的分組數(shù)；平均隊(duì)列長度；……在TCP發(fā)送方，如果超時(shí)，或連續(xù)收到三個(gè)冗余的ACK，則認(rèn)為發(fā)生分組丟失事件，從而判定擁塞。2023/2/731（2）如何限制一個(gè)已發(fā)生擁塞的連接的發(fā)送速率？將擁塞發(fā)生的信息傳送到產(chǎn)生分組的源站，源站通過調(diào)整發(fā)送窗口大小來調(diào)整發(fā)送速度。接收窗口Rcvwin的值由接收方確定，然后通知發(fā)送方，它用來防止接收方緩存溢出。但沒有提供網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。網(wǎng)絡(luò)的狀況，由發(fā)送方探測確定，并記為擁塞窗口Cwin。在任何時(shí)候，發(fā)送方實(shí)際的窗口大小應(yīng)為Cwin和Rcvwin中的最小值，即滿足：

LastByteSent-LastByteAcked<=min{Cwin,Rcvwin}為分析方便，我們忽略Rcvwin

，則得到發(fā)送方的發(fā)送速率R＝Cwin/RTT。顯然，在發(fā)送方調(diào)整Cwin，就可以調(diào)整發(fā)送速率。2023/2/732（3）當(dāng)確定發(fā)生了擁塞后，采用什么算法來改變發(fā)送速率？慢開始（slow-start)：發(fā)送方讓發(fā)送窗口=擁塞窗口Cwin，Cwin由小到大逐漸增大（加倍）。擁塞避免（congestionavoidance）：擁塞窗口值Cwin達(dá)到慢開始門限SSTH后，擁塞窗口Cwin按線性規(guī)律緩慢增長?？熘貍鳎╢astretransmit）：接收方每收到一個(gè)失序的報(bào)文段就立即發(fā)出重復(fù)確認(rèn)，發(fā)送方一旦連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就立即重傳對方尚未收到的報(bào)文段。快恢復(fù)（