第五章 傳輸層協(xié)議

第五章傳輸層協(xié)議第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月重點(diǎn)端口TCP連接的建立和拆除的握手機(jī)制計(jì)時(shí)器流量控制擁塞控制第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.傳輸層5.1.1.傳輸層概述一、傳輸層的作用彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)層所提供的服務(wù)質(zhì)量的不足，以便為高層提供可靠的端到端通信。第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在邏輯上分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)中的設(shè)備才有傳輸層，通信子網(wǎng)中的設(shè)備一般只具備OSI下面三層的功能。第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月資源子網(wǎng)中的端用戶依靠在自己主機(jī)上所增加的這個(gè)傳輸層來檢測分組的丟失或數(shù)據(jù)的殘缺并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、傳輸層功能在網(wǎng)絡(luò)層所提供的源到目標(biāo)的分組傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)上，向上層提供可靠的源主機(jī)到目標(biāo)主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)上層的協(xié)議數(shù)據(jù)包的長度超過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層所能承載的最大數(shù)據(jù)傳輸單元時(shí)，提供分段和合并分段的功能。第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月提供多路復(fù)用機(jī)制，由于同時(shí)存在多個(gè)高層應(yīng)用，因此要求傳輸層能夠同時(shí)為多個(gè)高層應(yīng)用服務(wù)，將多個(gè)高層應(yīng)用復(fù)用到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層連接上。傳輸層是通過端口來實(shí)現(xiàn)這一功能的。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三、端到端的傳輸傳輸層就是為上三層提供端到端的傳輸服務(wù)第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月聲音信號(hào)電信號(hào)聲音信號(hào)電信號(hào)點(diǎn)到點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)端到端第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月四、TCP/IP的傳輸層 兩個(gè)主要的協(xié)議即傳輸控制協(xié)議（transportcontrolprotocol，簡稱TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（userdatagramprotocol，簡稱UDP）TCP協(xié)議是一個(gè)可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議將可靠性問題交給應(yīng)用程序解決第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月指標(biāo)TCPUDP是否連接面向連接無連接傳輸可靠性可靠不可靠速度較慢較快傳輸質(zhì)量較高較差第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2.端口和套接字 一臺(tái)主機(jī)中同時(shí)會(huì)有多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行通信，傳輸層必須將它們區(qū)分開來。因此網(wǎng)絡(luò)通信的最終地址應(yīng)不僅包括主機(jī)地址，還要包括可描述網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的某種標(biāo)識(shí)。 這種標(biāo)識(shí)稱作傳輸層服務(wù)訪問點(diǎn)， 即端口。

TCP/IP定義一個(gè)16Bit長度的整數(shù)作為端口標(biāo)識(shí)，也就是說可定義2e16個(gè)端口，其端口號(hào)從 0到2e16－1。第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月從0到255被規(guī)定作為公共應(yīng)用服務(wù)的端口，如WWW、FTP、DNS和電子郵件服務(wù)等，又被稱為著名端口(Well-knownports)。這些端口所對(duì)應(yīng)的服務(wù)是固定、公開的，因此可以通過訪問這些端口來訪問對(duì)應(yīng)的服務(wù)。從256到1023的端口，被保留用作商業(yè)性的應(yīng)用開發(fā)，如一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商專用協(xié)議的通信端口等。1023以上端口未做限定，即作為自由端口，以本地方式進(jìn)行分配。第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.TCP協(xié)議5.2.1.TCP協(xié)議概述

TCP，即傳輸控制協(xié)議，它提供面向連接的、可靠的（沒有數(shù)據(jù)重復(fù)或丟失）、全雙工的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)。

第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月TCP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為段（Segment）數(shù)據(jù)段分為兩部分，即段頭和數(shù)據(jù)段頭一般長20字節(jié)（如有選項(xiàng)部分另加），是TCP為了實(shí)現(xiàn)端到端可靠傳輸所加上的控制信息。而數(shù)據(jù)則是指由高層即應(yīng)用層來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段的大小必須首先滿足65535字節(jié)的IP包數(shù)據(jù)長度限制。第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月源端口：主叫方的TCP端口號(hào)。目標(biāo)端口：被叫方的TCP端口號(hào)。發(fā)送序號(hào)（SEQ）：①SYN=0表示數(shù)據(jù)段第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)，即該數(shù)據(jù)段在發(fā)送方的數(shù)據(jù)流中的位置；②SYN=1表示建立本次連接的初始序號(hào)。第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月確認(rèn)序號(hào)（ACK）：下一個(gè)期望接收的TCP數(shù)據(jù)段號(hào)，順序號(hào)和確認(rèn)號(hào)共同用于TCP服務(wù)中的確認(rèn)、差錯(cuò)控制。頭長：TCP頭長，以32位字長為單位。實(shí)際上相當(dāng)于給出數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)段中的開始位置。第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)留：未用的6位，為將來的應(yīng)用而保留，目前置為“0”?？刂谱侄危–TL）：共6個(gè)控制字段，每個(gè)占一位bit。TCP數(shù)據(jù)段有多種應(yīng)用，如建立或關(guān)閉連接、傳輸數(shù)據(jù)、攜帶確認(rèn)等，這些控制字段用于給出與數(shù)據(jù)段的作用及處理相關(guān)的控制信息。字段位值=1時(shí)有效。第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月窗口：窗口的大小表示本方可以接收的數(shù)據(jù)量，以八位字長為計(jì)量單位。TCP使用可變大小的滑動(dòng)窗口來進(jìn)行流量控制。校驗(yàn)和：用于對(duì)數(shù)據(jù)段頭和數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。緊急指針：給出從當(dāng)前段序號(hào)到緊急數(shù)據(jù)位置的偏移量。第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月任選項(xiàng)：提供一種增加額外設(shè)置的方法，如最大TCP分段的大小的約定。填充：當(dāng)任選項(xiàng)字段長度不足32位字長時(shí)，需要加以填充。數(shù)據(jù)：來自高層即應(yīng)用層的協(xié)議數(shù)據(jù)。第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2.TCP的連接管理

TCP實(shí)現(xiàn)的是面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，即是一種虛電路的數(shù)據(jù)交換方式，在數(shù)據(jù)傳輸以前需要在源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間創(chuàng)建相應(yīng)的虛電路連接。第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、連接的建立

TCP使用三次握手協(xié)議來建立連接。第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月主機(jī)1首先發(fā)起TCP連接請(qǐng)求，并在所發(fā)送的數(shù)據(jù)段中將控制字段中的SYN置為“1”、ACK置為“0”。第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月主機(jī)2收到該分段，若同意建立連接，則發(fā)送一個(gè)連接接受的應(yīng)答數(shù)據(jù)段，其中控制字段的SYN和ACK均被置“1”，指示對(duì)第一個(gè)SYN報(bào)文段的確認(rèn)，以繼續(xù)握手操作；否則，主機(jī)2要發(fā)送一個(gè)將RST置為“1”的應(yīng)答數(shù)據(jù)段，表示拒絕建立連接。第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月主機(jī)1收到主機(jī)2發(fā)來的同意建立連接數(shù)據(jù)段后，還有再次進(jìn)行選擇的機(jī)會(huì)，若其確認(rèn)要建立這個(gè)連接，則向主機(jī)2發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)段，用來通知主機(jī)2雙方已完成建立連接；第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月若其已不想建立這個(gè)連接，則可以發(fā)送一個(gè)將RST置為“1”的應(yīng)答數(shù)據(jù)段來告之主機(jī)2拒絕建立連接。第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、連接的拆除

TCP連接的關(guān)閉過程是一個(gè)四次握手的過程。圖5-9四次握手拆除TCP連接第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)主機(jī)1的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢時(shí)，其在等待確認(rèn)的同時(shí)可發(fā)送一個(gè)將控制字段FIN置“1”的數(shù)據(jù)段給主機(jī)2，表示請(qǐng)求中斷主機(jī)1到主機(jī)2的連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月若主機(jī)2已正確接收主機(jī)1的所有分段，則會(huì)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段正確接收的確認(rèn)段，同時(shí)通知本地相應(yīng)的應(yīng)用程序，對(duì)方要求關(guān)閉連接，接著再發(fā)送一個(gè)對(duì)主機(jī)1所發(fā)送的FIN段進(jìn)行確認(rèn)的應(yīng)答段。由此便拆除了一個(gè)方向的TCP連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月但是，此時(shí)在相反方向上，主機(jī)2仍然可以向主機(jī)1發(fā)送數(shù)據(jù)，直到主機(jī)2數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并要求關(guān)閉連接。這個(gè)方向上連接的拆除同樣要經(jīng)過（1）、（2）兩步，由主機(jī)2發(fā)起FIN段，主機(jī)1應(yīng)答確認(rèn)ACK，拆除另一方向的TCP連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3.確認(rèn)和超時(shí)重傳第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4.TCP定時(shí)器 TCP設(shè)置多個(gè)定時(shí)器幫助其完成所承擔(dān)的服務(wù)。

第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、重傳定時(shí)器（ConnectionEstablishmentTimer） 重發(fā)定時(shí)器是TCP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置的，如果在定時(shí)器超時(shí)前該數(shù)據(jù)段被確認(rèn)，就關(guān)閉該定時(shí)器，否則，一旦超時(shí)則重發(fā)該數(shù)據(jù)段。第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、連接建立定時(shí)器（ConnectionEstablishmentTimer） 當(dāng)請(qǐng)求建立連接的SYN數(shù)據(jù)段發(fā)出時(shí)，連接建立定時(shí)器就開始計(jì)時(shí)，如果在75秒內(nèi)未收到響應(yīng)，則連接建立失敗。第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三、ACK延時(shí)定時(shí)器（DelayedACKTimer） 當(dāng)TCP實(shí)體收到數(shù)據(jù)時(shí)它必須返回確認(rèn)，但并不需要立即回復(fù)，它可以在200亳秒內(nèi)發(fā)送ACK報(bào)文，如果在這段時(shí)間內(nèi)它恰好有數(shù)據(jù)要發(fā)送，它就可以在數(shù)據(jù)內(nèi)包含確認(rèn)信息，因此需要ACK延時(shí)定時(shí)器。第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月四、持續(xù)定時(shí)器（PersistenceTimer） 防止死鎖事情發(fā)生，發(fā)送方在收到接收方發(fā)來一個(gè)窗口為0的數(shù)據(jù)時(shí)，就啟動(dòng)持續(xù)定時(shí)器，等到該定時(shí)器超時(shí)還沒有收到對(duì)方修改窗口大小的數(shù)據(jù)段時(shí)，發(fā)送方就發(fā)一個(gè)探測數(shù)據(jù)，對(duì)接收方對(duì)該探測數(shù)據(jù)的響應(yīng)應(yīng)包含了窗口大小，若仍為0，則定時(shí)器清0，重復(fù)以上步驟，否則則可以發(fā)送數(shù)據(jù)。第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月五、?；疃〞r(shí)器（TheKeepaliveTimer） 當(dāng)一個(gè)連接長時(shí)間閑置會(huì)造成保持存活定時(shí)器會(huì)超時(shí)，這時(shí)就會(huì)發(fā)送一個(gè)空數(shù)據(jù)段檢測另一方是否仍然存在（即連接是否依然激活），如果它未得到響應(yīng)，便終止該連接。第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月六、閑置定時(shí)器（TheQuietTimer） 當(dāng)TCP連接斷開后，為防止該連接上的數(shù)據(jù)還在網(wǎng)絡(luò)上，并被后續(xù)打開的具有相同五元組的連接接收，要設(shè)置閑置定時(shí)器以防止剛剛斷開連接的端口號(hào)被立即重新使用。第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.5.流量控制與滑動(dòng)窗口機(jī)制TCP實(shí)體在端設(shè)備中為每個(gè)連接開設(shè)兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)是接收緩沖區(qū)，用來接收對(duì)方發(fā)送來的數(shù)據(jù)。第二個(gè)是發(fā)送緩沖區(qū)，TCP實(shí)體從應(yīng)用進(jìn)程接收數(shù)據(jù)，存貯在發(fā)送緩沖區(qū)。第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月 為了防止由于發(fā)送端與接收端之間的不匹配而引起數(shù)據(jù)丟失，TCP采用滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制。第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.6.TCP的擁塞控制 為了解決因網(wǎng)絡(luò)傳輸能力導(dǎo)致?lián)砣膯栴}，TCP對(duì)流量控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一個(gè)擁塞窗口。這樣發(fā)送方TCP就有兩個(gè)窗口：一是接收方通告窗口，反映的是接收方的數(shù)據(jù)接收能力；一是擁塞窗口，反映的是網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。而發(fā)送方可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)，即發(fā)送窗口的大小取這兩個(gè)窗口的最小值。第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.UDP協(xié)議5.3.1.UDP協(xié)議 與TCP相反，TCP/IP傳輸層的另一大協(xié)議UDP提供的是不可靠的面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。第47頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式圖5-13UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式第48頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月源端口字段：該字段是16位長度的發(fā)送端UDP協(xié)議端口號(hào)。在UDP協(xié)議中也采用與TCP中類似的端口概念來標(biāo)識(shí)同一主機(jī)上的不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，并且兩者在分配方式上也是類似的。應(yīng)用程序使用UDP協(xié)議而不直接采用原始IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，最主要的原因就UDP協(xié)議提供了標(biāo)識(shí)進(jìn)程的端口號(hào)。目的端口字段：該字段是16位長度的接收端UDP協(xié)議端口號(hào)。長度字段：該字段標(biāo)記該數(shù)據(jù)報(bào)的長度，以8位長的字節(jié)為長度單位，包括報(bào)頭和用戶數(shù)據(jù)。第49頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月校驗(yàn)和字段：該字段是可選擇的，如該字段值為0則表明不進(jìn)行校驗(yàn)。一般說來，使用校驗(yàn)和字段是必要的。檢查和的計(jì)算除了包括報(bào)頭和用戶數(shù)據(jù)外，還要加上12字節(jié)的偽首部。5. 偽首部：該字段只用于計(jì)算校驗(yàn)和，不會(huì)在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送。它由源IP地址、目的IP地址、UDP協(xié)議號(hào)（17）和UDP長度組成。第50頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、UDP數(shù)據(jù)報(bào)最大長度 由UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式可知，UDP數(shù)據(jù)報(bào)沒有標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)分段的字段，因而接收端無從知道所接收的數(shù)據(jù)報(bào)是否發(fā)生混序，是否是重復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)。為了避免這種情況發(fā)生，UDP