計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 課件【ch06】運(yùn)輸層

第六章運(yùn)輸層新工科建設(shè)·網(wǎng)絡(luò)工程系列教材計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)01運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層的功能運(yùn)輸層位于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第4層，上面是應(yīng)用層，下面是網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)了IP分組的路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)，也就是網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，但是不能為實現(xiàn)應(yīng)用層的各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能提供服務(wù)。運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層協(xié)議根據(jù)應(yīng)用程序的不同要求，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸層主要有兩個協(xié)議：無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP,UserDatagramProtocol)和面向連接的傳輸控制協(xié)議(TCP,TransmissionControlProtocol)。這兩個協(xié)議都是互聯(lián)網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)，它們所使用的協(xié)議數(shù)據(jù)單元分別為UDP用戶數(shù)據(jù)報和TCP報文段。運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層的端口

運(yùn)輸層端口就是運(yùn)輸層的服務(wù)訪問點，端口的作用就是讓應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運(yùn)輸層，并且讓運(yùn)輸層知道應(yīng)當(dāng)將其報文段中的數(shù)據(jù)向上通過端口交付給應(yīng)用層相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程。運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層的端口

運(yùn)輸層端口就是運(yùn)輸層的服務(wù)訪問點，端口的作用就是讓應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運(yùn)輸層，并且讓運(yùn)輸層知道應(yīng)當(dāng)將其報文段中的數(shù)據(jù)向上通過端口交付給應(yīng)用層相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程。運(yùn)輸層概述02用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)用于在IP提供主機(jī)通信的基礎(chǔ)上通過端口機(jī)制提供進(jìn)程通信功能。雖然UDP和TCP處于同一個分層中，但是與TCP不同，UDP只在IP數(shù)據(jù)報服務(wù)之上增加了復(fù)用和分用的功能，以及差錯檢測的功能，不提供超時重傳、差錯重傳等功能，也就是說，UDP是不可靠的協(xié)議。UDP的主要特點用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP用戶數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)部分組成，如圖6-4所示。其中首部的長度固定為8字節(jié)，包括源端口、目標(biāo)端口、長度與校驗和4個字段。各字段的含義如下。(1)源端口；(2)目標(biāo)端口；(3)長度；(4)校驗和；UDP用戶數(shù)據(jù)報格式用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP用戶數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)部分組成，如圖6-4所示。其中首部的長度固定為8字節(jié)，包括源端口、目標(biāo)端口、長度與校驗和4個字段。各字段的含義如下。(1)源端口；(2)目標(biāo)端口；(3)長度；(4)校驗和；UDP用戶數(shù)據(jù)報格式用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議在發(fā)送端，首先將偽首部添加到UDP用戶數(shù)據(jù)報前面，將校驗和字段置為全0,然后把偽首部及UDP用戶數(shù)據(jù)報的所有位按16位一組進(jìn)行劃分，如果UDP用戶數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)不是偶數(shù)，則要用全0字節(jié)進(jìn)行填充(此填充字節(jié)只用于校驗和計算，不發(fā)送)。UDP用戶數(shù)據(jù)報格式用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議在接收端，將收到的UDP用戶數(shù)據(jù)報連同偽首部以及可能填充的全0字節(jié)一起按二進(jìn)制反碼求這些16位的字的和，若結(jié)果為全1則表明無傳輸差錯，否則表明有差錯，接收端應(yīng)丟棄這個UDP用戶數(shù)據(jù)報(也可以上交給應(yīng)用層，但需要附上出現(xiàn)差錯的警告)。UDP用戶數(shù)據(jù)報格式03傳輸控制協(xié)議TCP概述1.TCP的主要特點(1)TCP是面向連接的協(xié)議。(2)TCP實現(xiàn)點對點通信。(3)TCP提供可靠交付的服務(wù)。(4)TCP提供全雙工通信。(5)TCP是面向字節(jié)流的協(xié)議。傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP概述2.TCP連接運(yùn)輸層協(xié)議實現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程間端到端的通信，主機(jī)中的不同進(jìn)程可能同時進(jìn)行通信，并使用端口號進(jìn)行區(qū)分。TCP把連接作為最基本的抽象，每條TCP連接有兩個端點，TCP連接的端點不是主機(jī)，不是主機(jī)的IP地址，不是應(yīng)用進(jìn)程，也不是運(yùn)輸層的協(xié)議端口。傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP連接管理TCP是面向連接的協(xié)議，連接是用來傳送TCP報文段的。在每次面向連接的通信中，TCP連接的建立和釋放都是必不可少的兩個過程。連接有三個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。連接管理的目的就是要保證運(yùn)輸連接的建立和釋放均能正常地進(jìn)行。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

在建立TCP連接時，要解決三個問題：①要使每一方均能夠確知對方的存在；②要允許雙方協(xié)商一些參數(shù)(如最大窗口值、是否使用窗口擴(kuò)大選項和時間截選項及服務(wù)質(zhì)量等);③能夠?qū)\(yùn)輸實體的資源(如緩存大小、連接表中的項目等)進(jìn)行分配。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

(1)TCP連接的建立TCP連接建立的過程如圖6-7所示。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

(1)TCP連接的建立TCP連接建立的過程如圖6-7所示。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

(2)TCP連接的釋放TCP連接建立后，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

(1)TCP連接的建立TCP連接建立的過程如圖6-7所示。傳輸控制協(xié)議TCP連接管理

(1)TCP連接的建立TCP連接建立的過程如圖6-7所示。傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議1.可靠傳輸(1)停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議的基本原理就是每發(fā)完一個分組就停止發(fā)送，等待對方確認(rèn)(回復(fù)ACK)。如果過了一段時間(超時)后，還是沒有收到ACK,就表明沒有發(fā)送成功，需要重新發(fā)送，直到收到ACK后再發(fā)下一個分組。TCP傳輸控制傳輸控制協(xié)議1.可靠傳輸(1)停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議的基本原理就是每發(fā)完一個分組就停止發(fā)送，等待對方確認(rèn)(回復(fù)ACK)。如果過了一段時間(超時)后，還是沒有收到ACK,就表明沒有發(fā)送成功，需要重新發(fā)送，直到收到ACK后再發(fā)下一個分組。TCP傳輸控制傳輸控制協(xié)議1.可靠傳輸(2)連續(xù)ARQ協(xié)議停止等待協(xié)議的優(yōu)點是簡單，但缺點是信道利用率太低。為了提高傳輸效率，可以使用連續(xù)ARQ協(xié)議。TCP傳輸控制傳輸控制協(xié)議1.可靠傳輸(1)停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議的基本原理就是每發(fā)完一個分組就停止發(fā)送，等待對方確認(rèn)(回復(fù)ACK)。如果過了一段時間(超時)后，還是沒有收到ACK,就表明沒有發(fā)送成功，需要重新發(fā)送，直到收到ACK后再發(fā)下一個分組。TCP傳輸控制傳輸控制協(xié)議2.流量控制一般來說，發(fā)送方總是希望數(shù)據(jù)能傳輸?shù)酶煲恍?，但是如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過快，接收方可能來不及接收，這樣就可能造成數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，既要讓接收方來得及接收，也不會使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。TCP傳輸控制傳輸控制協(xié)議3.超時重傳TCP連接的一個重要特性就是為上層服務(wù)提供可靠的傳輸，由于TCP連接是建立在不可靠的網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)之上的，因此必然會涉及報文段丟失問題。TCP傳輸控制TCP擁塞控制1.擁塞控制原理計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有許多資源(如帶寬、緩存、處理機(jī)等),當(dāng)對網(wǎng)絡(luò)中某種資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，就會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞(congestion)。傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制2.TCP擁塞控制方法為了進(jìn)行擁塞控制，TCP標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了幾次改動和增強(qiáng)，形成了多種不同的版本，如TCPTahoe、TCPReno、TCPNewReno等，其中TCPReno是目前應(yīng)用最廣泛的TCP版本。其擁塞控制機(jī)制包括慢啟動(slow-start)、擁塞避免(congestionavoidance)、快速重傳(fastretransmit)和快速恢復(fù)(fastrecovery)4個階段。傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制TCP擁塞控制機(jī)制規(guī)定了如何確定合適的擁塞窗口大小，擁塞控制就是通過控制一些重要參數(shù)的改變來實現(xiàn)的。用于擁塞控制的參數(shù)主要有以下5個。①擁塞窗口(cwnd)；②通告窗口或接收窗口(rwnd)；③慢啟動閾值(ssthresh)；④往返時間(RTT)；⑤重傳超時計時器(RTO)；傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制(1)慢啟動與擁塞避免當(dāng)啟動一個連接或出現(xiàn)超時時，連接進(jìn)入慢啟動狀態(tài)。cwnd的初始值在該狀態(tài)開始時被設(shè)置為一個發(fā)送方最大報文段(MSS),這就是說，只允許發(fā)送一個報文段，并在傳送第二個報文段前等待確認(rèn)的到來。傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制(1)慢啟動與擁塞避免當(dāng)啟動一個連接或出現(xiàn)超時時，連接進(jìn)入慢啟動狀態(tài)。cwnd的初始值在該狀態(tài)開始時被設(shè)置為一個發(fā)送方最大報文段(MSS),這就是說，只允許發(fā)送一個報文段，并在傳送第二個報文段前等待確認(rèn)的到來。傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制(2)快速重傳和快速恢復(fù)慢啟動與擁塞避免是TCP最早使用的擁塞控制算法，為了盡快判明網(wǎng)絡(luò)是否真正出現(xiàn)了擁塞，而不必因等待RTO超時而浪費(fèi)較長的時間，在TCP擁塞控制算法中又增加了快速重傳和快速恢復(fù)。傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制(1)慢啟動與擁塞避免當(dāng)啟動一個連接或出現(xiàn)超時時，連接進(jìn)入慢啟動狀態(tài)。cwnd的初始值在該狀態(tài)開始時被設(shè)置為一個發(fā)送方最大報文段(MSS),這就是說，只允許發(fā)送一個報文段，并在傳送第二個報文段前等待確認(rèn)的到來。傳輸控制協(xié)議TCP擁塞控制快速恢復(fù)算法的思路是：當(dāng)發(fā)送方收到三個重復(fù)的某確認(rèn)報文段時，調(diào)整慢啟動閾值，使其為當(dāng)前擁塞窗口大小的一半，即ssthresh=cwnd/2,然后將cwnd設(shè)置為調(diào)整后的ssthresh值(見圖6-21中的點5),并