《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論》課件第5章

第5章傳輸層

傳輸層所使用的主要端口號傳輸服務(wù)和服務(wù)質(zhì)量UDP協(xié)議的報(bào)文格式TCP協(xié)議的報(bào)文格式及連接傳輸管理TCP的流量控制與擁塞控制5.1傳輸層協(xié)議概述

5.1.1基本概念

傳輸層的任務(wù)是，利用網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)并結(jié)合其本身的功能，完成主機(jī)進(jìn)程間的通信。傳輸層最終的目的是向用戶提供可靠、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。

TCP/IP的傳輸層有兩個(gè)不同的協(xié)議：（1）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議

UDP (UserDatagramProtocol)（2）傳輸控制協(xié)議

TCP(TransmissionControlProtocol)

兩個(gè)對等傳輸實(shí)體在通信時(shí)傳送的數(shù)據(jù)單位叫作傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元

TPDU(TransportProtocolDataUnit)TCP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是

TCP報(bào)文段(segment)，而

UDP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是

UDP報(bào)文或用戶數(shù)據(jù)報(bào)。

5.1.2傳輸層的端口

端口是一種抽象的軟件結(jié)構(gòu)，包括一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和I/O緩沖區(qū)。

端口是進(jìn)程訪問傳輸服務(wù)的入口點(diǎn)

為了標(biāo)識不同的端口，每個(gè)端口都擁有一個(gè)叫做端口號（portnumber）的整數(shù)標(biāo)識符

5.1.2傳輸層的端口

TCP/IP將端口分為兩大類，一類是服務(wù)器端使用的端口號，一類是客戶端使用的端口號。

在服務(wù)器端使用的端口號又分為兩類，一類叫熟知端口或系統(tǒng)端口號，數(shù)值一般為0~1023另一類叫登記端口號，數(shù)值為1024~49151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。（2）客戶端口號或短暫端口號，數(shù)值為49152~65535，留給客戶進(jìn)程選擇暫時(shí)使用。

5.2傳輸服務(wù)和服務(wù)質(zhì)量

5.2.1傳輸服務(wù)

傳輸服務(wù)包括兩種類型：面向連接的傳輸服務(wù)和無連接的傳輸服務(wù)。

面向連接的傳輸包括3個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和釋放連接

傳輸層的服務(wù)質(zhì)量（QusalityofService，QoS）可以用來衡量傳輸層的總體性能

衡量服務(wù)質(zhì)量QoS的主要性能指標(biāo)有：

（1）連接建立延遲

（2）連接建立失敗的概率。（3）吞吐率：（4）傳輸延遲：

5.2.2服務(wù)質(zhì)量

（5）殘余誤碼率。（6）安全保護(hù)。（7）優(yōu)先級。（8）恢復(fù)功能

5.3.1UDP概述用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP提供無連接不可靠的用戶數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。UDP是無連接的②UDP無連接狀態(tài)。較少的傳輸開銷。④無須對發(fā)送速率進(jìn)行管理。5.3用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP各字段意義如下所述。源端口字段：發(fā)送端UDP端口，當(dāng)不需要返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，該域?yàn)椋?。目的端口字段：目的端口號。長度字段：UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)的總長度，以字節(jié)為單位，最小值為8（報(bào)頭長）。檢驗(yàn)和字段：防止UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸中出錯(cuò)。

其中，?

協(xié)議（protocol）：含協(xié)議類型碼（“17”）。?

UDP長度：指ＵＤＰ用戶數(shù)據(jù)報(bào)的長度，不含偽報(bào)頭。?

填充域：目的在于使偽報(bào)頭長度為16比特的整數(shù)倍。5.4.2TCP報(bào)文格式

1．TCP報(bào)文段的首部5.4.3TCP連接傳輸管理

TCP連接傳輸管理使用三次握手協(xié)議來建立連接。其工作過程如下：

TCP協(xié)議在連接建立過程中要解決以下三個(gè)問題。（1）要使每一方能夠確知對方的存在。（2）要允許雙方協(xié)商一些參數(shù)（如最大報(bào)文段長度，最大窗口大小等）。（3）能夠?qū)鬏攲?shí)體資源（如緩存大小，連接表中的項(xiàng)目等）進(jìn)行分配。采用三次握手的目的是為了防止已失效的連接請求報(bào)文段突然又傳送到了主機(jī)B所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

TCP將單向地關(guān)閉這個(gè)連接。其過程如下

5.4.4TCP的流量控制與擁塞控制1．流量控制指讓發(fā)送方的發(fā)送速率能讓接收方來得及接收。TCP采用大小可變的滑動窗口進(jìn)行流量控制。窗口大小的單位是字節(jié)。

TCP采用滑動窗口機(jī)制解決兩個(gè)重要問題：傳輸效率和流量控制。

5.4.4TCP的流量控制與擁塞控制TCP的滑動窗口在TCP報(bào)文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當(dāng)前給對方設(shè)置的發(fā)送窗口數(shù)值的上限。發(fā)送窗口的大小在連接建立時(shí)由雙方商定。但在通信的過程中，接收端可根據(jù)自己的資源情況，隨時(shí)動態(tài)地調(diào)整對方的發(fā)送窗口上限值（可增大或減小）。為了在傳輸層進(jìn)行擁塞控制，1999年公布的因特網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定義了以下四種算法：慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)。

2．擁塞控制

TCP連接需要有以下兩個(gè)狀態(tài)變量：接收端窗口rwnd(receiverwindow)又稱為通知窗口(advertisedwindow)。擁塞窗口cwnd(congestionwindow)

2．擁塞控制

（1）設(shè)定慢啟動的門限窗口，并初始化擁塞窗口為1。（2）設(shè)定發(fā)送窗口發(fā)送窗口＝min[接收端窗口，擁塞窗口]（3）發(fā)送端收到了對所有發(fā)出報(bào)文段的確認(rèn)，就在下一次發(fā)送時(shí)將擁塞窗口加倍。（4）當(dāng)擁塞窗口>=門限窗口時(shí)，擁塞窗口按線性增長，否則，執(zhí)行擁塞避免算法。（5）如果出現(xiàn)超時(shí)，那么將超時(shí)處的窗口值大小的一半作為新的慢啟動門限窗口的值，同時(shí)擁塞窗口的大小變?yōu)?。（6）接著再循環(huán)進(jìn)行。

1。面向字符型控制規(guī)程（3）面向字符型幀格式所帶來：數(shù)據(jù)透明傳輸問題。解決方法：使用轉(zhuǎn)義字符DLE(10H)即：

1）將每個(gè)獨(dú)立的控制字符都作為普通的數(shù)據(jù)字符對待

2）僅當(dāng)控制字符緊隨在DLE之后時(shí)，才具有控制意義。

1。面向字符型控制規(guī)程面向字符型幀格式變成：DLESYNDLESYNDLESOH報(bào)頭DLESTX

正文DLE

ETX校驗(yàn)碼DLEETO

3）如果在正文中也出現(xiàn)了DLE

ETX，把其轉(zhuǎn)化為DLE

DLE

ETX。

（3）控制序列和控制協(xié)議1）確認(rèn)（ACK）控制序列

SYNSYNDLEACK2）否認(rèn)（NAK）控制序列

SYNSYNDLENAK

（3）控制序列和控制協(xié)議3）詢問（ENQ）控制序列

SYNSYN站地址DLEENQ4）拆鏈（EOT）；

SYNSYN站地址DLEEOT

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

1）建立連接階段（建立收發(fā)關(guān)系）

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

2）數(shù)據(jù)傳輸階段

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

3）拆除連接階段（釋放收發(fā)關(guān)系）

（4）面向字符的（傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制信息都是某個(gè)字符集，例如ASCII中的一個(gè)），存在的弱點(diǎn)：

1）采用停止等待協(xié)議，收發(fā)雙方交替工作，通信線路的利用率低

2）通信設(shè)備必須使用同樣字符代替，不同的BSC協(xié)議要求使用不同的代碼。

3）只對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行了差錯(cuò)控制，控制部分的差錯(cuò)得不到檢測，可靠性差。

4）不易擴(kuò)展，增加功能必須設(shè)定一個(gè)新得控制符。（1）定義面向比特型控制規(guī)程是靠約定比特模式（而不是靠使用特殊定義的字符）來定界幀的開始和結(jié)束。面向比特型控制規(guī)程的一個(gè)實(shí)例是：HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程）

2。面向比特型控制規(guī)程（2）HDLC適用于鏈路的兩種基本配置：

非平衡配置平衡配置。

非平衡配置的特點(diǎn)是由一個(gè)主站(primarystation)控制整個(gè)鏈路的工作。。

平衡配置特點(diǎn)是鏈路兩端的站為復(fù)合站，都可以發(fā)出命令和響應(yīng)。

2。面向比特型控制規(guī)程

2。面向比特型控制規(guī)程HDLC幀結(jié)構(gòu)各字段的意義數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送是以幀為單位的。（2）HDLC幀格式作用：表示一幀的開始和結(jié)束幀間的同步信號：當(dāng)幀與幀之間不發(fā)送信息時(shí)，可連續(xù)地發(fā)送標(biāo)志序列。透明傳輸解決方法：HDLC采用零比特填充法（使一幀中兩個(gè)F字段之間不會出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)1）。

1）標(biāo)志序列F（01111110）

0111111011011111001001100011110001111110011100101101111110起始標(biāo)志插入0插入0結(jié)束標(biāo)志例如：假設(shè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)為1101111101001100011110001111110111001011，通過零比特填充法處理后，發(fā)往線路的信息為：

地址字段8個(gè)比特。非平衡方式時(shí)，地址字段寫入次站的地址。平衡方式時(shí)，地址字段寫入確認(rèn)站的地址。2）地址字段

幀校驗(yàn)序列FCS為16比特。采用的生成多項(xiàng)式為CRC－CCITT。校驗(yàn)的范圍為地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特。3）幀校驗(yàn)序列字段

根據(jù)控制字段的前兩比特的不同，HDLC幀可以劃分為三大類，即信息幀、監(jiān)督幀和無編號幀，其簡稱分別是I(Information)、S(Supervisory)和U(Unnumbered)。若控制字段的第1比特為0，則該幀為信息幀。比特2~4為發(fā)送序號N(S)，而比特6~8為接收序號N(R)。N(S)表示當(dāng)前發(fā)送的信息幀的序號，而N(R)表示這個(gè)站所期望收到的幀的發(fā)送序號（該序號是由對方填入的）。在全雙工通信中，雙方各有一個(gè)N(S)和N(R)。 N(R)帶有確認(rèn)的意思。表示序號為[N(R)-1](mod8)的幀以及在這以前的各幀都已經(jīng)正確收到了。N(R)可以用來進(jìn)行捎帶確認(rèn)。第5比特是P/F字段。主站將P比特置為1表示要求對方立即發(fā)送響應(yīng)。對方確認(rèn)幀若將F比特置為1表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。3．監(jiān)督幀 若控制字段的第1~2比特為10，則對應(yīng)的幀即為監(jiān)督幀S。監(jiān)督幀共有四種，取決于第3~4比特的值(如圖3-11中標(biāo)有S的二比特)。表3-1是這四種監(jiān)督幀的名稱和功能。（1）S=00，接收準(zhǔn)備就緒（RR）幀，表示準(zhǔn)備接收下一幀并確認(rèn)序號為N(R)-1及其以前的各幀。（2）S=10，接收未就緒（RNR）幀，表示暫停接收下一幀數(shù)據(jù)，但確認(rèn)序號為N(R)-1及其以前的各幀。（3）S=01，拒絕接收（REJ）幀，發(fā)送該REJ監(jiān)控幀的一方說明已經(jīng)確認(rèn)序號為N(R)-1及其以前的各幀，但編號N(R)的幀有差錯(cuò)，希望對方重發(fā)編號為N(R)及其以后的所有幀。（4）S=11，選擇接收（SREJ）幀，該幀的含義類似REJ幀，但希望對方僅僅重發(fā)第N(R)幀。

前三種用于連續(xù)ARQ協(xié)議中，最后一種用于選擇重傳ARQ協(xié)議中。監(jiān)督幀中不包含數(shù)據(jù)，所以總的長度只有48比特。不需要有發(fā)送序號N(S)。前兩種相當(dāng)于確認(rèn)幀ACK。REJ相當(dāng)于NAK。

RR幀和RNR幀還具有流量控制的作用。5．無編號幀若控制字段的第1~2比特都是1時(shí)，這個(gè)幀就是無編號幀U。因?yàn)椴淮嬖贜(S)和N(R)字段。3.2.2局域網(wǎng)的參考模型與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)多采用廣播式傳輸，需要很好地解決多個(gè)設(shè)備對子信道的爭用問題局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一方面必須設(shè)法解決由于競爭所帶來的信息沖突問題；另一方面又要對通信協(xié)議中的一些功能進(jìn)行相應(yīng)的簡化。3.2.2局域網(wǎng)的參考模型與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

一個(gè)局域網(wǎng)（LAN）通常由四個(gè)部分組成,分別是：服務(wù)器、工作站、通信設(shè)備和通信協(xié)議。在局域網(wǎng)中所有的通信處理功能是由網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)的，但在物理上卻不明顯。有時(shí)為了擴(kuò)展局域網(wǎng)絡(luò)的范圍還要引入路由器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)和通信服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)部件。3.2.3局域網(wǎng)的構(gòu)成1.服務(wù)器

服務(wù)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心，它為網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)并管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

服務(wù)器分為：文件服務(wù)器、打印服務(wù)器和通信服務(wù)器。2.客戶機(jī)

客戶機(jī)是指當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)連接到局域網(wǎng)上時(shí)，這臺計(jì)算機(jī)就成為局域網(wǎng)的一個(gè)客戶機(jī)?？蛻魴C(jī)是用戶和網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)備，用戶通過它可以與網(wǎng)絡(luò)交換信息，共享網(wǎng)絡(luò)資源。客戶機(jī)通過網(wǎng)卡、通信介質(zhì)以及通信設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器?？蛻魴C(jī)與服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中的作用比較？

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是指連接服務(wù)器與工作站之間的物理線路（又稱傳輸媒體、或傳輸介質(zhì)）或連接設(shè)備（包括有網(wǎng)絡(luò)適配器、集線器和交換機(jī)等）。

3.網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

1．網(wǎng)絡(luò)適配器

網(wǎng)絡(luò)適配器NIC（NetworkInterfaceCard）也就是俗稱的網(wǎng)卡。網(wǎng)卡除了起到物理接口作用外，還有控制數(shù)據(jù)傳送的功能，網(wǎng)卡一方面負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)上傳過來的數(shù)據(jù)包，解包后，將數(shù)據(jù)通過主板上的總線傳輸給本地計(jì)算機(jī)；另一方面它將本地計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)打包后送入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)卡還有串—并轉(zhuǎn)換功能。2．集線器

集線器又稱集中器，也就是俗稱的HUB。集線器是把來自不同的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電纜集中配置于一體，它是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)電纜的中間轉(zhuǎn)接設(shè)備，象樹的主干一樣，集線器是各分枝的匯集點(diǎn)，是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理的主要設(shè)備。（3）交換機(jī)

交換機(jī)（Switch）大多數(shù)是工作在OSI的7層模型中的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層）的設(shè)備，作用是對封裝數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并減少沖突域、隔離廣播“風(fēng)暴”。（3）交換機(jī)

交換機(jī)（Switch）的數(shù)據(jù)交換方式：直通方式（Cutthrough）：存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式（Store&Forward）：③無碎片直通方式（FragmentFree）（4）路由器路由器（Router）是工作在OSI的7層模型中的第三層（網(wǎng)絡(luò)層）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備路由的主要作用是將不同的網(wǎng)段連接起來，或是將不同網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)上運(yùn)行的不同協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)互通。4.通信協(xié)議

為了完成兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換而必須遵守的一系列規(guī)則和約定稱為通信協(xié)議。在局域網(wǎng)絡(luò)中一般使用的通信協(xié)議有：

NetBEUI（用戶擴(kuò)展接口）協(xié)議

IPX/SPX（網(wǎng)際交換/順序包交換）協(xié)議

TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）。

3.3以太網(wǎng)以太網(wǎng)（Ethernet）是由美國Xerox公司和Stanford大學(xué)聯(lián)合開發(fā)并于1975年提出的，目的是為了把辦公室工作站與昂貴的計(jì)算機(jī)資源連接起來，以便能從工作站上分享計(jì)算機(jī)資源和其他硬件設(shè)備。

一、以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

1980年9月，Dec公司、Intel公司和施樂公司聯(lián)合提出了10Mbps的以太網(wǎng)第一個(gè)版本的DIXV1。1982年出第二版DIXV2，這個(gè)版本成為世界第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)約。1983年IEEE802委員會公布的802.3局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（CSMA/CD），基本上和Ethernet技術(shù)規(guī)范一致，于是，Ethernet技術(shù)規(guī)范成為世界上第一個(gè)局域網(wǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：DIX

EthernetV2

IEEE802.3以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)：

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層

提出以太網(wǎng)基于下面的想法：要尋找一種最簡單的方法將一些相距較近的計(jì)算機(jī)互相連接起來，使它們可以很方便和很可靠地進(jìn)行較高速率的數(shù)據(jù)通信。與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)。不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說是都透明的。只有在MAC子層才能看見所連接的是采用什么標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)。CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測最初此協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是在一根總線上完成的。為什么在總線上完成？簡單、可靠。且是無源器件。3.3.2以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方式總線的特點(diǎn)：采用廣播通信，并采用每臺主機(jī)使用不同的地址。在幀中寫時(shí)接收站地址，此地址與某主機(jī)地址相同時(shí)，該主機(jī)接收數(shù)據(jù)。1、CSMA/CD協(xié)議為通信方便，以太網(wǎng)采取了兩種主要的措施：1。采用無連接方式2。以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。（為什么？）1、CSMA/CD協(xié)議因此，以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。目的站收到錯(cuò)幀丟棄，差錯(cuò)由高層來決定。如：高層采用TCP協(xié)議，TCP發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)丟失，經(jīng)過一段時(shí)間后，TCP將這些數(shù)據(jù)重新傳遞給以太網(wǎng)。但以太網(wǎng)并不知道這是一個(gè)重傳的數(shù)據(jù)幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的幀來發(fā)送。1、CSMA/CD協(xié)議以太網(wǎng)采用的介質(zhì)訪問控制方式（MAC）是CSMA/CD。下面說明其要點(diǎn)：“多點(diǎn)接入”：多臺計(jì)算機(jī)通過一根總線連接?！拜d波監(jiān)聽”：指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否忙，忙則等待。如何檢測總線忙？1、CSMA/CD協(xié)議“碰撞檢測”（也稱沖突檢測）即計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上是否產(chǎn)生沖突。如何檢測沖突的產(chǎn)生呢？檢測沖突后，停止發(fā)送數(shù)據(jù)，但發(fā)送干攏串（Jam串）以加強(qiáng)沖突，目的告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生沖突。1、CSMA/CD協(xié)議在這種工作方式下為