《計算機網(wǎng)絡(luò)與通信》課件-項目11 了解TCP、UDP協(xié)議

學習目標知識目標：UDP和TCP協(xié)議知識技能目標：能夠分辨應(yīng)用程序使用的是那個傳輸層協(xié)議素質(zhì)目標：工程素質(zhì)概述在DoD模型中，傳輸層位于網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間，主要的功能是負責應(yīng)用程序之間的通訊。連接端口管理、流量控制、錯誤處理與數(shù)據(jù)重發(fā)都是傳輸層的工作。本章將介紹TCP/IP協(xié)議組合在傳輸層的兩個協(xié)議：UDP與TCP，借此說明傳輸層的各項功能。11.1UDP信息包的結(jié)構(gòu)和特性

11.1.1UDP信息包的結(jié)構(gòu)UDP信息包是由UDP報頭和UDP數(shù)據(jù)兩部分所組成：UDP報頭的結(jié)構(gòu)11.1.2UDPUDP(UserDatagramProtocol)是一個相當常用的協(xié)議，僅提供連接端口(Port)處理的功能。UDP具有以下特性：1．UDP報頭可記錄信息包來源端與目的端的連接端口信息，讓信息包能夠正確地送達目的端的應(yīng)用程序。2．無連接(Connectionless)的傳送特性。UDP與IP雖然是在不同層運作，但都是以非連接式的方式來傳送信息包。出于此特性，使得UDP的傳送過程比較簡單，但是相對地可靠性較差，在傳送過程中若發(fā)生問題，UDP并不具有確認、重送等機制，而是必須靠上層(應(yīng)用層)的協(xié)議來處理這些問題。使用UDP的應(yīng)用程序，通常是基于以下的考慮：1．為了要降低對計算機資源的需求。以DNS服務(wù)為例，由于可能要面對大量客戶端的詢問，若是使用TCP可能會耗費許多計算機資源，因此使用資源需求較低的UDP。2．應(yīng)用程序本身已提供數(shù)據(jù)完整性的檢查機制，因此毋須依賴傳輸層的協(xié)議來執(zhí)行此工作。此外，若應(yīng)用程序傳輸?shù)牟⒎顷P(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，例如：路由器會周期性地交換路由信息，若這次傳送失敗，下次仍有機會將信息重送。在這種情況下，也會使用UDP作為傳輸層的協(xié)議。3．要使用多點傳送(Multicast)或廣播傳送(Broadcast)等一對多的傳送方式時，必須使用UDP。這是因為使用面向連接(Connection-Oriented)傳送方式的TCP，僅限于一對一的傳送方式。11.1.3連接端口

UDP最重要的功能是管理連接端口。從先前介紹IP的章節(jié)中，我們已經(jīng)知道IP的功能是要將信息包正確地傳送至目的地。不過，當IP信息包送達目的地時，接下來便立即面臨一個問題，計算機上可能同時執(zhí)行多個應(yīng)用程序，例如：用戶同時打開IntemetExplorer與OutlookExpress，那么收到的IP信息包應(yīng)該送至哪一個應(yīng)用程序呢?UDP便是利用連接端口來解決上述的問題。連接端口的英文為Port，但它并非像是計算機并行口或串行口等實體的接頭，而是屬于一種邏輯上的概念。每一部使用TCP／IP的計算機，都會有許多連接端口，并使用編號以區(qū)分。應(yīng)用程序若通過TCP／IP存取數(shù)據(jù)，就必須獨占一個連接端口編號。因此，當主機收到IP信息包后，可以憑此連接端口號，判斷要將信息包送給哪一個應(yīng)用程序來處理。連接端口號與IP地址兩者合起來稱為SocketAddress(簡稱為Socket)，可用來定義IP信息包最后送達的終點，亦即目的地應(yīng)用程序。以現(xiàn)實生活為例，IP地址就如同某棟建筑物的地址，而連接端口號就如同建筑物內(nèi)的房間或窗口的號碼。假設(shè)您要去郵政總局聯(lián)系業(yè)務(wù)，若只知道其地址為“雨花區(qū)韶山南路12號”，您只能找到該棟大樓。但是，郵政總局里面可能有許多個窗口，因此，只知道地址是不夠的，您還必須知道要去哪個窗口辦理。如果您能事先知道“雨花區(qū)韶山南路12號第8號窗口”這樣的信息，便能迅速正確地找到要去的部門。IP地址與連接端口號也是同樣的道理。一部計算機或許只有一個IP地址，但可能同時執(zhí)行許多個應(yīng)用程序。應(yīng)用程序彼此之間以連接端口號來區(qū)分。當計算機收到IP信息包時，便可根據(jù)其連接端口號(記錄在傳輸層協(xié)議的報頭中)判斷要交由哪個應(yīng)用程序來處理。當然，每個信息包除了要記錄目的端的連接端口號外，也會記錄來源端的連接端口號，以便相互傳遞信息包。所有與連接端口相關(guān)的工作，都是由傳輸層的協(xié)議來負責。連接端口號為16Bits長度的數(shù)字，可從0至65535。按照IANA(IntemetAssignedNumbersAuthority)的規(guī)定，0-1023的連接端口號稱為“Well-Known”(知名的)連接端口，主要給提供服務(wù)的應(yīng)用程序使用。凡是在IANA登記有檔案的應(yīng)用程序，都會分配到一個介于0-1023之間的固定連接端口號。例如：DNS為53，代表DNS服務(wù)都應(yīng)使用53的連接端口號。至于1024-65535的連接端口號則稱為“Registered／Dynamic”(動態(tài))連接端口，由客戶端自行使用。例如：客戶端使用IntemetExplorer連上網(wǎng)站時，系統(tǒng)會隨機分配一個連接端口號供InternetExplore使用。表11-1常見的Well-Known連接端口協(xié)議連接端口號應(yīng)用程序UDP53DNSUDP67BOOTPClientUDP68BOOTPServerUDP520RIPTCP19NNTPTCP20FTPDataTCP21FTPControlTCP23TelnetTCP25SMTPTCP80HTTP為什么服務(wù)器應(yīng)用程序必須使用Well-Known連接端口，而客戶端應(yīng)用程序可使用Registered／Dynamic連接端口呢?這是因為在—般網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，兩部計算機若要互傳信息包，一開始都是由客戶端主動送出信息包給服務(wù)器。換言之客戶端必須在送出信息包前便知道服務(wù)器應(yīng)用程序的連接端口號。因此服務(wù)器應(yīng)用程序所使用的連接端口號勢必遵循—套大家公認的規(guī)則，例如：Telnet服務(wù)應(yīng)該固定使用編號為23的連接端口，Web服務(wù)應(yīng)該固定使用編號為80的連接端口等。這些規(guī)則即形成了Well-Known的連接端口。至于客戶端應(yīng)用程序的連接端口號，由于服務(wù)器收到來自客戶端的信息包后，從報頭中便可得知客戶端應(yīng)用程序的連接端口號。因此，客戶端應(yīng)用程序不必像服務(wù)器樣必須硬性規(guī)定連接端口號。11.2TCP報頭及TCP的特性

11.2.1TCP信息包的結(jié)構(gòu)TCP報頭結(jié)構(gòu)TCP報頭結(jié)構(gòu)如圖11.4所示。其中主要字段的含義先簡單例在下面，以后用到時再詳細介紹其用途。

源端口：來源連接端口號，記錄來源端主機（A）上層應(yīng)用程序所用的TCP連接端口號。

目的端口：目的連接端口號，記錄目的端主機（B）上層應(yīng)用程序所用的TCP連接端口號。

順序號：記錄TCP數(shù)據(jù)的第1Byte在A→B傳輸通道字節(jié)流（BytesStream）中的位置。單位為Byte。

確認號：也稱為響應(yīng)序號，記錄A→B傳輸通道中，已收到連續(xù)性數(shù)據(jù)在A→BBytesStream中的位置，單位為Byte。

標志位可用來通知對方報頭中記錄了哪些有用的信息。以下為TCP報頭中常用的標志位。SYN：Synchronize(同步)，代表序號字段記載的是初始序號ISN，換言之，此信息包為連接建立時第1或第2步驟的信息包。ACK：Acknowledge(響應(yīng))，代表響應(yīng)序號字段包含了確認的信息。FIN：Finish(完成)，代表A→B已傳送完畢。只有在中止連線的第2或第4步驟，才會設(shè)置此標志位。窗口大小:設(shè)置來源端的發(fā)送窗口的大小11.2.2TCP的特性TCP為傳輸層的協(xié)議，與UDP同樣地具備處理連接端口的功能。除了連接端口功能外，更重要的是TCP提供了一種“可靠”的傳送機制。所謂“可靠”的傳輸方式，大致上可以歸納出TCP具有以下幾種特性：1．數(shù)據(jù)確認與重送當TCP來源端在傳送數(shù)據(jù)時，通過與目的端的相互溝通，可以確認目的端已收到送出的數(shù)據(jù)。如果目的端未收到某一部分數(shù)據(jù)，來源端便可用重送的機制，重新傳送該數(shù)據(jù)。2．流量控制由于軟、硬件上的差異，每一部計算機處理數(shù)據(jù)的速度各不相同，因此TCP具有流量控制的功能，能夠視情況調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，盡量減少數(shù)據(jù)流失的狀況。3．面向連接TCP為面向連接(Connection-Oriented)的通訊協(xié)議。所謂“面向連接”，是指應(yīng)用程序利用TCP傳輸數(shù)據(jù)時，首先必須建立TCP連接，彼此協(xié)調(diào)必要的參數(shù)(用于上述數(shù)據(jù)重發(fā)與確認、流量控制等功能)，然后以連接為基礎(chǔ)來傳送數(shù)據(jù)。11.3TCP傳送機制

11.3.1確認與重發(fā)以下我們就利用一個簡單的模型，解釋如何以“確認與重發(fā)”的機制，可靠地傳送信息包。假設(shè)A要傳送信息包給B，通過下列步驟，A便可確認B已收到信息包：（1）A首先傳送Packet1信息包給B，然后開始計時，并等待B的響應(yīng)。（2）B收到Packet1信息包后，傳送ACK1信息包給A。ACK1信息包的內(nèi)容為“我已經(jīng)收到Packet1信息包了”。（3）A如果在預定的時間內(nèi)收到ACK1信息包，便可確認Packet1正常地到達目的地。接著即可傳送Packet2信息包給B，然后開始計時，并等待B的響應(yīng)。（4）B收到Packet2信息包后，傳送ACK2信息包給A。ACK2信息包的內(nèi)容為“我已經(jīng)收到Packet2信息包了”(如圖11.5)。至于在信息包傳送的過程中若出現(xiàn)錯誤，例如：Packet2在傳送途中失蹤了，此時B便不會發(fā)出ACK2給A。A若在預定的時間內(nèi)沒有收到ACK2，即判定B未收到Packet2，因此便重新傳送Packet2給B(見圖11.6)。11.3.2滑動窗口技術(shù)

上述信息包傳送的過程，雖然具有確認與重送的功能，但在性能方面卻造成很大的問題。這是因為當A每傳送出去一個信息包后，便只能耐心等，—直等到收到對應(yīng)的ACK信息包后，才能傳送下—個信息包。如果真的操作出這樣的協(xié)議，在整個傳送過程中，絕大部分時間勢必都浪費在等待ACK信息包。為了解決這個問題，就有聰明人想出一種叫做“SlidingWindow”的技術(shù)。讀者可以想象用一張中間挖空的厚紙板，挖空的部分即是所謂的Window，我們可從挖空的部分去查看來源端傳送出去的信息包。接著仍舊以A為來源端、B為目的端，說明如何利用SlidingWindow的機制來傳送信息包。在傳送—開始時，A的SlidingWindow應(yīng)該如圖11.7所示。圖11.7開始傳送時，A的滑動窗口A首先將Window內(nèi)看得見的所有信息包送出，也就是送出Packetl、Packet2和Packet3信息包，然后分別對這些信息包計時，并等候B響應(yīng)。B收到信息包后，會按信息包編號送回對應(yīng)的ACK信息包給A。例如，B收到Packet1，便會送回ACK1給A，假設(shè)一切正常，A首先會收到ACK1，接著便執(zhí)行以下操作：（1）將Packet1標示為“完成”(見圖11.8)。（2）將SlidingWindows往右滑動一格(如圖11.9)（3）將新進入SlidingWindow的Packet4(位于窗口的最右邊)送出。接下來當A收到ACK2與ACK3信息包時，仍重復上述步驟。整個過程如圖11.10所示。通過SlidingWindow方式，A可以迅速送出多個信息包。相對于每送出一個信息包便等待響應(yīng)ACK的信息，SlidingWindow顯然具有較佳的傳輸效率。這個問題在項目1中就分析過。11.3.3發(fā)送與接收窗口

先前說明SlidingWindow所舉的例子中，僅A具有SlidingWindow。不過，實際上TCP的來源端與目的端會有各自的SlidingWindow。為了方便區(qū)分，我們將來源端的SlidingWindow稱為SendWindow(發(fā)送窗口)，目的端的SlidingWindow稱為ReceiveWindow(接收窗口)。我們?nèi)耘f以A為來源端、B為目的端，在傳送—開始時，B的接收窗口應(yīng)該如圖11.12所示。假設(shè)B是以Packet3、Packet1、Packet2的順序收到信息包，則B的ReceiveWindow會進行如下的操作：(1)．B最先收到Packet3，這時候只要將Packet3標示為“收到”。由丁Packet3并非Window最左邊的信息包，因此不必送出ACK，也不用移動ReceiveWindow(見圖11-13)。(2)收到Packet1,這時候B除了將Packet1標示為“收到”外，因為Packet1為window最左邊的信息，因此必須送出ACK1，并將接收窗口向右移動一格(如圖11-14)(3)收到Packet2,這時候B除了將Packet2示為“收到”外，將接收窗口向右移動。因為Packet2后面的Packet3已標示為“收到”，因此會送出ACK2與ACK3，然后將接收窗口向右移動2格(如圖11-15)。下圖11-16總結(jié)發(fā)送與接收窗口在上述步驟中的變化。在接收窗口中，當信息包從窗口的最左邊出去后，即已送出對應(yīng)的ACK后，接著就應(yīng)該交給上層應(yīng)用程序了。不過，為了提高性能，B不會將這些信息包逐一轉(zhuǎn)交給上層應(yīng)用程序，而是先將它們放在緩沖區(qū)，緩沖區(qū)滿了后再一次送給上層應(yīng)用程序。11.3.4窗口大小與流量控制

TCP具有一項重要的功能，便是流量控制(FlowControl)，TCP能夠視情況需要隨時調(diào)整數(shù)據(jù)傳送速度。流量控制主要是靠滑動窗口的大小(稱為WindowSize)來調(diào)整：當WindowSize變小時，流量會變慢;當WindowSize變大時，流量會變快，但是相對地，較大的WindowSize會耗費較多的計算機資源。在決定WindowSize時，必須衡量上述兩種因素，從中取得平衡點。例如當計算機因為配備不夠好，或太忙時，會盡量使用較小的Window來傳輸信息。那么，WindowSize是由誰來決定的呢?答案是目的端。以先前的例子來說，B根據(jù)本身的狀況決定ReceiveWindow大小，然后將此信息放在ACK信息包中通知A，A再將發(fā)送窗口調(diào)整為相同的大小。11.3.6