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

1、第第6章章 互聯(lián)網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)（internet）2022-5-52第六章第六章 Internet6.1 Internet概述6.2 協(xié)議與互連的原理6.3 IP層6.4 運(yùn)輸層 6.5 應(yīng)用層6.6 IPv62022-5-53第十章第十章 Internet的運(yùn)輸層的運(yùn)輸層applicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetwo

2、rkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicallogical end-end transport問(wèn)題：1)IP層只提供Besteffort的服務(wù)，如果用戶需要可靠的服務(wù)怎么辦？2) 主機(jī)上正在通信的一對(duì)進(jìn)程相互間如何尋址？2022-5-54Internet傳輸層協(xié)議概述傳輸層協(xié)議概述應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接入層TCPUDP2022-5-55TCP/UDP報(bào)文段格式報(bào)文段格式0816243116位源端口16位目的端口32位序列號(hào)32位確認(rèn)號(hào)URGACKPSHRSTSYNFIN首部長(zhǎng)度保留(6位)16位窗口大小16位TCP校驗(yàn)和16位緊急指針選項(xiàng)數(shù)據(jù)0816

3、243116位源端口16位目的端口16位UDP校驗(yàn)和數(shù)據(jù)UDP報(bào)文段格式報(bào)文段格式TCP報(bào)文段格式報(bào)文段格式16位UDP長(zhǎng)度2022-5-561運(yùn)輸層運(yùn)輸層的協(xié)議和服務(wù)的協(xié)議和服務(wù)l兩個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議TCP，UDPl運(yùn)輸層提供基于端口號(hào)的復(fù)用能力。l運(yùn)輸層運(yùn)行于端系統(tǒng)之上，提供不同主機(jī)上進(jìn)程之間的邏輯通信能力。lTCP在兩個(gè)進(jìn)程間提供可靠數(shù)據(jù)傳送服務(wù)lTCP段的結(jié)構(gòu)l接收證實(shí)和超時(shí)重傳l流量控制l連接管理l擁塞控制但TCP不保證時(shí)延和帶寬2022-5-57TCP保證可靠服務(wù)的機(jī)制保證可靠服務(wù)的機(jī)制l數(shù)據(jù)報(bào)丟失：引入接收確認(rèn)，重傳機(jī)制l錯(cuò)序：在段中引入順序號(hào)，使在最終目的地可以進(jìn)行分段的重裝。lCh

4、ecksum：保證識(shí)別傳輸中的差錯(cuò)l慢的接收者：引入流控機(jī)制，使接收者可控制發(fā)送者的速率。l網(wǎng)絡(luò)擁塞：控制源端的發(fā)送量，使之不超過(guò)網(wǎng)絡(luò)的處理能力。l并發(fā)復(fù)用：引入端口號(hào)來(lái)區(qū)分不同的連接2022-5-582 TCP報(bào)文段的格式報(bào)文段的格式源端口號(hào)目的端口號(hào)32 bits 應(yīng)用數(shù)據(jù)（可變長(zhǎng)）順序號(hào)確認(rèn)號(hào)接收窗口緊急指針校驗(yàn)和FSRPAU頭部長(zhǎng)度保留可選項(xiàng)(變長(zhǎng))20字節(jié)小于40字節(jié)64k字節(jié)順序號(hào)順序號(hào)：當(dāng)SYN1，代表初始序號(hào)ISN；其它時(shí)候SN表示該段中第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)。確認(rèn)號(hào)確認(rèn)號(hào)：代表TCP接收實(shí)體期望接收的下一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。頭部長(zhǎng)度頭部長(zhǎng)度：以32bit為單位。接收窗口接收窗口：由接

5、收方給出的愿意接受的字節(jié)數(shù)量，起始序號(hào)由確認(rèn)號(hào)字段給出。校驗(yàn)和校驗(yàn)和：對(duì)整個(gè)報(bào)文段進(jìn)行校驗(yàn)。2022-5-59l緊急指針：該字段的值加上報(bào)文段的序號(hào)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(lái)。lURG：置位代表緊急指針字段有意義。lACK: 確認(rèn)號(hào)字段有意義。lPSH：強(qiáng)制交付lRST：重建連接lSYN：序號(hào)同步和連接建立。lFIN：本端不再發(fā)送數(shù)據(jù)，連接釋放2022-5-5103 TCP的連接管理的連接管理l面向連接:為實(shí)現(xiàn)一對(duì)進(jìn)程之間可靠的數(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)。l連接是實(shí)現(xiàn)可靠傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)l連接的標(biāo)識(shí)：IP地

6、址端口號(hào)（運(yùn)輸層）連接，該連接又被稱(chēng)為套接字Socket。lTCP連接是主機(jī)到主機(jī)的連接，即只在直接通信的兩個(gè)主機(jī)上維持連接狀態(tài)。l套接字是一個(gè)全雙工連接 A-B =【（本地IP，本地端口），（遠(yuǎn)端IP，遠(yuǎn)端端口）】2022-5-511Socket的概念的概念進(jìn)程進(jìn)程InternetOS控制程序員控制TCP層層SocketBSocketA2022-5-512基于套接字的多路分解基于套接字的多路分解ClientIP:BP1client IP: AP1P2serverIP: CSP: 9157DP: 80SP: 9157DP: 80P4P3D-IP:CS-IP: AD-IP:CS-IP: BSP:

7、 5775DP: 80D-IP:CS-IP: B2022-5-513TCPFTPTELNETDNSSNMPTFTPSMTPUDP2123255369161520TCP保留端口號(hào)保留端口號(hào)RIP在在C/S模式下，提模式下，提供特定服務(wù)的服務(wù)供特定服務(wù)的服務(wù)器必須公開(kāi)其服務(wù)器必須公開(kāi)其服務(wù)端口號(hào)，所有的端口號(hào)，所有的Internet標(biāo)準(zhǔn)服標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)都有自己的保留務(wù)都有自己的保留端口號(hào)，這些端口端口號(hào)，這些端口號(hào)被稱(chēng)為號(hào)被稱(chēng)為well-known port,一般一般1024以?xún)?nèi)的端口以?xún)?nèi)的端口將被將被OS保留。保留。2022-5-514連接的建立過(guò)程：三次握手連接的建立過(guò)程：三次握手l每一方通知對(duì)方自

8、己將要使用的初始SN。l為什么不簡(jiǎn)單的用 0?l每一方確認(rèn)對(duì)方的SNlSYN-ACK: 確認(rèn) SN + 1l第二個(gè)SYN可以和第一個(gè)ACK合并SYN: SNxACK: ANx+1SYN: SNyACK: ANy+1ClientServer2022-5-515連接的釋放過(guò)程連接的釋放過(guò)程l每一方獨(dú)立發(fā)起釋放過(guò)程l發(fā)送 FIN 消息l“Im not going to send any more data”l另一方可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)l單向連接l確認(rèn)必須繼續(xù)l確認(rèn) FINl確認(rèn)最后的 SN + 1釋放過(guò)程看成兩個(gè)獨(dú)立的單工連接來(lái)理解ABFIN, SNaACK, AN=a+1ACK,DataACK, AN

9、=B+1FIN,SN=B2022-5-5164 TCP的流量控制的流量控制問(wèn)題：如何限制發(fā)送者的速率以實(shí)現(xiàn)收發(fā)速率匹配？l鏈路層采用固定窗口大小的流量控制。lTCP采用由接收方在ACK中通知發(fā)送方可用窗口大小（信用量）流控機(jī)制。但主機(jī)到主機(jī)的往返時(shí)延RTT（round-trip time)變化大。l為什么要引入這種復(fù)雜性？2022-5-517滑動(dòng)窗口協(xié)議中的發(fā)送方滑動(dòng)窗口協(xié)議中的發(fā)送方l順序號(hào)：Seq，發(fā)送方必須在分組頭中包含一個(gè)順序號(hào)。l窗口尺寸：W,允許的連續(xù)發(fā)送未被證實(shí)的分組的最大個(gè)數(shù)。l證實(shí)信號(hào)：Ack（i);證實(shí)0i1的分組被正確接受，累計(jì)證實(shí)策略。l定時(shí)器：l重傳機(jī)制：當(dāng)發(fā)生丟失時(shí)

10、，進(jìn)行重發(fā)糾錯(cuò)。1314 15 161718 19 20 21 22 23 24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TCP窗口WSendBaseNextSeq2022-5-518acknowledgedsent可以發(fā)送的可以發(fā)送的 超出超出window的的Source PortDest. PortSequence NumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD. ChecksumUrgent PointerOptionsSource PortDest. PortSequence NumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD. Checksu

11、mUrgent PointerOptions.Packet SentPacket Received2022-5-519TCP中的信用量流控機(jī)制中的信用量流控機(jī)制l確認(rèn)與流控分離的思想：l涉及三個(gè)字段：順序號(hào)SN，確認(rèn)號(hào)AN，窗口尺寸Wl傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)均分配一個(gè)SN。l當(dāng)發(fā)送方收到一個(gè)返回的報(bào)文段ANi，Wj，它的含義是：l序號(hào)0i-1的字節(jié)都被確認(rèn)，下一個(gè)期望接收的字節(jié)是i.l發(fā)送方新的窗口大小為Wj，合法的窗口內(nèi)的序號(hào)為ij-1。2022-5-520信用量機(jī)制示例信用量機(jī)制示例2022-5-521TCP的窗口大小的窗口大小l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)，

12、也與接收端可分配的緩沖區(qū)數(shù)量有關(guān)。（為簡(jiǎn)化分析，先不考慮緩沖區(qū)的限制）l設(shè)往返時(shí)延RTT，線路速率Rbps,分組長(zhǎng)度=L。 則當(dāng)W (RTTR)/L時(shí)，不會(huì)造成發(fā)送端因等待確認(rèn)信號(hào)，所引起的線路空閑。 直觀上，W與RTT成正比。但實(shí)際上W太大無(wú)意義，只會(huì)增加緩沖區(qū)的開(kāi)銷(xiāo)。l但在Internet上，端到端的時(shí)延變化很大，如何確定RTT？2022-5-522確定確定RTTl由于Internet的狀態(tài)隨時(shí)間在變，固定的RTT值對(duì)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況就可能有時(shí)顯得太長(zhǎng)，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(lái)估計(jì)RTT，然后設(shè)定一個(gè)大一些的值。lTCP的RTT估值公式 估計(jì)RTT（1）估

13、計(jì)RTT 樣本RTT 其中， 在【RFC2988】的參考值 0.125。 含義是，使RTT對(duì)短暫的時(shí)延變化不敏感。2022-5-523結(jié)論：結(jié)論：TCP的窗口值的窗口值l在發(fā)送一側(cè)，TCP的窗口WminCwin,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。l因此，發(fā)送方的最大吞吐量 minCwin,RcvWin/RTT2022-5-524TCP的丟失重傳機(jī)制的丟失重傳機(jī)制l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(lái)處理報(bào)文段的丟失問(wèn)題。l丟失的定義：超時(shí)或連續(xù)收到三個(gè)冗余的ACK。l問(wèn)題的關(guān)鍵：如何設(shè)定超時(shí)定時(shí)器R

14、TO？ 顯然，RTO必須大于RTT，否則會(huì)造成不必要的重傳。2022-5-525RTO的估算公式的估算公式l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。l估值RTO估值RTT4DevRTT（偏差） DevRTT（1） DevRTT |當(dāng)前RTT估值RTT均值） 推薦值0.25.2022-5-526TCP: 重傳示例Host ASeq=100, 20 bytes dataACK=100timepremature timeoutHost BSeq=92, 8 bytes dataACK=120Seq=92, 8 bytes dataSeq=92 tim

15、eoutACK=120Host ASeq=92, 8 bytes dataACK=100losstimeoutlost ACK scenarioHost BXSeq=92, 8 bytes dataACK=100timeSeq=92 timeoutSendBase= 100SendBase= 120SendBase= 120Sendbase= 1002022-5-527TCP 丟失重傳 2Host ASeq=92, 8 bytes dataACK=100losstimeoutCumulative ACK scenarioHost BXSeq=100, 20 bytes dataACK=120t

16、imeSendBase= 120結(jié)論：結(jié)論： 實(shí)際中，實(shí)際中，RTO的值一般的值一般為為1秒左右。秒左右。一旦發(fā)生超時(shí)，一旦發(fā)生超時(shí)，TCP將將重傳序號(hào)最小的未被確認(rèn)重傳序號(hào)最小的未被確認(rèn)的報(bào)文段，并將的報(bào)文段，并將RTO值加值加倍。倍。發(fā)送端只為最小的未被發(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)時(shí)定時(shí)器，每收到一個(gè)ACK，執(zhí)行一次復(fù)位，執(zhí)行一次復(fù)位。2022-5-5285 TCP的擁塞控制的擁塞控制概述l原因:流進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)的處理能力l信源不能知道網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。l信源彼此之間互相不知道對(duì)方的行為l流量控制的區(qū)別：控制機(jī)制相似，但觸發(fā)的

17、原因與目的不同。l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10 Mbps100 Mbps1.5 Mbps2022-5-529擁塞控制技術(shù)的分類(lèi)擁塞控制技術(shù)的分類(lèi)l端到端的擁塞控制:l沒(méi)有來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的顯式擁塞反饋指示l端系統(tǒng)只能通過(guò)觀測(cè)loss, delay等推測(cè)擁塞lTCP采用次方案網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制:n路由器給端系統(tǒng)提供擁塞指示n單比特?fù)砣甘疚?n指明發(fā)送者應(yīng)該使用的發(fā)送速率n問(wèn)題: 導(dǎo)致路由器行為復(fù)雜化l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(lái)分類(lèi)2022-5-530TCP擁塞控制要解決擁塞控制要解決 的的3個(gè)問(wèn)題個(gè)問(wèn)題1）如何限制一個(gè)已發(fā)生擁塞的連接的發(fā)

18、送速率？2）TCP發(fā)送方如何確定發(fā)生了擁塞？3）當(dāng)確定發(fā)生了擁塞后，采用什么算法來(lái)改變發(fā)送速率？2022-5-531發(fā)送方如何調(diào)整發(fā)送速率？發(fā)送方如何調(diào)整發(fā)送速率？l接收窗口RcvWin的值由接收方確定，然后通知發(fā)送方，它用來(lái)防止接收方緩存溢出。但沒(méi)有提供網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。l網(wǎng)絡(luò)的狀況，由發(fā)送方探測(cè)確定，并記為擁塞窗口Cwin。l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=minCWin,RcvWin.l為分析方便，我們忽略RcvWin，則得到發(fā)送方的發(fā)送速率RCWin/RTT。l顯然，在發(fā)送方調(diào)整CWin，就可以調(diào)整發(fā)送速率。2022-5-532擁塞的確定與控制算法擁塞的確定與控制算法l在TCP發(fā)送方，如果超時(shí)，或連續(xù)受到三個(gè)冗余 的ACK，則認(rèn)為發(fā)生分組丟失事件，從而判定擁塞。lTCP的擁塞控制算法：l加性增，乘性減AIMD（additive-increase and multiplicative-decrease)l慢啟動(dòng)（slowstart）l超時(shí)反應(yīng)2022-5-533Cwin在不同階段的變化方式在不同階段的變化方式l慢啟動(dòng)階段：每經(jīng)過(guò)1個(gè)RTT，Cwin加倍。 即每收到一個(gè)Ack，執(zhí)行CwinCwin1。l擁塞避免階段：在沒(méi)有發(fā)生丟失事件下