計算機網(wǎng)絡(luò)（第24講）第6章 運輸層

1、計算機網(wǎng)絡(luò)講義1上次課主要內(nèi)容IP多播多播地址局域網(wǎng)多播IGMP和多播路由選擇協(xié)議VPN和NAT運輸層概述UDP協(xié)議計算機網(wǎng)絡(luò)講義26.3 TCP傳輸控制協(xié)議TCP 是面向連接的運輸層協(xié)議。每一條 TCP 連接只能有兩個端點(endpoint)，每一條 TCP 連接只能是點對點的（一對一）。 TCP 提供可靠交付的服務(wù)。 TCP 提供全雙工通信。面向字節(jié)流。計算機網(wǎng)絡(luò)講義3768HTCP 面向流的概念 發(fā)送 TCP 報文段發(fā)送方接收方把字節(jié)寫入發(fā)送緩存從接收緩存讀取字節(jié)應(yīng)用進程應(yīng)用進程1230181716151419202145131211H109H加上 TCP 首部構(gòu)成 TCP 報文段TCP

2、TCP字節(jié)流字節(jié)流H表示 TCP 報文段的首部x表示序號為 x 的數(shù)據(jù)字節(jié)TCP 連接計算機網(wǎng)絡(luò)講義4應(yīng)當(dāng)注意TCP 連接是一條虛連接而不是一條真正的物理連接。TCP 對應(yīng)用進程一次把多長的報文發(fā)送到TCP 的緩存中是不關(guān)心的。TCP 根據(jù)對方給出的窗口值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度來決定一個報文段應(yīng)包含多少個字節(jié)（UDP 發(fā)送的報文長度是應(yīng)用進程給出的）。TCP 可把太長的數(shù)據(jù)塊劃分短一些再傳送。TCP 也可等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)成報文段發(fā)送出去。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義5TCP 的連接 TCP 把連接作為最基本的抽象。每一條 TCP 連接有兩個端點。TCP 連接的端點不是主機，不是主機的IP 地址，

3、不是應(yīng)用進程，也不是運輸層的協(xié)議端口。TCP 連接的端點叫做套接字(socket)或插口。端口號拼接到(contatenated with) IP 地址即構(gòu)成了套接字。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義6套接字 (socket) 套接字 socket = (IP地址: 端口號) 每一條 TCP 連接唯一地被通信兩端的兩個端點（即兩個套接字）所確定。即： TCP 連接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2)TCP首部20 字節(jié)的固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FIN32

4、位SYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充TCP 數(shù)據(jù)部分TCP 首部TCP 報文段IP 數(shù)據(jù)部分IP 首部發(fā)送在前6.3.1 TCP 報文段的格式 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充源端口和目的端口字段各占 2 字節(jié)。端口是運輸層與應(yīng)用層的服務(wù)接口。運輸層的復(fù)用和分用功能都要通過端口才能實現(xiàn)。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急

5、 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充序號字段占 4 字節(jié)。TCP 連接中傳送的數(shù)據(jù)流中的每一個字節(jié)都編上一個序號。序號字段的值則指的是本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充確認(rèn)號字段占 4 字節(jié)，是期望收到對方的下一個報文段的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度

6、 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充數(shù)據(jù)偏移（即首部長度）占 4 位，它指出 TCP 報文段的數(shù)據(jù)起始處距離 TCP 報文段的起始處有多遠(yuǎn)?！皵?shù)據(jù)偏移”的單位是 32 位字（以 4 字節(jié)為計算單位）。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充保留字段占 6 位，保留為今后使用，但目前應(yīng)置為 0。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口

7、數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充緊急 URG 當(dāng) URG 1 時，表明緊急指針字段有效。它告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快傳送(相當(dāng)于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù))。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充確認(rèn) ACK 只有當(dāng) ACK 1 時確認(rèn)號字段才有效。當(dāng) ACK 0 時，確認(rèn)號無效。 TCP首部20

8、字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充推送 PSH (PuSH) 接收 TCP 收到 PSH = 1 的報文段，就盡快地交付接收應(yīng)用進程，而不再等到整個緩存都填滿了后再向上交付。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充復(fù)位 RST (ReSeT) 當(dāng) RST 1 時，表明 TC

9、P 連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯（如由于主機崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運輸連接。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充同步 SYN 同步 SYN = 1 表示這是一個連接請求或連接接受報文。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充終止 FIN (FIN

10、is) 用來釋放一個連接。FIN 1 表明此報文段的發(fā)送端的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放運輸連接。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充窗口字段 占 2 字節(jié)，用來讓對方設(shè)置發(fā)送窗口的依據(jù)，單位為字節(jié)。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充檢驗和 占 2 字節(jié)。檢

11、驗和字段檢驗的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。在計算檢驗和時，要在 TCP 報文段的前面加上 12 字節(jié)的偽首部。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充緊急指針字段 占 16 位，指出在本報文段中緊急數(shù)據(jù)共有多少個字節(jié)（緊急數(shù)據(jù)放在本報文段數(shù)據(jù)的最前面）。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG比特

12、0 8 16 24 31填 充選項字段 長度可變。TCP 最初只規(guī)定了一種選項，即最大報文段長度 MSS。MSS 告訴對方 TCP：“我的緩存所能接收的報文段的數(shù)據(jù)字段的最大長度是 MSS 個字節(jié)?！?MSS (Maximum Segment Size)是 TCP 報文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長度。數(shù)據(jù)字段加上 TCP 首部才等于整個的 TCP 報文段。計算機網(wǎng)絡(luò)講義23其他選項窗口擴大選項 占 3 字節(jié)，其中有一個字節(jié)表示移位值 S。新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位數(shù)增大到(16 + S)，相當(dāng)于把窗口值向左移動 S 位后獲得實際的窗口大小。時間戳選項占10 字節(jié)，其中最主要的字段時間戳值字

13、段（4 字節(jié)）和時間戳回送回答字段（4 字節(jié)）。選擇確認(rèn)選項在后面介紹。 TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗 和選 項 （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充填充字段 這是為了使整個首部長度是 4 字節(jié)的整數(shù)倍。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義256.3.2 TCP可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)TCP 連接的每一端都必須設(shè)有兩個窗口一個發(fā)送窗口和一個接收窗口。 TCP 的可靠傳輸機制用字節(jié)的序號進行控制。TCP 所有的確認(rèn)都是基于序號而不是基于報文段。 TCP 兩端的四個窗口經(jīng)常處于動態(tài)變化之中。TCP連

14、接的往返時間 RTT 也不是固定不變的。需要使用特定的算法估算較為合理的重傳時間。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義261、以字節(jié)為單位的可變大小的滑動窗口前移不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗口 = 20允許發(fā)送的序號26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556B 期望收到的序號前沿后沿前移收縮根據(jù) B 給出的窗口值A(chǔ) 構(gòu)造出自己的發(fā)送窗口 TCP 標(biāo)準(zhǔn)強烈不贊成發(fā)送窗口前沿向后收縮 不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗口位置不變允許發(fā)送但尚未發(fā)送262728293031323334353637383940414243444

15、546474849505152535455已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3不允許接收已發(fā)送確認(rèn)并交付主機B 的接收窗口允許接收26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556未按序收到可用窗口A 發(fā)送了 11 個字節(jié)的數(shù)據(jù) P3 P1 = A 的發(fā)送窗口（又稱為通知窗口）P2 P1 = 已發(fā)送但尚未收到確認(rèn)的字節(jié)數(shù)P3 P2 = 允許發(fā)送但尚未發(fā)送的字節(jié)數(shù)（又稱為可用窗口） 允許發(fā)送但尚未發(fā)送A 的發(fā)送窗口向前滑動2627282930313233343536373839404142434445464748495051

16、52535455已發(fā)送并收到確認(rèn)不允許發(fā)送已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3允許接收B 的接收窗口向前滑動262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送確認(rèn)并交付主機不允許接收56未按序收到A 收到新的確認(rèn)號，發(fā)送窗口向前滑動 先存下，等待缺少的數(shù)據(jù)的到達(dá)不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗口已滿，有效窗口為零262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3A 的發(fā)送窗口內(nèi)的序號都已用完，但還沒有再收到確認(rèn)，

17、必須停止發(fā)送。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義302、發(fā)送緩存 最后被確認(rèn)的字節(jié)發(fā)送應(yīng)用程序發(fā)送緩存最后發(fā)送的字節(jié)發(fā)送窗口已發(fā)送TCP序號增大計算機網(wǎng)絡(luò)講義313、接收緩存接收應(yīng)用程序已收到接收窗口TCP接收緩存下一個讀取的字節(jié)序號增大下一個期望收到的字節(jié)（確認(rèn)號）計算機網(wǎng)絡(luò)講義324、發(fā)送緩存與接收緩存的作用發(fā)送緩存用來暫時存放： 發(fā)送應(yīng)用程序傳送給發(fā)送方 TCP 準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)； TCP 已發(fā)送出但尚未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)。接收緩存用來暫時存放： 按序到達(dá)的、但尚未被接收應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)； 不按序到達(dá)的數(shù)據(jù)。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義33需要強調(diào)三點A 的發(fā)送窗口并不總是和 B 的接收窗口一樣大（因為有一定的時間滯后）

18、。TCP 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定對不按序到達(dá)的數(shù)據(jù)應(yīng)如何處理。通常是先臨時存放在接收窗口中，等到字節(jié)流中所缺少的字節(jié)收到后，再按序交付上層的應(yīng)用進程。TCP 要求接收方必須有累積確認(rèn)的功能，這樣可以減小傳輸開銷。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義345、超時重傳時間的選擇重傳機制是 TCP 中最重要和最復(fù)雜的問題之一。TCP 每發(fā)送一個報文段，就對這個報文段設(shè)置一次計時器。只要計時器設(shè)置的重傳時間到但還沒有收到確認(rèn)，就要重傳這一報文段。計算機網(wǎng)絡(luò)講義35往返時延的方差很大由于 TCP 的下層是一個互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，IP 數(shù)據(jù)報所選擇的路由變化很大。因而運輸層的往返時間的方差也很大。時間數(shù)據(jù)鏈路層運輸層T1T2T3往返時間的概率

19、分布計算機網(wǎng)絡(luò)講義36加權(quán)平均往返時間TCP 保留了 RTT 的一個加權(quán)平均往返時間 RTTS（這又稱為平滑的往返時間）。第一次測量到 RTT 樣本時，RTTS 值就取為所測量到的 RTT 樣本值。以后每測量到一個新的 RTT 樣本，就按下式重新計算一次 RTTS： 新的 RTTS (1 ) (舊的 RTTS) (新的 RTT 樣本) 式中，0 1。若 很接近于零，表示 RTT 值更新較慢。若選擇 接近于 1，則表示 RTT 值更新較快。RFC 2988 推薦的 值為 1/8，即 0.125。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義37超時重傳時間 RTO (RetransmissionTime-Out) RTO 應(yīng)

20、略大于上面得出的加權(quán)平均往返時間 RTTS。RFC 2988 建議使用下式計算 RTO： RTO RTTS + 4 RTTD RTTD 是 RTT 的偏差的加權(quán)平均值。RFC 2988 建議這樣計算 RTTD。第一次測量時，RTTD 值取為測量到的 RTT 樣本值的一半。在以后的測量中，則使用下式計算加權(quán)平均的 RTTD：新的 RTTD = (1 ) (舊的RTTD) + RTTS 新的 RTT 樣本 是個小于 1 的系數(shù)，其推薦值是 1/4，即 0.25。計算機網(wǎng)絡(luò)講義38往返時間 RTT?往返時間的測量相當(dāng)復(fù)雜 TCP 報文段 1 沒有收到確認(rèn)。重傳（即報文段 2）后，收到了確認(rèn)報文段 A

21、CK。如何判定此確認(rèn)報文段是對原來的報文段 1 的確認(rèn)，還是對重傳的報文段 2 的確認(rèn)？ 發(fā)送一個TCP 報文段超時重傳TCP 報文段收到 ACK時間12往返時間 RTT?是對哪一個報文段的確認(rèn)？計算機網(wǎng)絡(luò)講義39Karn 算法 在計算平均往返時間 RTT 時，只要報文段重傳了，就不采用其往返時間樣本。這樣得出的加權(quán)平均平均往返時間 RTTS 和超時重傳時間 RTO 就較準(zhǔn)確。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義40報文段每重傳一次，就把 RTO 增大一些：新的 RTO (舊的 RTO) 系數(shù) 的典型值是 2 。當(dāng)不再發(fā)生報文段的重傳時，才根據(jù)報文段的往返時延更新平均往返時延 RTT 和超時重傳時間 RTO 的數(shù)

22、值。實踐證明，這種策略較為合理。 修正的 Karn 算法 計算機網(wǎng)絡(luò)講義416、選擇確認(rèn) SACK(Selective ACK) 接收方收到了和前面的字節(jié)流不連續(xù)的兩個字節(jié)塊。如果這些字節(jié)的序號都在接收窗口之內(nèi)，那么接收方就先收下這些數(shù)據(jù)，但要把這些信息準(zhǔn)確地告訴發(fā)送方，使發(fā)送方不要再重復(fù)發(fā)送這些已收到的數(shù)據(jù)。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義421 1000 1501 3000 3501 4500確認(rèn)號 = 1001L1 = 1501L2 = 3501R1 = 3001R1 = 4501接收到的字節(jié)流序號不連續(xù) 連續(xù)的字節(jié)流第一個字節(jié)塊第二個字節(jié)塊 和前后字節(jié)不連續(xù)的每一個字節(jié)塊都有兩個邊界： 左邊界和右邊界

23、。圖中用四個指針標(biāo)記這些邊界。 第一個字節(jié)塊的左邊界 L1 = 1501，但右邊界 R1 = 3001。 左邊界指出字節(jié)塊的第一個字節(jié)的序號，但右邊界減 1 才是 字節(jié)塊中的最后一個序號。 第二個字節(jié)塊的左邊界 L2 = 3501，而右邊界 R2 = 4501。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義43RFC 2018 的規(guī)定如果要使用選擇確認(rèn)，那么在建立 TCP 連接時，就要在 TCP 首部的選項中加上“允許 SACK”的選項，而雙方必須都事先商定好。如果使用選擇確認(rèn)，那么原來首部中的“確認(rèn)號字段”的用法仍然不變。只是以后在 TCP 報文段的首部中都增加了 SACK 選項，以便報告收到的不連續(xù)的字節(jié)塊的邊界。由于

24、首部選項的長度最多只有 40 字節(jié)，而指明一個邊界就要用掉 4 字節(jié)，因此在選項中最多只能指明 4 個字節(jié)塊的邊界信息。計算機網(wǎng)絡(luò)講義446.3.3 TCP的流量控制一般說來，我們總是希望數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶煲恍?。但如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過快，接收方就可能來不及接收，這就會造成數(shù)據(jù)的丟失。流量控制(flow control)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，也不要使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。利用滑動窗口機制可以很方便地在 TCP 連接上實現(xiàn)流量控制。 seq = 1, DATAseq = 201, DATAseq = 401, DATAseq = 301, DATAseq = 101, DATAseq = 201, DATAseq = 501, DATAACK =