實(shí)驗(yàn)三運(yùn)輸層

第5章運(yùn)輸層主講：徐劉杰11運(yùn)輸層的端口2運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程是用進(jìn)程標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)志的。運(yùn)行在應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程卻不應(yīng)當(dāng)讓計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)指派它的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。這是因?yàn)樵谝蛱鼐W(wǎng)上使用的計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)種類(lèi)很多，而不同的操作系統(tǒng)又使用不同格式的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。端口號(hào)簡(jiǎn)稱(chēng)為端口解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是在運(yùn)輸層使用協(xié)議端口號(hào)(protocolportnumber)，或通常簡(jiǎn)稱(chēng)為端口(port)。雖然通信的終點(diǎn)是應(yīng)用進(jìn)程，但我們可以把端口想象是通信的終點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎灰岩獋魉偷膱?bào)文交到目的主機(jī)的某一個(gè)合適的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的進(jìn)程）就由TCP來(lái)完成。3軟件端口與硬件端口在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是軟件端口。路由器或交換機(jī)上的端口是硬件端口。硬件端口是不同硬件設(shè)備進(jìn)行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進(jìn)程與運(yùn)輸實(shí)體進(jìn)行層間交互的一種地址。4TCP的端口端口用一個(gè)16位端口號(hào)進(jìn)行標(biāo)志。端口號(hào)只具有本地意義，即端口號(hào)只是為了標(biāo)志本計(jì)算機(jī)應(yīng)用層中的各進(jìn)程。在因特網(wǎng)中不同計(jì)算機(jī)的相同端口號(hào)是沒(méi)有聯(lián)系的。5三類(lèi)端口熟知端口，數(shù)值一般為0~1023。登記端口號(hào)，數(shù)值為1024~49151，為沒(méi)有熟知端口號(hào)的應(yīng)用程序使用的。使用這個(gè)范圍的端口號(hào)必須在IANA登記，以防止重復(fù)。客戶(hù)端口號(hào)或短暫端口號(hào)，數(shù)值為49152~65535，留給客戶(hù)進(jìn)程選擇暫時(shí)使用。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶(hù)進(jìn)程的報(bào)文時(shí)，就知道了客戶(hù)進(jìn)程所使用的動(dòng)態(tài)端口號(hào)。通信結(jié)束后，這個(gè)端口號(hào)可供其他客戶(hù)進(jìn)程以后使用。62用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDPUDP只在IP的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了很少一點(diǎn)的功能，即端口的功能和差錯(cuò)檢測(cè)的功能。雖然UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。7UDP的主要特點(diǎn)UDP是無(wú)連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接。UDP使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，同時(shí)也不使用擁塞控制。UDP是面向報(bào)文的。UDP沒(méi)有擁塞控制，很適合多媒體通信的要求。UDP支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的交互通信。UDP的首部開(kāi)銷(xiāo)小，只有8個(gè)字節(jié)。8面向報(bào)文的UDP發(fā)送方UDP對(duì)應(yīng)用程序交下來(lái)的報(bào)文，在添加首部后就向下交付IP層。UDP對(duì)應(yīng)用層交下來(lái)的報(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。接收方UDP對(duì)IP層交上來(lái)的UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)，在去除首部后就原封不動(dòng)地交付上層的應(yīng)用進(jìn)程，一次交付一個(gè)完整的報(bào)文。應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。9UDP是面向報(bào)文的IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分IP首部IP層UDP首部UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分運(yùn)輸層應(yīng)用層報(bào)文應(yīng)用層103UDP的首部格式偽首部源端口目的端口長(zhǎng)度檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)首部UDP長(zhǎng)度源IP地址目的IP地址017IP數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù)據(jù)首部UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)11偽首部源端口目的端口長(zhǎng)度檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)首部UDP長(zhǎng)度源IP地址目的IP地址017IP數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù)據(jù)首部UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)UDP有兩個(gè)字段：數(shù)據(jù)字段和首部字段。首部字段有8個(gè)字節(jié)，由4個(gè)字段組成，每個(gè)字段都是兩個(gè)字節(jié)。12UDP基于端口的分用IP層UDP數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)端口2端口3端口1UDP分用13偽首部源端口目的端口長(zhǎng)度檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)首部UDP長(zhǎng)度源IP地址目的IP地址017IP數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù)據(jù)首部UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)在計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)，臨時(shí)把“偽首部”和UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)連接在一起。偽首部?jī)H僅是為了計(jì)算檢驗(yàn)和。14協(xié)議字段的值，UDP協(xié)議的值為17UDP的頭部和數(shù)據(jù)部分TCP首部20字節(jié)的固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431填充TCP數(shù)據(jù)部分TCP首部TCP報(bào)文段IP數(shù)據(jù)部分IP首部發(fā)送在前4TCP報(bào)文段的首部格式15TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充源端口和目的端口字段——各占2字節(jié)。端口是運(yùn)輸層與應(yīng)用層的服務(wù)接口。運(yùn)輸層的復(fù)用和分用功能都要通過(guò)端口才能實(shí)現(xiàn)。16TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充序號(hào)字段——占4字節(jié)。TCP連接中傳送的數(shù)據(jù)流中的每一個(gè)字節(jié)都編上一個(gè)序號(hào)。序號(hào)字段的值則指的是本報(bào)文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。17TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充確認(rèn)號(hào)字段——占4字節(jié)，是期望收到對(duì)方的下一個(gè)報(bào)文段的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。若確認(rèn)號(hào)=N，則表明：到序號(hào)N-1為止的所有數(shù)據(jù)都已正確收到。18TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充數(shù)據(jù)偏移（即首部長(zhǎng)度）——占4位，它指出TCP報(bào)文段的數(shù)據(jù)起始處距離TCP報(bào)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(jì)算單位）。19TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充保留字段——占6位，保留為今后使用，但目前應(yīng)置為0。20TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充緊急URG——當(dāng)URG1時(shí)，表明緊急指針字段有效。它告訴系統(tǒng)此報(bào)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(jí)的數(shù)據(jù))。21TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充確認(rèn)ACK——只有當(dāng)ACK1時(shí)確認(rèn)號(hào)字段才有效。當(dāng)ACK0時(shí)，確認(rèn)號(hào)無(wú)效。22TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充推送PSH(PuSH)——接收TCP收到PSH=1的報(bào)文段，就盡快地交付接收應(yīng)用進(jìn)程，而不再等到整個(gè)緩存都填滿了后再向上交付。23TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充復(fù)位RST(ReSeT)——當(dāng)RST1時(shí)，表明TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)（如由于主機(jī)崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運(yùn)輸連接。24TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充同步SYN——同步SYN=1表示這是一個(gè)連接請(qǐng)求或連接接受報(bào)文。25TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充終止FIN(FINis)——用來(lái)釋放一個(gè)連接。FIN1表明此報(bào)文段的發(fā)送端的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放運(yùn)輸連接。26TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充窗口字段——占2字節(jié)，用來(lái)讓對(duì)方設(shè)置發(fā)送窗口的依據(jù)，單位為字節(jié)。窗口字段表明現(xiàn)在允許對(duì)方發(fā)送的數(shù)據(jù)量。窗口值是經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化的。27TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充檢驗(yàn)和——占2字節(jié)。檢驗(yàn)和字段檢驗(yàn)的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。在計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)，要在TCP報(bào)文段的前面加上12字節(jié)的偽首部。28TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充緊急指針字段——占16位，指出在本報(bào)文段中緊急數(shù)據(jù)共有多少個(gè)字節(jié)（緊急數(shù)據(jù)放在本報(bào)文段數(shù)據(jù)的最前面）。

29TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充選項(xiàng)字段——長(zhǎng)度可變。TCP最初只規(guī)定了一種選項(xiàng)，即最大報(bào)文段長(zhǎng)度MSS。MSS告訴對(duì)方TCP：“我的緩存所能接收的報(bào)文段的數(shù)據(jù)字段的最大長(zhǎng)度是MSS個(gè)字節(jié)?！盡SS(MaximumSegmentSize)是TCP報(bào)文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)字段加上TCP首部才等于整個(gè)的TCP報(bào)文段。30其他選項(xiàng)窗口擴(kuò)大選項(xiàng)——占3字節(jié)，其中有一個(gè)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(dòng)S位后獲得實(shí)際的窗口大小。時(shí)間戳選項(xiàng)——占10字節(jié)，其中最主要的字段時(shí)間戳值字段（4字節(jié)）和時(shí)間戳回送回答字段（4字節(jié)）。選擇確認(rèn)選項(xiàng)——在后面的5.6.3節(jié)介紹。31TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長(zhǎng)度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充填充字段——這是為了使整個(gè)首部長(zhǎng)度是4字節(jié)的整數(shù)倍。326TCP的運(yùn)輸連接管理

運(yùn)輸連接的三個(gè)階段運(yùn)輸連接就有三個(gè)階段，即：連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放。運(yùn)輸連接的管理就是使運(yùn)輸連接的建立和釋放都能正常地進(jìn)行。連接建立過(guò)程中要解決以下三個(gè)問(wèn)題：要使每一方能夠確知對(duì)方的存在。要允許雙方協(xié)商一些參數(shù)（如最大報(bào)文段長(zhǎng)度，最大窗口大小，服務(wù)質(zhì)量等）。能夠?qū)\(yùn)輸實(shí)體資源（如緩存大小，連接表中的項(xiàng)目等）進(jìn)行分配。33客戶(hù)服務(wù)器方式TCP連接的建立都是采用客戶(hù)服務(wù)器方式。主動(dòng)發(fā)起連接建立的應(yīng)用進(jìn)程叫做客戶(hù)(client)。被動(dòng)等待連接建立的應(yīng)用進(jìn)程叫做服務(wù)器(server)。34

用三次握手建立TCP連接

SYN=1,seq=xCLOSEDCLOSED主動(dòng)打開(kāi)被動(dòng)打開(kāi)AB客戶(hù)服務(wù)器TCP的連接建立A的TCP向B發(fā)出連接請(qǐng)求報(bào)文段，其首部中的同步位SYN=1，并選擇序號(hào)seq=x，表明傳送數(shù)據(jù)時(shí)的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)是x。35SYN=1,seq=xACK=1,seq=x+1,ack=y1CLOSEDCLOSED主動(dòng)打開(kāi)被動(dòng)打開(kāi)AB客戶(hù)服務(wù)器SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x1A收到此報(bào)文段后向B給出確認(rèn)，其ACK=1，確認(rèn)號(hào)ack=y1。

A的TCP通知上層應(yīng)用進(jìn)程，連接已經(jīng)建立。36SYN=1,seq=xACK=1,seq=x+1,ack=y1CLOSEDCLOSED數(shù)據(jù)傳送主動(dòng)打開(kāi)被動(dòng)打開(kāi)AB客戶(hù)服務(wù)器SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x1B的TCP收到主機(jī)A的確認(rèn)后，也通知其上層應(yīng)用進(jìn)程：TCP連接已經(jīng)建立。37SYN-SENTESTAB-LISHEDSYN-RCVDLISTENESTAB-LISHED用三次握手建立TCP連接的各狀態(tài)

SYN=1,seq=xACK=1,seq=x+1,ack=y1CLOSEDCLOSED數(shù)據(jù)傳送主動(dòng)打開(kāi)被動(dòng)打開(kāi)AB客戶(hù)服務(wù)器SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x138FIN=1,seq=uCLOSED主動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)傳送ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客戶(hù)服務(wù)器CLOSEDTCP

的連接釋放

數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，通信的雙方都可釋放連接?，F(xiàn)在A的應(yīng)用進(jìn)程先向其TCP發(fā)出連接釋放報(bào)文段，并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)，主動(dòng)關(guān)閉TCP

連接。

A把連接釋放報(bào)文段首部的FIN=1，其序號(hào)

seq=u，等待B的確認(rèn)。39FIN=1,seq=uACK=1,seq=v,ack=u1主動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)傳送通知應(yīng)用進(jìn)程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客戶(hù)服務(wù)器B發(fā)出確認(rèn)，確認(rèn)號(hào)ack=u1，而這個(gè)報(bào)文段自己的序號(hào)seq=v。

TCP服務(wù)器進(jìn)程通知高層應(yīng)用進(jìn)程。從A到B這個(gè)方向的連