net課件第4章 運(yùn)輸層

第四章運(yùn)輸層本章知識點(diǎn)運(yùn)輸層的功能和任務(wù)端口機(jī)制UDP協(xié)議特點(diǎn)、UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)TCP協(xié)議特點(diǎn)、TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)、TCP連接管理、可靠性傳輸、流量控制、差錯控制概述運(yùn)輸層為應(yīng)用進(jìn)程提供邏輯通道。

概述網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層關(guān)系。概述網(wǎng)絡(luò)層不能直接為應(yīng)用層服務(wù)，因?yàn)榉纸M交換技術(shù)可能會帶來數(shù)據(jù)的丟失、亂序、重復(fù)等問題。另外如何確定應(yīng)用程序的地址也是網(wǎng)絡(luò)層所不能解決的。運(yùn)輸層的功能運(yùn)輸層要為應(yīng)用層提供一條邏輯通道，好像在兩個應(yīng)用進(jìn)程間連接了一個管道，數(shù)據(jù)從管道的一端進(jìn)去，從另外一端出來。運(yùn)輸層的主要功能應(yīng)用進(jìn)程尋址提供數(shù)據(jù)的可靠傳遞流量控制擁塞控制TCP/IP的運(yùn)輸層在TCP/IP協(xié)議體系中，運(yùn)輸層有兩個協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TransferControlProtocol，TCP）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）TCP/IP的運(yùn)輸層UDP只提供應(yīng)用進(jìn)程尋址和簡單的差錯檢測功能，它不能向應(yīng)用層保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。TCP除了應(yīng)用進(jìn)程尋址的功能外，還能為應(yīng)用層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并具有流量控制和擁塞控制的能力。端口機(jī)制——應(yīng)用進(jìn)程尋址運(yùn)輸層是為應(yīng)用層服務(wù)的，多個應(yīng)用層協(xié)議可能會使用同一個運(yùn)輸層協(xié)議。運(yùn)輸層如何將收到的數(shù)據(jù)交給正確的應(yīng)用層進(jìn)程？TCP/IP提供了端口機(jī)制來解決這個問題。端口機(jī)制端口是一種軟件結(jié)構(gòu)，是運(yùn)輸層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議交互時的接口，每個端口有一個唯一的端口號，并且有相應(yīng)的輸入和輸出緩存。一個應(yīng)用進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用可以綁定到運(yùn)輸層協(xié)議（UDP或TCP）的一個端口上。端口和應(yīng)用進(jìn)程是一一對應(yīng)的，通過端口號能確定主機(jī)內(nèi)的一個應(yīng)用進(jìn)程。端口機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳輸層首部中包含源端口號（發(fā)送方進(jìn)程端口號）和目的端口號（接收方進(jìn)程端口號）。端口機(jī)制接收方的運(yùn)輸層根據(jù)目的端口號將數(shù)據(jù)交給正確的應(yīng)用進(jìn)程。對于知名的服務(wù)，如Web服務(wù)、FTP服務(wù)等，使用的運(yùn)輸層協(xié)議和端口號都是固定的，這些端口稱為熟知端口，其數(shù)值一般都小于1024。而對于客戶進(jìn)程，操作系統(tǒng)通常會隨機(jī)給它分配一個大于1024的端口號。端口機(jī)制TCP/IP協(xié)議體系中，每個端口都有一個端口號，這個端口號是一個16比特的數(shù)字，所以最多可以有64K個端口。TCP和UDP的端口是各自獨(dú)立的，TCP可以有64K個端口，UDP也可以有64K個端口。UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）是TCP/IP協(xié)議體系中運(yùn)輸層協(xié)議之一，在RFC768中定義。UDP為應(yīng)用層提供了無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，利用端口機(jī)制為應(yīng)用程序提供多路復(fù)用和多路分解，并支持簡單的差錯檢測。UDP不能向應(yīng)用層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，也沒有流量控制和擁塞控制的功能。UDP數(shù)據(jù)報(bào)UDP接收應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，加上UDP首部后封裝成UDP數(shù)據(jù)報(bào)，UDP數(shù)據(jù)報(bào)是UDP的傳輸單元。UDP特點(diǎn)UDP不提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)可能會丟失、亂序和重復(fù)。UDP采用無連接的工作方式，

UDP比較簡單，應(yīng)用層的數(shù)據(jù)能夠被迅速、及時地發(fā)送出去。UDP的效率比較高，適合于對實(shí)時性要求高，但能夠容忍部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的應(yīng)用，如視頻會議，音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。使用UDP的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用應(yīng)用層協(xié)議運(yùn)輸層協(xié)議域名解析DNSUDP網(wǎng)絡(luò)管理SNMPUDP路由信息交換RIPUDP簡單文件傳輸TFTPUDP網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFSUDPIP電話專有協(xié)議UDP流式多媒體專有協(xié)議UDPUDP數(shù)據(jù)報(bào)格式UDP數(shù)據(jù)報(bào)由UDP首部和其封裝的應(yīng)用層數(shù)據(jù)組成，是UDP協(xié)議的傳輸單元。UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式源端口是指發(fā)送方應(yīng)用進(jìn)程對應(yīng)的端口號。目的端口是指接收方應(yīng)用進(jìn)程對應(yīng)的端口號。長度字段的值給出了UDP數(shù)據(jù)報(bào)（包括首部和數(shù)據(jù)）的字節(jié)數(shù)。校驗(yàn)和用來檢測UDP報(bào)文在傳輸中的錯誤。UDP報(bào)文的校驗(yàn)是可選的，如果校驗(yàn)和的值為0，則表示沒有校驗(yàn)。UDP的差錯檢測UDP提供了首部校驗(yàn)和字段來檢測UDP數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中的錯誤。一旦檢測出錯誤，UDP會丟棄出錯的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。UDP首部校驗(yàn)和的計(jì)算比較特殊，在計(jì)算校驗(yàn)和之前，要在UDP報(bào)文前面添加一個偽首部。TCPTCP是TCP/IP協(xié)議體系中運(yùn)輸層的重要協(xié)議。TCP為應(yīng)用層提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。在提供數(shù)據(jù)可靠性的同時，TCP還為應(yīng)用層提供了全雙工的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。TCP還具有流量控制和擁塞控制的功能。TCP報(bào)文段的組成和封裝TCP接收應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，添加TCP首部后形成TCP報(bào)文段。TCP報(bào)文段需要被下層的IP協(xié)議封裝，發(fā)送到目的地。TCP報(bào)文段結(jié)構(gòu)TCP連接TCP提供面向連接的傳輸服務(wù)。利用TCP通信的兩個應(yīng)用進(jìn)程要首先建立連接。這個連接是軟件意義上的連接，并不是一條實(shí)際的物理線路。建立連接的目的是使通信雙方在開始傳輸數(shù)據(jù)前建立聯(lián)系，使雙方都確定對方愿意與之通信；同時在建立連接的過程中傳遞和協(xié)商一些必要的參數(shù)（如發(fā)送字節(jié)的起始編號和MSS），為后面的數(shù)據(jù)傳遞打下基礎(chǔ)。建立連接的過程是兩端的TCP交換一些特殊的TCP報(bào)文段來完成的。使用TCP傳輸數(shù)據(jù)的過程1.建立連接。2.傳輸應(yīng)用層數(shù)據(jù)。3.關(guān)閉連接。TCP建立連接過程TCP建立連接的過程稱為“三次握手”(three-wayhandshanke)TCP關(guān)閉連接過程?；疃〞r器一個TCP連接建立后，可能會長時間處于空閑狀態(tài)，沒有任何數(shù)據(jù)交換。服務(wù)器需要知道客戶端是否已經(jīng)關(guān)閉或是重啟，需要確認(rèn)是否有必要繼續(xù)保留這個連接。服務(wù)器通過設(shè)置?；疃〞r器（keepalivetimer）來達(dá)到這個目的。保活定時器?；疃〞r器的時間一般設(shè)為2小時。如果服務(wù)器在2小時內(nèi)收到了客戶端的信息，那么定時器就復(fù)位，重新計(jì)時。如果2小時內(nèi)沒有收到任何數(shù)據(jù)，那么服務(wù)器TCP就會給客戶端發(fā)送一個探測報(bào)文。?；疃〞r器客戶端可能處于以下的4個狀態(tài)：（1）客戶端依然活躍，并且收到了服務(wù)器的探測報(bào)文?？蛻舳说腡CP便會發(fā)出響應(yīng)報(bào)文，使服務(wù)器知道自己仍然處于活動狀態(tài)。服務(wù)器的TCP會將保活定時器復(fù)位，保持這個連接。（2）客戶端已經(jīng)崩潰，并且已經(jīng)關(guān)機(jī)。此時服務(wù)器TCP不會收到任何響應(yīng)。然后服務(wù)器TCP每隔75秒發(fā)送一個探測報(bào)文，如果發(fā)送了10個探測報(bào)文仍沒有回應(yīng)，那么服務(wù)器就關(guān)閉連接，釋放相應(yīng)的資源。?；疃〞r器客戶端可能處于以下的4個狀態(tài)：（3）客戶端已經(jīng)重啟，這時客戶端的TCP不會保留原來連接的信息。當(dāng)收到服務(wù)器的探測報(bào)文后，客戶端TCP會發(fā)送一個復(fù)位（RST）的響應(yīng)，服務(wù)器收到后便會關(guān)閉連接。（4）客戶端依然活躍，但是始終都無法收到服務(wù)器的探測報(bào)文（可能是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的）。這種情況同（2）類似，服務(wù)器收不到響應(yīng)，也會關(guān)閉連接。數(shù)據(jù)的可靠性傳輸TCP報(bào)文段需要封裝在IP的報(bào)文中才能到達(dá)目的地。數(shù)據(jù)的可靠性傳輸IP協(xié)議不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，IP報(bào)文可能會丟失、重復(fù)或者亂序。TCP報(bào)文段也會遇到同樣的問題。TCP主要使用確認(rèn)、重傳機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。確認(rèn)和重傳機(jī)制每一方的TCP都要為所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編號，編號以字節(jié)為單位。如果收到了編號正確的數(shù)據(jù)，那么就要給對方發(fā)送確認(rèn)。確認(rèn)也可能在中途丟失，從而造成對方無法收到確認(rèn)的情況。在發(fā)出一個TCP報(bào)文段后，就啟動一個定時器，如果定時器時間到了但確認(rèn)還沒有來，那么就重傳一次這個報(bào)文。確認(rèn)和重傳機(jī)制數(shù)據(jù)出錯的四種情況和處理(1)TCP報(bào)文段丟失。發(fā)送方定時器超時，重傳。(2)TCP報(bào)文段里的數(shù)據(jù)出錯。接收方丟棄出錯報(bào)文段，不發(fā)送確認(rèn)。發(fā)送方定時器超時，重傳。(3)TCP報(bào)文段的重復(fù)。接收方直接丟棄重復(fù)報(bào)文段，同時發(fā)送確認(rèn)。(4)TCP報(bào)文段的亂序。TCP通常會選擇緩存這些亂序的報(bào)文，將其排序再上傳給應(yīng)用進(jìn)程。

重傳定時器在發(fā)送一個TCP報(bào)文后，就會啟動重傳定時器。如果在定時器截止時間之前收到了確認(rèn)，就撤銷這個定時器。如果定時器時間到了，確認(rèn)還沒有收到，就重傳該報(bào)文并將定時器復(fù)位。隨著網(wǎng)絡(luò)情況不斷在發(fā)生變化，重傳定時器的時間設(shè)定也會跟隨變化。重傳定時器計(jì)算流量控制在建立連接時，TCP連接的每一端都會為這個連接分配一定數(shù)量的緩存。當(dāng)收到正確的字節(jié)后，就會將數(shù)據(jù)放入緩存。如果發(fā)送進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)的速度超過接收進(jìn)程取走數(shù)據(jù)的速度，那么接收緩存就會被充滿，最后溢出。需要有一種機(jī)制來控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，保證接收緩存不溢出，這種機(jī)制稱為流量控制。流量控制TCP利用首部中的窗口字段將自己接收緩存大小通知對方，從而保證數(shù)據(jù)不會溢出。流量控制流量控制中的兩個問題零窗口通告使用堅(jiān)持定時器解決。糊涂窗口癥狀解決方案：接收方不發(fā)送接收窗口太小的通告，等到接收緩存有了合適的空余（如一半空閑）再發(fā)送窗口更新的通告。發(fā)送方也要暫時緩存一下要發(fā)送的數(shù)據(jù)，等數(shù)據(jù)達(dá)到合適的數(shù)量（如至少達(dá)到接收方窗口的一半）再發(fā)送出去。擁塞當(dāng)大量的數(shù)據(jù)涌入網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)中的部分路由器就會因?yàn)檫^載而被迫丟棄一些分組，就產(chǎn)生了擁塞。發(fā)送方會因?yàn)槎〞r器超時重傳那些被路由器丟棄的分組，從而引起更嚴(yán)重的擁塞，使整個網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。