第五章 傳輸層協(xié)議

第五章傳輸層協(xié)議第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三重點端口TCP連接的建立和拆除的握手機制計時器流量控制擁塞控制第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.1.傳輸層5.1.1.傳輸層概述一、傳輸層的作用彌補網(wǎng)絡層所提供的服務質量的不足，以便為高層提供可靠的端到端通信。第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三計算機網(wǎng)絡在邏輯上分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)中的設備才有傳輸層，通信子網(wǎng)中的設備一般只具備OSI下面三層的功能。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三資源子網(wǎng)中的端用戶依靠在自己主機上所增加的這個傳輸層來檢測分組的丟失或數(shù)據(jù)的殘缺并采取相應的補救措施。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三二、傳輸層功能在網(wǎng)絡層所提供的源到目標的分組傳輸服務的基礎上，向上層提供可靠的源主機到目標主機的數(shù)據(jù)傳輸。當上層的協(xié)議數(shù)據(jù)包的長度超過網(wǎng)絡互聯(lián)層所能承載的最大數(shù)據(jù)傳輸單元時，提供分段和合并分段的功能。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三提供多路復用機制，由于同時存在多個高層應用，因此要求傳輸層能夠同時為多個高層應用服務，將多個高層應用復用到一個網(wǎng)絡層連接上。傳輸層是通過端口來實現(xiàn)這一功能的。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三三、端到端的傳輸傳輸層就是為上三層提供端到端的傳輸服務第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三聲音信號電信號聲音信號電信號點到點點到點點到點端到端第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三四、TCP/IP的傳輸層 兩個主要的協(xié)議即傳輸控制協(xié)議（transportcontrolprotocol，簡稱TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（userdatagramprotocol，簡稱UDP）TCP協(xié)議是一個可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議將可靠性問題交給應用程序解決第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三指標TCPUDP是否連接面向連接無連接傳輸可靠性可靠不可靠速度較慢較快傳輸質量較高較差第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.1.2.端口和套接字 一臺主機中同時會有多個應用進程進行通信，傳輸層必須將它們區(qū)分開來。因此網(wǎng)絡通信的最終地址應不僅包括主機地址，還要包括可描述網(wǎng)絡進程的某種標識。 這種標識稱作傳輸層服務訪問點， 即端口。

TCP/IP定義一個16Bit長度的整數(shù)作為端口標識，也就是說可定義2e16個端口，其端口號從 0到2e16－1。第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三從0到255被規(guī)定作為公共應用服務的端口，如WWW、FTP、DNS和電子郵件服務等，又被稱為著名端口(Well-knownports)。這些端口所對應的服務是固定、公開的，因此可以通過訪問這些端口來訪問對應的服務。從256到1023的端口，被保留用作商業(yè)性的應用開發(fā)，如一些網(wǎng)絡設備廠商專用協(xié)議的通信端口等。1023以上端口未做限定，即作為自由端口，以本地方式進行分配。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.TCP協(xié)議5.2.1.TCP協(xié)議概述

TCP，即傳輸控制協(xié)議，它提供面向連接的、可靠的（沒有數(shù)據(jù)重復或丟失）、全雙工的數(shù)據(jù)流傳輸服務。

第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三TCP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為段（Segment）數(shù)據(jù)段分為兩部分，即段頭和數(shù)據(jù)段頭一般長20字節(jié)（如有選項部分另加），是TCP為了實現(xiàn)端到端可靠傳輸所加上的控制信息。而數(shù)據(jù)則是指由高層即應用層來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段的大小必須首先滿足65535字節(jié)的IP包數(shù)據(jù)長度限制。第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三源端口：主叫方的TCP端口號。目標端口：被叫方的TCP端口號。發(fā)送序號（SEQ）：①SYN=0表示數(shù)據(jù)段第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號，即該數(shù)據(jù)段在發(fā)送方的數(shù)據(jù)流中的位置；②SYN=1表示建立本次連接的初始序號。第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三確認序號（ACK）：下一個期望接收的TCP數(shù)據(jù)段號，順序號和確認號共同用于TCP服務中的確認、差錯控制。頭長：TCP頭長，以32位字長為單位。實際上相當于給出數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)段中的開始位置。第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三預留：未用的6位，為將來的應用而保留，目前置為“0”?？刂谱侄危–TL）：共6個控制字段，每個占一位bit。TCP數(shù)據(jù)段有多種應用，如建立或關閉連接、傳輸數(shù)據(jù)、攜帶確認等，這些控制字段用于給出與數(shù)據(jù)段的作用及處理相關的控制信息。字段位值=1時有效。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三窗口：窗口的大小表示本方可以接收的數(shù)據(jù)量，以八位字長為計量單位。TCP使用可變大小的滑動窗口來進行流量控制。校驗和：用于對數(shù)據(jù)段頭和數(shù)據(jù)進行校驗，以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯。緊急指針：給出從當前段序號到緊急數(shù)據(jù)位置的偏移量。第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三任選項：提供一種增加額外設置的方法，如最大TCP分段的大小的約定。填充：當任選項字段長度不足32位字長時，需要加以填充。數(shù)據(jù)：來自高層即應用層的協(xié)議數(shù)據(jù)。第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2.TCP的連接管理

TCP實現(xiàn)的是面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務，即是一種虛電路的數(shù)據(jù)交換方式，在數(shù)據(jù)傳輸以前需要在源主機和目標主機之間創(chuàng)建相應的虛電路連接。第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三一、連接的建立

TCP使用三次握手協(xié)議來建立連接。第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三主機1首先發(fā)起TCP連接請求，并在所發(fā)送的數(shù)據(jù)段中將控制字段中的SYN置為“1”、ACK置為“0”。第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三主機2收到該分段，若同意建立連接，則發(fā)送一個連接接受的應答數(shù)據(jù)段，其中控制字段的SYN和ACK均被置“1”，指示對第一個SYN報文段的確認，以繼續(xù)握手操作；否則，主機2要發(fā)送一個將RST置為“1”的應答數(shù)據(jù)段，表示拒絕建立連接。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三主機1收到主機2發(fā)來的同意建立連接數(shù)據(jù)段后，還有再次進行選擇的機會，若其確認要建立這個連接，則向主機2發(fā)送確認數(shù)據(jù)段，用來通知主機2雙方已完成建立連接；第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三若其已不想建立這個連接，則可以發(fā)送一個將RST置為“1”的應答數(shù)據(jù)段來告之主機2拒絕建立連接。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三二、連接的拆除

TCP連接的關閉過程是一個四次握手的過程。圖5-9四次握手拆除TCP連接第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三當主機1的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢時，其在等待確認的同時可發(fā)送一個將控制字段FIN置“1”的數(shù)據(jù)段給主機2，表示請求中斷主機1到主機2的連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三若主機2已正確接收主機1的所有分段，則會發(fā)送一個數(shù)據(jù)段正確接收的確認段，同時通知本地相應的應用程序，對方要求關閉連接，接著再發(fā)送一個對主機1所發(fā)送的FIN段進行確認的應答段。由此便拆除了一個方向的TCP連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三但是，此時在相反方向上，主機2仍然可以向主機1發(fā)送數(shù)據(jù)，直到主機2數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并要求關閉連接。這個方向上連接的拆除同樣要經(jīng)過（1）、（2）兩步，由主機2發(fā)起FIN段，主機1應答確認ACK，拆除另一方向的TCP連接。圖5-9四次握手拆除TCP連接第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.3.確認和超時重傳第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.4.TCP定時器 TCP設置多個定時器幫助其完成所承擔的服務。

第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三一、重傳定時器（ConnectionEstablishmentTimer） 重發(fā)定時器是TCP發(fā)送數(shù)據(jù)時設置的，如果在定時器超時前該數(shù)據(jù)段被確認，就關閉該定時器，否則，一旦超時則重發(fā)該數(shù)據(jù)段。第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三二、連接建立定時器（ConnectionEstablishmentTimer） 當請求建立連接的SYN數(shù)據(jù)段發(fā)出時，連接建立定時器就開始計時，如果在75秒內(nèi)未收到響應，則連接建立失敗。第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三三、ACK延時定時器（DelayedACKTimer） 當TCP實體收到數(shù)據(jù)時它必須返回確認，但并不需要立即回復，它可以在200亳秒內(nèi)發(fā)送ACK報文，如果在這段時間內(nèi)它恰好有數(shù)據(jù)要發(fā)送，它就可以在數(shù)據(jù)內(nèi)包含確認信息，因此需要ACK延時定時器。第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三四、持續(xù)定時器（PersistenceTimer） 防止死鎖事情發(fā)生，發(fā)送方在收到接收方發(fā)來一個窗口為0的數(shù)據(jù)時，就啟動持續(xù)定時器，等到該定時器超時還沒有收到對方修改窗口大小的數(shù)據(jù)段時，發(fā)送方就發(fā)一個探測數(shù)據(jù)，對接收方對該探測數(shù)據(jù)的響應應包含了窗口大小，若仍為0，則定時器清0，重復以上步驟，否則則可以發(fā)送數(shù)據(jù)。第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三五、?；疃〞r器（TheKeepaliveTimer） 當一個連接長時間閑置會造成保持存活定時器會超時，這時就會發(fā)送一個空數(shù)據(jù)段檢測另一方是否仍然存在（即連接是否依然激活），如果它未得到響應，便終止該連接。第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三六、閑置定時器（TheQuietTimer） 當TCP連接斷開后，為防止該連接上的數(shù)據(jù)還在網(wǎng)絡上，并被后續(xù)打開的具有相同五元組的連接接收，要設置閑置定時器以防止剛剛斷開連接的端口號被立即重新使用。第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.5.流量控制與滑動窗口機制TCP實體在端設備中為每個連接開設兩個緩沖區(qū)，一個是接收緩沖區(qū)，用來接收對方發(fā)送來的數(shù)據(jù)。第二個是發(fā)送緩沖區(qū)，TCP實體從應用進程接收數(shù)據(jù)，存貯在發(fā)送緩沖區(qū)。第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三 為了防止由于發(fā)送端與接收端之間的不匹配而引起數(shù)據(jù)丟失，TCP采用滑動窗口進行流量控制。第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.2.6.TCP的擁塞控制 為了解決因網(wǎng)絡傳輸能力導致?lián)砣膯栴}，TCP對流量控制方法進行了改進，增加了一個擁塞窗口。這樣發(fā)送方TCP就有兩個窗口：一是接收方通告窗口，反映的是接收方的數(shù)據(jù)接收能力；一是擁塞窗口，反映的是網(wǎng)絡的傳輸能力。而發(fā)送方可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)，即發(fā)送窗口的大小取這兩個窗口的最小值。第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.3.UDP協(xié)議5.3.1.UDP協(xié)議 與TCP相反，TCP/IP傳輸層的另一大協(xié)議UDP提供的是不可靠的面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務。第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三一、UDP數(shù)據(jù)報格式圖5-13UDP數(shù)據(jù)報格式第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三源端口字段：該字段是16位長度的發(fā)送端UDP協(xié)議端口號。在UDP協(xié)議中也采用與TCP中類似的端口概念來標識同一主機上的不同網(wǎng)絡進程，并且兩者在分配方式上也是類似的。應用程序使用UDP協(xié)議而不直接采用原始IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，最主要的原因就UDP協(xié)議提供了標識進程的端口號。目的端口字段：該字段是16位長度的接收端UDP協(xié)議端口號。長度字段：該字段標記該數(shù)據(jù)報的長度，以8位長的字節(jié)為長度單位，包括報頭和用戶數(shù)據(jù)。第49頁，共52頁，2023年，