理學(xué)第七章傳輸層

第7章傳輸層

本章主要講解有關(guān)傳輸層的一些概念和基礎(chǔ)知識。本章應(yīng)重點掌握和理解以下內(nèi)容：1.掌握有關(guān)端口和插口的概念、作用和使用方法2.掌握關(guān)于TCP協(xié)議的基礎(chǔ)知識3.了解UDP協(xié)議的基礎(chǔ)知識7.1.1傳輸層概述

從通信和信息處理的角度看，運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分中的兩個主機使用網(wǎng)絡(luò)的核心部分的功能進行端到端的通信時，只有位于網(wǎng)絡(luò)邊緣部分的主機的協(xié)議棧才有運輸層。而網(wǎng)絡(luò)核心部分中的路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時都只用到下三層的功能。7.1傳輸層提供的服務(wù)運輸層為相互通信的應(yīng)用進程提供了邏輯通信

54321運輸層提供應(yīng)用進程間的邏輯通信主機A主機B應(yīng)用進程應(yīng)用進程路由器1路由器2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP層LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP協(xié)議的作用范圍運輸層協(xié)議TCP和UDP的作用范圍AP3應(yīng)用進程之間的通信兩個主機進行通信實際上就是兩個主機中的應(yīng)用進程互相通信。應(yīng)用進程之間的通信又稱為端到端的通信。運輸層的一個很重要的功能就是復(fù)用和分用。應(yīng)用層不同進程的報文通過不同的端口向下交到運輸層，再往下就共用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)。“運輸層提供應(yīng)用進程間的邏輯通信”。“邏輯通信”的意思是：運輸層之間的通信好像是沿水平方向傳送數(shù)據(jù)。但事實上這兩個運輸層之間并沒有一條水平方向的物理連接。運輸層的主要功能

運輸層為應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信。運輸層還要對收到的報文進行差錯檢測。運輸層需要有兩種不同的運輸協(xié)議，即面向連接的TCP和無連接的UDP。

TCP/IP的運輸層有兩個不同的協(xié)議：(1)用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)：UDP傳送的數(shù)據(jù)單元是UDP報文或用戶數(shù)據(jù)報。(2)傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)：TCP傳送的數(shù)據(jù)單元是TCP報文段(segment)7.1.2運輸層的兩個主要協(xié)議

TCP與UDP

UDP在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。對方的運輸層在收到UDP報文后，不需要給出任何確認。雖然UDP不提供可靠交付，但在某些情況下UDP是一種最有效的工作方式。TCP則提供面向連接的服務(wù)。TCP不提供廣播或多播服務(wù)。由于TCP要提供可靠的、面向連接的運輸服務(wù)，因此不可避免地增加了許多的開銷。這不僅使協(xié)議數(shù)據(jù)單元的首部增大很多，還要占用許多的處理機資源。

7.1.3端口

TCP/IP傳輸層可以通過協(xié)議端口（protocolport，簡稱端口）來標(biāo)識通信的應(yīng)用進程。傳輸層就是通過端口與應(yīng)用層的應(yīng)用程序進行信息交互的，應(yīng)用層各種用戶進程通過相應(yīng)的端口與傳輸層實體進行信息交互。端口實際上是一個16Bit長的地址，范圍可以從0至65535。7.1傳輸層提供的服務(wù)三類端口

熟知端口，數(shù)值一般為0~1023。登記端口號，數(shù)值為1024~49151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的?？蛻舳丝谔柣蚨虝憾丝谔枺瑪?shù)值為49152-65535，留給客戶進程選擇暫時使用。當(dāng)服務(wù)器進程收到客戶進程的報文時，就知道了客戶進程所使用的動態(tài)端口號。通信結(jié)束后，這個端口號可供其他客戶進程以后使用。

7.1.3端口

各端口的意義

7.1傳輸層提供的服務(wù)插口或套接字（Scoket）：為了使得多主機多進程通信時，不至于發(fā)生上述的混亂情況，必須把端口號和主機的IP地址結(jié)合起來使用，稱為插口或套接字（Scoket）。由于主機的IP地址是唯一的，這樣目的主機就可以區(qū)分收到的數(shù)據(jù)報的源端機了。插口包括IP地址（32位）和端口號（16位），共48位。如（124.33.13.55，200）和（126.45.21.51，25）就是一對插口，在整個Internet中，在傳輸層上進行通信的一對插口都必須是唯一的。7.1傳輸層提供的服務(wù)7.2傳輸控制協(xié)議TCP

TCP是TCP/IP體系中的傳輸層協(xié)議，是面向連接的，因而可以提供可靠的全雙工信息服務(wù)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，應(yīng)用層的數(shù)據(jù)報傳送到傳輸層后，加上TCP首部，就構(gòu)成了TCP的數(shù)據(jù)傳送單位，稱為報文段（Segment），TCP數(shù)據(jù)部分TCP首部TCP報文段在發(fā)送的時候作為IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)。加上IP首部后成為IP數(shù)據(jù)報；TCP數(shù)據(jù)部分TCP首部TCP報文段IP數(shù)據(jù)部分IP首部IP數(shù)據(jù)報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號保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431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TCP報文段的首部格式

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號保留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）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充確認號字段——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（長度可變）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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?！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號保留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。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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充確認ACK——只有當(dāng)ACK

1時確認號字段才有效。當(dāng)ACK

0時，確認號無效。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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充復(fù)位RST(ReSeT)——當(dāng)RST

1時，表明TCP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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充終止FIN(FINis)——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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充檢驗和——占2字節(jié)。檢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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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號保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431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(MaximumSegmentSize)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。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號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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。

7.2.2TCP的編號與確認

在TCP報文段首部含有確認序號字段，通過它可以完成TCP報文的確認，具體的確認是對接收到的數(shù)據(jù)的最高序號進行確認，返回的確認序號是已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)的最高序號加1。由于TCP采用全雙工的通信方式，因此進行通信的每一方都不必專門發(fā)送確認報文段，可以在傳送數(shù)據(jù)的同時進行確認，這種方式稱為捎帶確認。7.2傳輸控制協(xié)議TCP

7.2.3TCP的流量控制機制兩用戶進程間的流量控制就是要防止快速的發(fā)送數(shù)據(jù)時超過接收者的能力，采用的方法都是基于滑動窗口的原理。在TCP報文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當(dāng)前設(shè)定的接收窗口的大小。7.2傳輸控制協(xié)議TCP

7.2.3TCP的流量控制機制

7.2傳輸控制協(xié)議TCP

123456789101112(a)發(fā)送方維持發(fā)送窗口（發(fā)送窗口是5）發(fā)送窗口(b)收到一個確認后發(fā)送窗口向前滑動向前123456789101112發(fā)送窗口7.2.3TCP的流量控制機制

7.2傳輸控制協(xié)議TCP

發(fā)送端接收端

7.2.3TCP的流量控制機制

實際上實現(xiàn)流量控制并非僅僅為了使得接收方來得及接收而已，還要有控制網(wǎng)絡(luò)擁塞的作用。比如接收端正處于較空閑的狀態(tài)，而整個網(wǎng)絡(luò)的負載卻很多，這時如果發(fā)送方仍然按照接收方的要求發(fā)送數(shù)據(jù)就會加重網(wǎng)絡(luò)負荷，由此會引起報文段的時延增大，使