《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層》課件

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸層是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾獙蛹?jí)。它提供可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理數(shù)據(jù)流的建立、維護(hù)和終止，確保數(shù)據(jù)完整性并處理錯(cuò)誤。運(yùn)輸層概述網(wǎng)絡(luò)模型中的位置運(yùn)輸層位于網(wǎng)絡(luò)模型中的第四層，位于網(wǎng)絡(luò)層之上，應(yīng)用層之下。提供服務(wù)運(yùn)輸層為應(yīng)用層提供服務(wù)，將數(shù)據(jù)從源主機(jī)傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)，并提供數(shù)據(jù)可靠性保障。協(xié)議類型運(yùn)輸層主要包含兩種協(xié)議：TCP和UDP，它們提供不同的服務(wù)，滿足不同應(yīng)用需求。傳輸數(shù)據(jù)運(yùn)輸層負(fù)責(zé)將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)報(bào)文，并添加頭部信息，以便進(jìn)行傳輸。運(yùn)輸層協(xié)議的作用和功能數(shù)據(jù)分組將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分段成更小的數(shù)據(jù)包，以便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。可靠數(shù)據(jù)傳輸確保數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)目的地，并解決數(shù)據(jù)丟失或損壞問題。連接管理建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，以便應(yīng)用層進(jìn)程之間進(jìn)行通信。流量控制控制數(shù)據(jù)發(fā)送速度，防止接收方被數(shù)據(jù)淹沒。TCP/IP協(xié)議族中的運(yùn)輸層1網(wǎng)絡(luò)層之上位于網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議之上，直接與網(wǎng)絡(luò)層交互，為應(yīng)用層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。2協(xié)議族中的重要組成部分TCP/IP協(xié)議族中不可或缺的一部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在不同主機(jī)之間傳輸?shù)目煽啃院托省?兩個(gè)主要協(xié)議TCP和UDP，提供不同級(jí)別的服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場景的需求。什么是TCP?傳輸控制協(xié)議TCP是一種面向連接的協(xié)議。這意味著在傳輸數(shù)據(jù)之前，發(fā)送方和接收方需要建立一個(gè)連接。然后，數(shù)據(jù)在連接上可靠地傳輸，確保數(shù)據(jù)完整無缺地到達(dá)目的地?？煽啃訲CP提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸，可以保證數(shù)據(jù)按順序到達(dá)，并且沒有丟失或損壞。TCP使用校驗(yàn)和、序號(hào)、確認(rèn)機(jī)制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。TCP基本原理1連接建立發(fā)送SYN報(bào)文，等待對(duì)方確認(rèn)2數(shù)據(jù)傳輸可靠的數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)完整性和順序3連接釋放發(fā)送FIN報(bào)文，結(jié)束連接TCP使用面向連接的傳輸方式，在傳輸數(shù)據(jù)之前需要建立連接。連接建立過程中，雙方交換SYN報(bào)文進(jìn)行握手，確認(rèn)連接成功。傳輸數(shù)據(jù)過程中，TCP通過序號(hào)、確認(rèn)號(hào)、校驗(yàn)和等機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并采用窗口機(jī)制和擁塞控制來提高傳輸效率。TCP連接建立TCP連接建立采用三次握手協(xié)議。1SYN客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求2SYN/ACK服務(wù)器確認(rèn)請(qǐng)求，并發(fā)送同步確認(rèn)3ACK客戶端確認(rèn)同步確認(rèn)三次握手確保雙方都準(zhǔn)備好通信，并防止舊連接影響新連接建立。TCP可靠數(shù)據(jù)傳輸1順序控制TCP確保數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)目的地。發(fā)送方對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)，接收方按順序組裝數(shù)據(jù)包。2確認(rèn)機(jī)制接收方確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包，發(fā)送方收到確認(rèn)信息后，才會(huì)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。3超時(shí)重傳發(fā)送方設(shè)定超時(shí)時(shí)間，如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)信息，就會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。TCP窗口機(jī)制滑動(dòng)窗口TCP使用滑動(dòng)窗口機(jī)制來提高數(shù)據(jù)傳輸效率，避免不必要的等待。窗口大小窗口大小表示接收方能夠接收的最大數(shù)據(jù)量，通常以字節(jié)數(shù)為單位。窗口移動(dòng)隨著數(shù)據(jù)確認(rèn)的接收，窗口會(huì)向前滑動(dòng)，允許發(fā)送方發(fā)送更多數(shù)據(jù)。流量控制窗口機(jī)制可以有效地控制網(wǎng)絡(luò)流量，防止接收方被過多的數(shù)據(jù)淹沒。TCP擁塞控制1慢啟動(dòng)緩慢增加發(fā)送窗口大小2擁塞避免線性增加發(fā)送窗口大小3快重傳快速重傳丟失數(shù)據(jù)段4快恢復(fù)快速恢復(fù)連接狀態(tài)TCP擁塞控制機(jī)制旨在避免網(wǎng)絡(luò)過載，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。通過慢啟動(dòng)、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)等機(jī)制，TCP能夠有效地控制發(fā)送速率，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞。TCP流量控制1發(fā)送方控制發(fā)送方根據(jù)接收方緩沖區(qū)大小，調(diào)整發(fā)送速率。2接收方窗口接收方告知發(fā)送方可接收數(shù)據(jù)量大小。3滑動(dòng)窗口發(fā)送方維護(hù)一個(gè)窗口，記錄已發(fā)送但未確認(rèn)的數(shù)據(jù)。4確認(rèn)機(jī)制接收方發(fā)送確認(rèn)信息，告知發(fā)送方已接收數(shù)據(jù)。TCP流量控制是防止發(fā)送方發(fā)送過快導(dǎo)致接收方緩沖區(qū)溢出，從而實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵機(jī)制。TCP分段和重組分段TCP將數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)段，每個(gè)數(shù)據(jù)段都有自己的序號(hào)和校驗(yàn)和，以便在網(wǎng)絡(luò)傳輸中進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸這些數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡(luò)中以IP數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳輸，并可能被路由器拆分成更小的數(shù)據(jù)報(bào)。重組接收方根據(jù)數(shù)據(jù)段的序號(hào)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)段進(jìn)行排序，并檢查校驗(yàn)和，以確保數(shù)據(jù)完整性和正確性。重組完成當(dāng)所有數(shù)據(jù)段都到達(dá)并被重組后，TCP將完整的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交付給應(yīng)用程序。TCP頭部格式TCP頭部包含10個(gè)字段，共20個(gè)字節(jié)。每個(gè)字段都具有特定功能，用于確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。這些字段包括：源端口號(hào)、目標(biāo)端口號(hào)、序號(hào)、確認(rèn)號(hào)、數(shù)據(jù)偏移、保留、標(biāo)志位、窗口大小、校驗(yàn)和、緊急指針。TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖展示了TCP連接在整個(gè)生命周期中不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。從初始狀態(tài)到最終的關(guān)閉狀態(tài)，連接經(jīng)歷了一系列狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，例如監(jiān)聽、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和關(guān)閉連接。每個(gè)狀態(tài)代表了連接當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)事件的觸發(fā)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。該圖能夠清晰地展現(xiàn)TCP連接的狀態(tài)變化規(guī)律，幫助理解TCP連接的建立和關(guān)閉過程。什么是UDP?無連接協(xié)議UDP是無連接協(xié)議，不建立連接即可發(fā)送數(shù)據(jù)。速度快不需要建立連接，因此效率更高，延遲更小。不可靠UDP不保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，可能丟失數(shù)據(jù)。UDP基本原理1無連接UDP是無連接的協(xié)議，這意味著數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立連接。2不可靠傳輸U(kuò)DP不提供數(shù)據(jù)可靠傳輸，數(shù)據(jù)包可能會(huì)丟失、亂序到達(dá)，或重復(fù)到達(dá)。3面向報(bào)文UDP將數(shù)據(jù)封裝成報(bào)文，每個(gè)報(bào)文包含目標(biāo)地址和端口號(hào)。UDP頭部格式UDP頭部包含8個(gè)字節(jié)，包含源端口號(hào)、目標(biāo)端口號(hào)、長度和校驗(yàn)和。源端口號(hào)和目標(biāo)端口號(hào)分別標(biāo)識(shí)發(fā)送和接收應(yīng)用程序。長度字段包含整個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)（包括頭部和數(shù)據(jù)）的長度。校驗(yàn)和字段用于檢測數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中的錯(cuò)誤。UDP的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡化UDP協(xié)議簡單，頭部信息少，開銷小，傳輸速度快。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性UDP協(xié)議不進(jìn)行可靠性校驗(yàn)，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如視頻會(huì)議和直播。缺點(diǎn)：不可靠UDP協(xié)議不提供數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或亂序。缺點(diǎn)：無錯(cuò)誤控制UDP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。TCP與UDP的比較TCP特點(diǎn)TCP是一種面向連接的協(xié)議，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸之前必須建立連接，并確保數(shù)據(jù)可靠傳輸，適用于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求高的場景。UDP特點(diǎn)UDP是一種無連接的協(xié)議，不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)傳輸無需建立連接，速度更快，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求高，對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高的場景。應(yīng)用場景例如，網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)刃枰ＷC數(shù)據(jù)可靠性的應(yīng)用通常使用TCP協(xié)議，而視頻通話、網(wǎng)絡(luò)游戲等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求高，對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高的應(yīng)用通常使用UDP協(xié)議。應(yīng)用層協(xié)議與運(yùn)輸層的關(guān)系相互依賴應(yīng)用層協(xié)議依靠運(yùn)輸層提供服務(wù)，例如可靠數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)報(bào)傳送。數(shù)據(jù)交互應(yīng)用層協(xié)議向運(yùn)輸層傳遞數(shù)據(jù)，運(yùn)輸層則將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)報(bào)或段，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層。協(xié)同工作應(yīng)用層協(xié)議和運(yùn)輸層協(xié)議協(xié)同工作，為用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，例如電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等。SCTP協(xié)議簡介SCTP簡介流控制傳輸協(xié)議(SCTP)是一個(gè)可靠的、面向連接的傳輸層協(xié)議。用于提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，適用于需要高可靠性和安全性場景。主要特點(diǎn)SCTP提供數(shù)據(jù)完整性保障，擁有更高的安全性。同時(shí)支持多路徑傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。SCTP的特點(diǎn)和應(yīng)用可靠性SCTP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，與TCP相似，確保數(shù)據(jù)按順序到達(dá)目的地，并處理數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤。多路徑SCTP支持多路徑傳輸，允許數(shù)據(jù)通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口或路徑發(fā)送，提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和效率。安全性SCTP協(xié)議提供了身份驗(yàn)證和加密功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，防止?shù)據(jù)被竊取或篡改。QUIC協(xié)議簡介基于UDP的可靠傳輸QUIC協(xié)議是基于UDP的可靠傳輸協(xié)議，與TCP相比，它在性能和安全性方面都有提升。面向連接的協(xié)議QUIC協(xié)議本質(zhì)上是面向連接的，但它通過建立一個(gè)連接來傳輸多個(gè)流，提高了傳輸效率?？焖龠B接建立QUIC協(xié)議采用更快的握手機(jī)制，減少連接建立時(shí)間，提升用戶體驗(yàn)。QUIC的創(chuàng)新點(diǎn)基于UDPQUIC協(xié)議基于UDP協(xié)議，與TCP相比，它更加輕量級(jí)，可以更快地建立連接。多路復(fù)用QUIC協(xié)議支持在單個(gè)UDP連接上同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，這可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸效率。加密和認(rèn)證QUIC協(xié)議默認(rèn)使用TLS協(xié)議進(jìn)行加密和認(rèn)證，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。流量控制和擁塞控制QUIC協(xié)議提供了流量控制和擁塞控制機(jī)制，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。未來運(yùn)輸層發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)多樣性移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)運(yùn)輸層提出了新的需求。高性能網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷提升，需要更高效的協(xié)議和技術(shù)以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。安全網(wǎng)絡(luò)安全問題日益突出，需要更安全可靠的運(yùn)輸層協(xié)議來保障數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)性移動(dòng)設(shè)備的普及需要運(yùn)輸層協(xié)議能夠適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并提供良好的移動(dòng)性支持。本章小結(jié)運(yùn)輸層運(yùn)輸層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的重要組成部分。它為上層應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制等服務(wù)。關(guān)鍵概念TCP和UDP是兩種常見的運(yùn)輸層協(xié)議。TCP提供可靠數(shù)據(jù)傳輸，UDP提供不可靠數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議比較TCP和UDP各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的協(xié)議取決于應(yīng)用場景。SCTP和QUIC是新興的運(yùn)輸層協(xié)議，它們?cè)谀承┓矫鎯?yōu)于TCP和UDP。復(fù)習(xí)思考題本章內(nèi)容為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，掌握運(yùn)輸層協(xié)議的功能和特點(diǎn)至關(guān)重要。以下是一些思考題，幫助你鞏固所學(xué)內(nèi)容。1.TCP和UDP的區(qū)別是什么？2.TCP如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?.TCP的擁塞控制機(jī)制有哪些？4.UDP適用于哪些應(yīng)用場景？5.簡述SCTP協(xié)議的特點(diǎn)及其應(yīng)用場景。6.QUIC協(xié)議的創(chuàng)新點(diǎn)有哪些？拓展閱讀推薦深入研究想要更深入地了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸層，推薦閱讀《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教材，例如謝希仁老師的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》第五版。相關(guān)技術(shù)了解TCP/IP協(xié)議族的其他層，例如網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，推薦閱讀《TCP/