計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用 課件 模塊六：主題2傳輸層協(xié)議

續(xù)寫網(wǎng)絡(luò)美麗傳說-Internet的應(yīng)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用課前回顧課前回顧1．不同網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)之間依靠__________地址進(jìn)行通信，每臺主機(jī)上可能運(yùn)行多個應(yīng)用程序，當(dāng)主機(jī)接收到來自其他主機(jī)發(fā)來的信息時，主機(jī)會交給誰來處理呢？如果能夠識別出這些信息是來自不同的應(yīng)用程序，問題將會變得很簡單。如果人們在瀏覽器的地址欄中輸入類似:8080這樣的信息，就能瀏覽網(wǎng)頁信息；輸入:8023，就可以下載共享文件。雖然訪問的是同一目標(biāo)主機(jī)，但獲得了不同服務(wù)，其中地址信息中包含的數(shù)字起到了關(guān)鍵作用。言外之意，特殊數(shù)字是可以用來標(biāo)識不同的應(yīng)用程序的，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中將這些數(shù)字稱為__________。課前回顧2．人們在生活中可能會有這樣的經(jīng)歷：當(dāng)兩個素未謀面的人見面后，其中A想認(rèn)識B，于是A主動向B揮手（意味著接下來有握手的沖動），而B也向A揮手（對剛才A揮手的回應(yīng)，同時又發(fā)出愿意握手的信號給A，詢問A是否準(zhǔn)備好握手），這時候B表示同意與A握手，A確認(rèn)了B愿意握手后，才能走過去與B握手。請思考，如果將以上方法應(yīng)用到傳輸層中，它解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中的什么問題？主題2：傳輸層協(xié)議學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)本節(jié)目標(biāo)掌握傳輸層端口的概念。掌握TCP的連接管理。了解TCP和UDP的主要功能及報文格式。掌握TCP的可靠傳輸、流量控制和擁塞控制機(jī)制。通過介紹TCP與UDP之間的關(guān)系，明確世界上的一切事物都處在普遍的聯(lián)系之中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用“工程學(xué)”的方法來分析問題和解決復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問題素質(zhì)目標(biāo)能力目標(biāo)能夠使用協(xié)議分析工具捕獲并分析TCP數(shù)據(jù)段傳輸層端口7

端口號的概念網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程IP層AP2端口端口AP4AP3應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層AP1IP地址終端A終端BIP地址IP地址全網(wǎng)統(tǒng)一編址標(biāo)識互聯(lián)網(wǎng)中不同連接具有全球意義端口號終端中統(tǒng)一編址標(biāo)識終端中不同應(yīng)用進(jìn)程具有終端本地意義傳輸層端口8

端口號的作用：主要是區(qū)分服務(wù)類別和在同一時間進(jìn)行多個會話FTP文件1(1025)文件2(1026)TCPIP

FTPWWW文件1(21)文件2(21)網(wǎng)頁(80)TCPIP

WWW瀏覽器(1029)TCPIP

主機(jī)A服務(wù)器B主機(jī)C傳輸層端口9

對于一次通信可以通過一個五元組來標(biāo)識其唯一性Internet客戶端A客戶端B客戶端C服務(wù)器A服務(wù)器B①②③源IP地址目的IP地址協(xié)議源端口號目的端口號連接的標(biāo)識連接表示一對進(jìn)程通信的關(guān)系，連接={協(xié)議,源IP地址,源端口號,目的IP地址,目的端口號}傳輸層端口10

連接的標(biāo)識IP＝5

主機(jī)

C80端口(WWW)IP=3主機(jī)A5000端口IP=5

主機(jī)B5000端口連接1連接2IE1IE2TCP連接::={socket1,socket2}={(IP1:port1)，(IP2:port2)}傳輸層端口11

傳輸層多路復(fù)用概念傳輸層端口12

端口號的分類：由16位二進(jìn)制數(shù)組成，最大值為65535傳輸層端口13

表示端口的地址量稱之為端口號，下面說法不正確的是（）。A.每臺主機(jī)中的進(jìn)程可用的端口號有216個。

B.TCP可以有一個166號端口，UDP也可以有一個166號端口。

C.TCP可以有一個166號端口，UDP就不可以有166號端口。

D.每臺主機(jī)中的進(jìn)程可用的端口號有2×216個。傳輸層端口14

端口號與協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)層1應(yīng)用層DNSHTTPFTP傳輸層TCPUDPIPARPICMPIGMP網(wǎng)絡(luò)接口層GSMWiFiATMUDPTCPIPSMTPFTPTelnetRPCDNSSNMPTFTP111531616925212023HTTP80HTTPS443SNMP(trap)162傳輸層端口15

你設(shè)計了一個應(yīng)用，需要為這個應(yīng)用申請一個端口號，方便用戶訪問，下面可以是（）。A.分配1-1023中的一個，并在IANA登記。B.分配1024~49151中的一個，并在IANA登記。C.分配TCP21端口號，并在IANA登記。D.分配49152~65535，并在IANA登記。傳輸層端口16

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考未涉及，院校自主命題有涉及。關(guān)于端口描述，正確的是（）。【2017重慶大學(xué)】A.

TCP和UDP共享端口空間

B.TCP使用端口，UDP不使用端口C.

TCP不使用端口，UDP使用端口

D.TCP和UDP各自有獨(dú)立的端口空間傳輸控制協(xié)議17

TCP面向連接的可靠傳輸數(shù)據(jù)的破壞丟包重復(fù)分片順序混亂IP協(xié)議在主機(jī)間實現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)交換的傳輸協(xié)議面向無連接的不可靠的協(xié)議每一條TCP連接只能是點(diǎn)對點(diǎn)的（一對一），TCP不提供廣播或多播服務(wù)TCP報文段格式一個TCP報文分為首部和數(shù)據(jù)兩部分。TCP報文段首部的前20個字節(jié)是固定的，后面的4N字節(jié)是可有可無的選項（N為整數(shù)）。因此TCP首部的最小長度是20個字節(jié)。目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序列號緊急指針窗口確認(rèn)號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充18

（“段”章取義）TCP報文段格式19

目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序列號緊急指針窗口確認(rèn)號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充1源端口/目的端口：各占2字節(jié)。端口是運(yùn)輸層與應(yīng)用層的服務(wù)接口。傳輸層的復(fù)用和分用功能都要通過端口才能實現(xiàn)。2序列號：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。19

20

目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序列號緊急指針窗口確認(rèn)號保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充3確認(rèn)號：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。4數(shù)據(jù)偏移：占4位，即首部長度。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(yuǎn)?！皵?shù)據(jù)偏移”的單位是32位字（以4字節(jié)為計算單位）。TCP報文段格式20

保留字段6占用6位部分保留位作為今后擴(kuò)展功能用保留字段TCP報文段格式21

標(biāo)志位7占用6位URG：緊急指針有效位ACK：確認(rèn)位PSH：推送位RST：重置位SYN：同步序號位FIN：結(jié)束位URGACKPSHRSTSYNFINTCP報文段格式22

窗口大小8占用16位通告對方自己能夠接收的數(shù)據(jù)量流量控制機(jī)制窗口大?。?6位）TCP報文段格式23

校驗和9占用16位差錯控制驗證首部和數(shù)據(jù)校驗和（16）TCP報文段格式24

緊急指針10占用16位用來確定緊急數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的位置。優(yōu)先快速地獲取緊急數(shù)據(jù)緊急指針（16）TCP報文段格式25

可選項11TCP首部中附加的一些信息，用于提高TCP傳輸性能最大報文長度時間戳選項選擇性確認(rèn)選項可選項TCP報文段格式26

填充13填充0，用于保證首部的長度是32位的整數(shù)倍填充TCP報文段格式27

數(shù)據(jù)14數(shù)據(jù)字段內(nèi)容是上層所封裝的完整數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)TCP報文段格式28

TCP報文格式29

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考、院校自主命題有涉及。1.下列關(guān)于TCP的敘述中，正確的是（）。【2016沈陽工業(yè)大學(xué)】ⅠTCP是一個點(diǎn)到點(diǎn)的通信協(xié)議。ⅡTCP提供了無連接的可靠協(xié)議。ⅢTCP將來自上層的字節(jié)流組織成IP數(shù)據(jù)包，然后交給網(wǎng)絡(luò)層。ⅣTCP將接收到的報文段組成字節(jié)流交給上傳。A.Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ

B.Ⅰ、Ⅲ C.

僅Ⅳ

D.Ⅲ、Ⅳ2.參見課后檢測“二、6”題。TCP建立連接EstablishConnectionCLOSEDLISTEN1Step初始化雙方定義套接字，初始化序列號、緩存空間、流控制信息。服務(wù)器方處于偵聽狀態(tài)?？蛻魴C(jī)主動連接。TCP三次握手30

TCP建立連接EstablishConnectionCLOSEDLISTENSYNSENDSYNRECEIVEDSYN=1seq=X2Step連接請求客戶端發(fā)送一個TCP的SYN標(biāo)志位置1的包指明客戶打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號X,保存在包頭的序列號(SequenceNumber)字段里。TCP三次握手31

TCP建立連接EstablishConnectionCLOSEDLISTENSYNSENDESTABLISHEDSYNRECEIVEDSYN=1seq=XSYN=1ACK=1seq=Yack=X+13Step同意連接服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)包(ACK)應(yīng)答。即SYN標(biāo)志位和ACK標(biāo)志位均為1，同時將確認(rèn)序號(AcknowledgementNumber)設(shè)置為客戶的ISN加1，即X+1。TCP三次握手32

TCP建立連接EstablishConnectionCLOSEDLISTENSYNSENDESTABLISHEDSYNRECEIVEDESTABLISHEDDATAFLOWSYN=1seq=XACK=1Seq=X+1ack=Y+1SYN=1ACK=1seq=Yack=X+14Step確認(rèn)連接客戶端再次發(fā)送確認(rèn)包(ACK)SYN標(biāo)志位為0,ACK標(biāo)志位為1，并且把服務(wù)器發(fā)來ACK的序號字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對方，并且在數(shù)據(jù)段寫ISN的+1。TCP三次握手33

TCP三次握手的通俗理解34

34

TCP連接的釋放35

TCP是全雙工的，相當(dāng)于一條TCP連接上有2條數(shù)據(jù)通路。TCP連接的釋放過程通常稱為“4次揮手”。參與TCP連接的兩個進(jìn)程中的任何一方都能終止該連接。但發(fā)送了FIN的一方可以接收數(shù)據(jù)，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP連接的釋放36

雙方處于建立連接狀態(tài)。客戶端主動發(fā)起關(guān)閉連接，處于終止等待1狀態(tài)。服務(wù)器收到釋放請求后，向客戶端發(fā)出確認(rèn)，服務(wù)器進(jìn)人關(guān)閉等待狀態(tài)，并通知高層應(yīng)用進(jìn)程?？蛻舳舜_認(rèn)后，進(jìn)人終止等待-2狀態(tài)。此時從客戶端到服務(wù)器這個方向的連接就已經(jīng)釋放，TCP連接處于半關(guān)閉的狀態(tài)。TCP連接的釋放37

服務(wù)器還可以發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端仍可以接收數(shù)據(jù)。服務(wù)器發(fā)完數(shù)據(jù)后，要重復(fù)上次已發(fā)送過的確認(rèn)號，進(jìn)入最后確認(rèn)狀態(tài)?？蛻舳耸盏酱_認(rèn)后，并向服務(wù)器端發(fā)出確認(rèn)，進(jìn)入時間等待狀態(tài)，服務(wù)器端進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)?？蛻舳私?jīng)過報文段生命時間后進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。TCP的連接管理38

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考、院校自主命題有涉及。1.

TCP的3次握手中，（

）從連接請求段發(fā)出的，（）從連接接收方發(fā)出的。【2018北京工業(yè)大學(xué)】A.有一次是有兩次是

B.沒有三次都是

C.

有兩次是有一次是

D.三次都是沒有2.關(guān)于TCP的釋放過程，敘述不正確的是（）。【2018杭州電子科技大學(xué)】A.通過設(shè)置FIN來表示釋放連接 B.當(dāng)一方釋放連接后另一方即不能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)C.只有雙方均釋放連接后，該連接才能被釋放 D.釋放連接采用了改進(jìn)的“三次握手”機(jī)制3.TCP在連接關(guān)閉的過程中，為了避免陳舊的TCP報文段對后續(xù)連接產(chǎn)生錯誤干擾而使用的狀態(tài)是（）?！?017南京大學(xué)】A.TIME-WAIT B.FIN-WAIT-1 C.FIN-WAIT-2 D.CLOSED4.參見課后檢測“二、7~12”題。UDP協(xié)議特點(diǎn)及格式39

UDP功能：僅在IP服務(wù)上增加了如下功能復(fù)用和分用的功能差錯檢測的功能UDP特點(diǎn)：UDP是無連接的，盡最大努力交付UDP面向報文，一次交付一個完整報文，應(yīng)用程序負(fù)責(zé)選擇合適的報文長度UDP沒有擁塞控制UDP支持一對一、一對多、多對一和多對多通信UDP的首部開銷小，只有8個字節(jié)39

TCP的連接管理40

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考、院校自主命題有涉及。1.

UDP實現(xiàn)分用時所依據(jù)的首部字段是（）?！?018全國統(tǒng)考】A.源端口號

B.目的端口號

C.

長度

D.校驗和2.UDP數(shù)據(jù)報比IP分組多提供了（）服務(wù)?！?018華中科技大學(xué)】A.流量控制

B.擁塞控制 C.端口功能 D.路由功能3.參見課后檢測“二、13”題。TCP的可靠傳輸41

序號機(jī)制一個TCP連接之間傳輸?shù)氖且贿B串無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流，而不是數(shù)據(jù)段（有信息的邊界）。既能標(biāo)識出不同的數(shù)據(jù)段，也能使接收端根據(jù)序號字段判斷所接收數(shù)據(jù)段的次序，以便最后能按照數(shù)據(jù)原始的發(fā)送順序按序遞交給應(yīng)用層。TCP的可靠傳輸42

重傳機(jī)制TCP只能用確認(rèn)號來表示該序號前的所有字節(jié)都已正確接收。對于出錯報文段，不能采取否定應(yīng)答或選擇重發(fā)。發(fā)送端必須采用超時重傳的機(jī)制來重發(fā)久未應(yīng)答的數(shù)據(jù)段段。。。TCP的可靠傳輸43

重傳機(jī)制重傳定時器。RTO是CP可靠傳輸?shù)幕疽刂?。RTO時間內(nèi)，發(fā)送端對TCP數(shù)據(jù)段的確認(rèn)，須重傳TCP數(shù)據(jù)段。RTO設(shè)置的太小，TCP數(shù)據(jù)段頻繁重傳。。RTO設(shè)置的太大，接收端需要等待較長的時間。TCP的可靠傳輸44

重傳機(jī)制有效的重復(fù)確認(rèn)。當(dāng)發(fā)送方收到3次重復(fù)確認(rèn)時，便可知道該確認(rèn)號所指向的數(shù)據(jù)段已丟失，需要盡快啟動重傳，而無須等待該丟失數(shù)據(jù)段對應(yīng)的計時器超時，這種機(jī)制也稱為快速重傳。。TCP的連接管理45

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考、院校自主命題有涉及。1.下列關(guān)于TCP滑動窗口機(jī)制的敘述中，正確的是（）。【2018南京大學(xué)】A.表示滑動窗口大小的字段包含3位

B.滑動窗口大小在TCP連接過程中不再調(diào)整C.

滑動窗口機(jī)制僅用于端到端流量控制

D.滑動窗口大小為0是合法的2.參見課后檢測“二”相關(guān)部分題目。TCP的流量控制46

數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸（局部控制）。TCP使用動態(tài)緩存分配和滑動窗口機(jī)制來解決收發(fā)雙方處理能力不匹配的問題（全局控制）。TCP的流量控制47

滑動窗口機(jī)制。TCP接收端可以通過在確認(rèn)數(shù)據(jù)段中頭部的接收窗口（rwnd）字段設(shè)置rwnd值告知發(fā)送端自己當(dāng)前的接收容量，從而使發(fā)送端根據(jù)最新收到的rwnd值調(diào)整自己的發(fā)送窗口大小，以將未確認(rèn)的數(shù)據(jù)量控制在rwnd值之內(nèi)，使得接收端的接收緩存區(qū)不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的問題。發(fā)送端這種動態(tài)調(diào)整發(fā)送窗口的機(jī)制也稱為滑動窗口機(jī)制。。TCP的流量控制48

發(fā)送緩存與窗口之間的關(guān)系。發(fā)送窗口大小≤緩存已確認(rèn)的數(shù)據(jù)（應(yīng)用程序從緩存取走）。已發(fā)送但未確認(rèn)數(shù)據(jù)（應(yīng)用程序不能取走，必須在緩存中保存副本）窗口之外的數(shù)據(jù)是不能發(fā)送的數(shù)據(jù)窗口右邊沿的移動使新的數(shù)據(jù)又落入到窗口中，成為可以被連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)的一部分。TCP的流量控制49

接收緩存與窗口之間的關(guān)系。接收方的窗口反映當(dāng)前能夠接收的數(shù)據(jù)量。接收方窗口大小于接收緩存大小M減去緩存中尚未提交的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)N，即W=M-N。接收窗口的大小取決于接收方處理數(shù)據(jù)的速度和發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。發(fā)送方窗口始終小于或等于接收方窗口的大小。TCP的流量控制50

利用接收窗口實現(xiàn)流量控制的過程。接收方對發(fā)送方第一次流量控制接收方對發(fā)送方第二次流量控制接收方對發(fā)送方第san次流量控制TCP的連接管理51

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考有涉及、院校自主命題未涉及。1.參見課后檢測“二”相關(guān)部分題目。TCP的擁塞控制機(jī)制52

擁塞控制概述。網(wǎng)絡(luò)擁塞是指向網(wǎng)絡(luò)注入太多數(shù)據(jù)時，由于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的資源有限而造成網(wǎng)絡(luò)傳輸性能下降的情況。數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層都會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，但產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的因素及避免策略是不同的。流量控制與擁塞控制在控制機(jī)制方面有類似之處，都是限制發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。流量控制的源頭是接收方無法順利接收大批量數(shù)據(jù)，策略是點(diǎn)到點(diǎn)的局部控制。擁塞控制的源頭是網(wǎng)絡(luò)無法正常工作，策略是端到端的全局控制。情形一：如果發(fā)送方是一臺超級計算機(jī)向接收方（一臺P）C以100Mbit/s的速率傳送文件，有足夠的帶寬傳輸文件，但發(fā)送方處理數(shù)據(jù)的能力遠(yuǎn)高于接收方，需進(jìn)行流量控制。情形二：同時有5000臺計算機(jī)向另外5000臺計算機(jī)以10Mbit/s的速率傳輸文件，接收方主機(jī)有足夠的能力及時接收數(shù)據(jù)。但整個網(wǎng)絡(luò)的輸入負(fù)載已經(jīng)超過了網(wǎng)絡(luò)所能承受的范圍，此時需要進(jìn)行擁塞控制。TCP的擁塞控制機(jī)制53

擁塞控制機(jī)制。TCP的發(fā)送端在確定數(shù)據(jù)段發(fā)送速率時，既要考慮接收方的接收能力，也要兼顧網(wǎng)絡(luò)的整體承受能力。擁塞窗口的概念：

MaxWindows=min(rwnd,cwnd)。網(wǎng)絡(luò)擁塞的判斷：重傳計時器超時（擁塞研制）和收到3次重復(fù)確認(rèn)（擁塞不嚴(yán)重）。擁塞控制思路：動態(tài)調(diào)整擁塞窗口大小，增大或減小數(shù)據(jù)段的發(fā)送數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度和發(fā)送方所采用的TCP擁塞控制算法取決于接收方可用的接收緩存的大小TCP的擁塞控制機(jī)制54

慢啟動階段。cwnd=1ssthresh=16swnd=cwnd重傳計時器超時cwnd=1ssthresh=4/2=2RTO=2RTTdupACKcount+1cwnd=2+2=4ssthresh=16cwnd=1+1=2ssthresh=16cwnd=1ssthresh=16擁塞避免結(jié)束慢啟動的條件cwnd≥ssthresh，擁塞避免階段收到3個重復(fù)ACK，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)入快速恢復(fù)階段TCP的擁塞控制機(jī)