《计算机网络教学资料》第8章传输层.ppt

1,第八章 运输层,*8.1 运输层协议概述*8.1.1 进程之间的通信8.1.2 运输层中的两个协议8.1.3 端口的概念*8.3 用户数据报协议 UDP 1 UDP 概述2 UDP 用户数据报的首部格式8.3 传输控制协议 TCP,2,8.1 运输层协议概述,从通信和信息处理的角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。,物理层,网络层,运输层,应用层,数据链路层,面向信息处理,面向通信,用户功能,网络功能,3,运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信,54321,运输层提供应用进程间的逻辑通信,主机 A,主机 B,应用进程,应用进程,路由器 1,路由器 2,AP1,LAN2,WAN,AP2,AP3,AP4,IP 层,LAN1,AP1,AP2,AP4,端口,端口,54321,IP 协议的作用范围,运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,4,应用进程之间的通信,两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。应用进程之间的通信又称为端到端的通信。运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务。“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。,5,运输层协议和网络层协议的主要区别,应用进程,应用进程,IP 协议的作用范围（提供主机之间的逻辑通信）,TCP 和 UDP 协议的作用范围（提供进程之间的逻辑通信）,因 特 网,6,运输层的主要功能,运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。运输层还要对收到的报文进行差错检测。运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。,7,运输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道,？,应用层,运输层,发送进程,接收进程,接收进程,数据,数据,全双工可靠信道,数据,数据,使用 TCP 协议,使用 UDP 协议,不可靠信道,发送进程,8,TCP/IP的运输层有两个不同的协议：(1)用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)(2)传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol),8.1 TCP/IP 体系中的运输层8.1.2 运输层中的两个协议,9,两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU(Transport Protocol Data Unit)。TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段(segment)UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。,TCP 与 UDP,10,TCP/IP 体系中的运输层协议,TCP,UDP,IP,应用层,与各种网络接口,运输层,11,TCP 与 UDP,UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式。TCP 则提供面向连接的服务。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。,12,还要强调两点,运输层的 UDP 用户数据报与网际层的IP数据报有很大区别。IP 数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发，但 UDP 用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。TCP 报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送，这种信道是可靠的全双工信道。但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器，而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了 TCP 连接。,13,表8.2使用UDP和TCP的各种应用层协议,14,表8.2(续)使用UDP和TCP的各种应用层协议,15,8.1.3 端口的概念,端口就是运输层服务访问点 TSAP。端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。从这个意义上讲，端口是用来标志应用层的进程。,16,端口在进程之间的通信中所起的作用,应用层,运输层,网络层,TCP 报文段,UDP用户数据报,应用进程,TCP 复用,IP 复用,UDP 复用,TCP 报文段,UDP用户数据报,应用进程,端口,端口,TCP 分用,UDP 分用,IP 分用,发送方,接收方,17,端口,端口用一个 16 bit 端口号进行标志。端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的。,18,两类端口,一类是熟知端口，其数值一般为 01023。当一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个熟知端口。另一类则是一般端口，用来随时分配给请求通信的客户进程。,19,插口(socket),TCP 使用“连接”(而不仅仅是“端口”)作为最基本的抽象，同时将 TCP 连接的端点称为插口(socket)，或套接字、套接口。插口和端口、IP 地址的关系是：,20,8.2 用户数据报协议 UDP 8.2.1 UDP 概述,UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能。虽然 UDP 用户数据报只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的优点。发送数据之前不需要建立连接UDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表。UDP 用户数据报只有8个字节的首部开销。网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。,21,端口是用报文队列来实现,UDP 端口 51000,UDP 端口 69,出队列,入队列,出队列,入队列,TFTP 服务器,TFTP 客户,UDP 用户数据报,应用层,运输层,22,8.2.2 UDP 用户数据报的首部格式,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,23,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成，每个字段都是两个字节。,24,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,在计算检验和时，临时把“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和。,25,图8.14 计算UTP校验和的示例,26,8.3 传输控制协议 TCP 8.3.1 TCP 概述,端口,发送 TCP 报文段,TCP,TCP,接收缓存,发送缓存,报文段,报文段,报文段,端口,发送端,接收端,向发送缓存写入数据块,从接收缓存读取数据块,应用进程,应用进程,27,TCP首部,20 字节的固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,32 bit,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,TCP 数据部分,TCP 首部,TCP 报文段,IP 数据部分,IP 首部,发送在前,28,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,源端口和目的端口字段各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。,29,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,序号字段占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。,30,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,确认号字段占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。,31,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,数据偏移占 4 bit，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是 32 bit 字（4 字节为计算单位）。,32,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,保留字段占 6 bit，保留为今后使用，但目前应置为 0。,33,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,紧急比特 URG 当 URG 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。,34,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,确认比特 ACK 只有当 ACK 1 时确认号字段才有效。当 ACK 0 时，确认号无效。,35,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,推送比特 PSH(PuSH)接收 TCP 收到推送比特置 1 的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。,36,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,复位比特 RST(ReSeT)当 RST 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。,37,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,同步比特 SYN 同步比特 SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。,38,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,终止比特 FIN(FINal)用来释放一个连接。当FIN 1 时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。,39,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,窗口字段 占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。,40,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,检验和 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。,41,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,紧急指针字段 占 16 bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。,42,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,选项字段 长度可变。TCP 只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS(Maximum Segment Size)。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”,MSS 是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段。,43,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,填充字段 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。,44,8.3.3 TCP 的数据编号与确认,TCP 协议是面向字节的。TCP 将所要传送的报文看成是字节组成的数据流，并使每一个字节对应于一个序号。在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP 每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号。TCP 的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认。接收端返回的确认号是已收到的数据的最高序号加 1。因此确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号。,45,8.3.4 TCP 的流量控制滑动窗口的概念,TCP 采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。在 TCP 报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)。,46,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,可发送,不可发送,发送端要发送 900 字节长的数据，划分为 9 个 100 字节长的报文段，而发送窗口确定为 500 字节。发送端只要收到了对方的确认，发送窗口就可前移。发送 TCP 要维护一个指针。每发送一个报文段，指针就向前移动一个报文段的距离。,47,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可发送,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,发送窗口,可发送,不可发送,发送窗口前移,发送端已发送了 400 字节的数据，但只收到对前 200 字节数据的确认，同时窗口大小不变。现在发送端还可发送 300 字节。,48,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,已发送并被确认,已发送但未被确认,可发送,不可发送,指针,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可发送,指针,发送窗口前移,发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认，但对方通知发送端必须把窗口减小到 400 字节。现在发送端最多还可发送 400 字节的数据。,49,利用可变窗口大小进行流量控制双方确定的窗口值是 400,主机 A,主机 B,允许 A 再发送 300 字节（序号 201 至 500）,A 还能发送 200 字节,A 还能发送 200 字节（序号 301 至 500）,A 还能发送 300 字节,A 还能发送 100 字节（序号 401 至 500）,A 超时重发，但不能发送序号 500 以后的数据,允许 A 再发送 200 字节（序号 501 至 700）,A 还能发送 100 字节（序号 501 至 700）,不允许 A 再发送（到序号 600 的数据都已收到）,50,TCP协议是面向字节的每个字节对应于一个序号TCP报文段中序号数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号TCP的确认是对接收到的数据的最高序号进行确认。确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号TCP提供全双工通信，确认信息可以在数据中稍带传送，提高传输效率,TCP的数据编号与确认,TCP的数据编号与确认,TCP的数据编号与确认,TCP的数据编号与确认,54,8.3.5 TCP 的拥塞控制,55,8.3.7 TCP 的运输连接管理运输连接的三个阶段,运输连接就有三个阶段，即：连接建立、数据传送和连接释放。运输连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行。连接建立过程中要解决以下三个问题：要使每一方能够确知对方的存在。要允许双方协商一些参数（如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等）。能够对运输实体资源（如缓存大小，连接表中的项目等）进行分配。,56,TCP是面向连接的协议，可以在各种网络之间建立全双工的虚电路连接，实现无乱序、无丢失和无重复的数据传输，它采取了三次握手、两次确认的有效技术，做到了非常可靠。,57,客户服务器方式,TCP 的连接和建立都是采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户(client)。被动等待连接建立的应用进程叫做服务器(server)。,58,用三次握手建立 TCP 连接,主机 B,被动打开,主动打开,确认,确认,主机 A,连接请求,59,建立 TCP 连接,A 的 TCP 向 B 发出连接请求报文段，其首部中的同步比特 SYN 应置为 1，并选择序号 x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。B 的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。B 在确认报文段中应将 SYN 置为 1，其确认号应为 x 1，同时也为自己选择序号 y。A 收到此报文段后，向 B 给出确认，其确认号应为 y 1。A 的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。当运行服务器进程的主机 B 的 TCP 收到主机 A 的确认后，也通知其上层应用进程，连接已经建立。,60,TCP 连接释放的过程,应用进程释放连接A 不再发送报文,主机 B,主机 A,确认,确认,从 A 到 B 的连接就释放了，连接处于半关闭状态。相当于 A 向 B 说：“我已经没有数据要发送了。但你如果还发送数据，我仍接收。”,至此，整个连接已经全部释放。,61,TCP 的正常的连接建立和关闭,SYN,SEQ=x,客户进程,服务器进程,LISTEN（被动打开）,(主动打开)SYN_SENT,SYN_RCVD,ESTABLISHED,ESTABLISHED,(主动关闭)FIN_WAIT_1,CLOSE_WAIT(被动关闭),FIN_WAIT_2,LAST_ACK,TIME_WAIT,CLOSED,（全双工数据传送阶段）,SYN,ACK,SEQ=y,ACK=x+1,ACK,SEQ=x+1,ACK=y+1,FIN,SEQ=u,ACK,SEQ=v,ACK=u+1,FIN,ACK,SEQ=v,ACK=u+1,ACK,SEQ=u+1,ACK=v+1,TIME_WAIT,CLOSE_WAIT,SYN_RCVD,ESTABLISHED,62,TCP的运输连接管理,建立连接服务器：LISTEN，ACCEPT客户机：CONNECT三次握手（three-way handshake）数据传送释放连接CLOSE,发送 SYN(seq=100 ctl=SYN),主机A,主机B,TCP三次握手建立连接,SYN 收到(seq=100),发送SYN(seq=100 ctl=SYN),SYN 收到(seq=100),发送 SYN(seq=300 ack=101 ctl=syn,ack),主机A,主机B,SYN 收到(seq=300 ack=101),TCP三次握手建立连接,发送 SYN(seq=100 ctl=SYN),SYN 收到(seq=100),发送 SYN(seq=300 ack=101 ctl=syn,ack),发送 ack(ack=301 ctl=ack),主机 A,主机 B,SYN 收到(seq=300 ack=101),TCP三次握手建立连接,发送 SYN(seq=100 ctl=SYN),SYN 收到(seq=100),发送 SYN(seq=300 ack=101 ctl=syn,ack),发送 ack(ack=301 ctl=ack),主机 A,主机 B,连接建立起来(seq=101 ctl=Data),SYN 收到(seq=300 ack=101),SYN 收到(ack=301),TCP三次握手建立连接,