1、2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,1,通信网络_8TCP/IP体系结构中的 传输层,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,2,第七章 TCP/IP协议网络层,1、TCP/IP协议族中的传输层协议 用户数据报协议(UDP) 传输控制协议(TCP),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,3,第七章 TCP/IP协议网络层,2、传输层协议的主要功能 为源节点和目的节点间的通信提供端到端的数据传输服务 传输层的服务类别面向连接的服务非面向连接(无连接)的服务 传输层服务的提供者：网络层(IP层) 传输层的服务对象：应用层,2008
2、Copyright,SCUT DT&P Labs,4,第七章 TCP/IP协议网络层,3、传输层的服务功能 面向连接的服务在无连接的IP网传输的基础上构建面向连接的服务控制机制连接的管理：连接的建立、维护与释放发送与接收端到端的流量的(适配)控制分组的顺序恢复差错控制：分组的检错与重传机制非面向连接服务提供具有较高效率的独立分组的传输服务为独立分组的分组头提供一定的保护为应用层特殊要求的传输控制提供简单高效的数据通道应用层可在此基础上构建各种复杂的传输控制机制,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,5,第七章 TCP/IP协议网络层,OSPF,EGP,TCP,UDP,IC
3、MP,IGMP,IP,RARP,ARP,RIP,BGP,Ethernet, Token Ring, PPP, and so on,Telnet, FTP, TFTP,HTTP,SNMP,SMTP, and so on,Port Number,Protocol Number,Type code,ApplicationLayer,Data Link Layer,Internet Layer,Transport Layer,4、传输层端口,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,6,第七章 TCP/IP协议网络层,4、传输层端口 发送节点与接收节点的IP地址和端口号(port n
4、umber)标识了互联网上独立的一个的通信进程 特定的传输服务与端口号可建立绑定关系，通信进程发起时，通常必须知道特定服务(对方)的端口号 端口号的分配方式(1)全局统一分配的端口号：服务器端各种熟知的服务，如Telnet、SMTP、SNMP、FTP、全局统一分配的端口号通常称为“熟知端口”“熟知端口”也称为“保留端口”(2)端口号动态绑定方式，由通信发起端为某一通信进程分配；(3)通信双方为特定的通信服务/过程而约定端口号。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,7,第七章 TCP/IP协议网络层,4、传输层端口 传输端口的典型分配方式客户端本地端口动态分配：在非保留端
5、口中随意选择；服务器端口号：根据统一规定的保留端口号配置。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,8,第七章 TCP/IP协议网络层,4、传输层端口 常用的保留端口号：对应特定服务不同的特定服务通常规定了相应的传输层协议,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,9,第七章 TCP/IP协议网络层,5、用户数据报协议 用户数据报协议：UDPUser Datagram Protocol UDP的特点主要考虑传输的效率和实时性；提供无连接传输服务，不保证传输的可靠性；分组的出错、丢失、重复和顺序等方面的问题由应用层解决；UDP的报文在网络拥塞时较之TCP方式
6、有利于抢占更多的网络带宽资源；(该协议在传输层没有流量控制机制),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,10,第七章 TCP/IP协议网络层,5、用户数据报协议 UDP报文的报头格式：UDP报头校验和UDP校验和是一个可选的功能校验和对加上伪首部的整个UDP报文进行保护伪首部仅用于计算校验和，并不传送到接收端,Source port,Destination port,31,UDP length,UDP checksum,0,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,11,第七章 TCP/IP协议网络层,5、用户数据报协议 UDP报文的伪首部,2008 C
7、opyright,SCUT DT&P Labs,12,第七章 TCP/IP协议网络层,5、用户数据报协议 UDP报文的伪首部(Pseudo header)格式：校验和计算(1)将包括伪首部的UDP报文以16位进行划分，不足16位填0(2)校验和字段先填0，所有的16位字使用反码算术运算相加(3)将所得的结果取反码(01,10)，结果插入校验和字段(4)将伪首部丢弃(5)将UDP报文送IP层进行IP包封装,Source address,Destination address,UDP segment length,Protocol #,00000000,Pseudo header,2008 Cop
8、yright,SCUT DT&P Labs,13,第七章 TCP/IP协议网络层,5、用户数据报协议 UDP报文格式：,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,14,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 传输控制协议：TCPTransfer Control Protocol TCP的特点提供面向连接的服务，双工传输具有数据的确认和重传机制保证传输顺序具有端到端的流量控制机制主要解决传输的可靠性问题适合数据文件的传输TCP协议较UDP复杂，效率较低,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,15,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议
9、TCP的传输端口与连接TCP采用发送和接收端的IP地址、两端的端口号来标识连接；不同的发送接收两端的IP地址和端口号标识不同的连接；系统支持多个进程间采用多个连接进行通信；服务器进程上的某个TCP端口可被多个连接所共享；在一个系统中，TCP可提供基于传输端口的数据复用。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,16,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的数据流和报文段TCP提供的传输服务是面向数据流的数据流无结构数据流进程发送的数据以字节流的形式传输到目的进程报文段(segment)的划分TCP把一个大文件的字节流序列划分成若干段报文段可以是不定长的报文
10、段通常封装在一个IP分组中传输报文段有如下几种类别用于传输数据的报文段仅携带确认信息的报文段携带连接建立请求或释放连接请求的报文段,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,17,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的数据流和报文段,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,18,第七章 TCP/IP协议网络层,TCP Header length,U R G,A C K,P S H,R S T,S Y N,F I N,Window size,Checksum,Urgent point,Options (0 or more 32-bit w
11、ords),Data,Acknowledgement number,Sequence number,Source port,Destination port,Bit 0,31,6、传输控制协议 TCP报文段的格式,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,19,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP报文段的段头参数源端口和目的端口序号：标识发送报文在数据流中的相对位置确认序号：标识接送报文应接收的下一个字节的序号报文段头长度标识(以32位字为单位)保留比特(6位)码元比特：定义TCP的功能,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,20,第
12、七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP报文段的段头参数紧急指针：it is used to indicate a byte offset from the current sequence number at which urgent data are to be found窗口：用于流量控制校验和：用于保护整个报文段选项：用于实现附加的TCP功能填充字段：在有选项时，将段头的长度填充到32bit的整数倍,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,21,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP报文的校验校验和的计算方法与UDP报文的校验方法类似
13、校验的覆盖范围除TCP的报文段外，还要覆盖一个TCP的伪报头,Source address,Destination address,TCP segment length,Protocol #,00000000,Pseudo header,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,22,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的连接建立过程通过“三次握手”的方式发送顺序号x、y的初始值为随机数,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,23,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的连接释放过程通信双方分别关闭应用程序后释放连接
14、,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,24,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的确认与重传机制TCP的确认针对数据流中的字节；确认字节号为已经正确连续接收的的字节的序号加1；TCP的确认方式称为“累积确认”。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,25,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的确认与重传机制：确认过程示例,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,26,第七章 TCP/IP协议网络层,Events at Sender Site,Network Messages,Events
15、at Receiver Site,6、传输控制协议 TCP的确认与重传机制：重传机制示例,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,27,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 滑动窗口机制发送窗口：在未收到确认之前，允许发送的数据量由滑动窗口的大小确定；收到窗口下界确认时，窗口就向前滑动；只允许进入窗口序号的数据能够发送；滑动窗口只重传未被确认的数据。接收窗口：只接收窗口序号内到达的数据；窗口下界范围内的数据均到达后，才发出确认。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,28,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的发送滑动窗
16、口,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,29,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的接收滑动窗口,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,30,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的窗口流量控制机制TCP允许改变窗口的大小在确认报文中除确认序号外，还包含窗口通告，告知发送方目前接收方还可接收数据的能力窗口通告值可被认为是当前接收缓冲区的大小窗口通告值增加时，发送方可以扩大发送窗口的大小窗口通告值减小时，发送方应减小其发送窗口的大小窗口通告值为零时，禁止发送方发送数据TCP的窗口机制同时起到提供可靠传输和流量控制
17、的功能,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,31,第七章 TCP/IP协议网络层,Sender,Receiver,2K, SEQ=0,ACK=2048, WIN=2048,2K, SEQ=2048,ACK=4096, WIN=0,ACK=4096, WIN=2048,1K, SEQ=4096,Receiver buffer,2K,Empty,0,4K,Full,Application reads 2k,2K,2K,1K,Application does a 2k write,Application does a 3k write,Sender is blocked,Se
18、nder may send up to 2K,6、传输控制协议 TCP的窗口流量控制机制示例,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,32,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 TCP的拥塞控制机制TCP是端到端的协议；TCP的拥塞控制是在端到端的基础上进行的。网络的拥塞发生时，发送和接收两端不能了解拥塞的原因，也不能确定拥塞的位置；对终端来说，拥塞表现为通信延时的增加。通常情况下，发送端采用超时重传的机制；发生拥塞时，简单的超时重传可能会加剧拥塞的情况，造成恶性循环，导致系统崩溃。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,33,第七章 TC
19、P/IP协议网络层,6、传输控制协议 拥塞窗口TCP采用的一种在拥塞发生时控制发送数据量的一种机制发送窗口TCP允许发送的数据量发送窗口min（滑动窗口，拥塞窗口）拥塞窗口的确定一旦发生报文超时未确认，立刻将拥塞窗口迅速减小，最小可减小为1同时对于保留在发送窗口中未确认的报文段，将重传定时器的时限加倍,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,34,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 拥塞恢复机制TCP在拥塞发生后采用慢启动算法逐步恢复传输速率，避免短时间内再次出现拥塞。慢启动算法慢启动的拥塞窗口初始值是一个报文段的长度，慢启动主要是指启动时的初始的窗口值小；每次收到确认后，拥塞窗口大小加倍(指数上升)，增加到上次拥塞前的窗口最大值的1/2后，改为线性增加；慢启动算法可以防止拥塞解除后流量突然增大造成新的拥塞。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,35,第七章 TCP/IP协议网络层,6、传输控制协议 慢启动算法示意图,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,36,第八章完,
