课件(2012-10-29)4-5.ppt

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1、计算机网络课程 教师：许向阳 2012.10,第 5 章 运输层,5.1 运输层协议概述 5.1.1 进程之间的通信 5.1.2 运输层的两个主要协议 5.1.3 运输层的端口 5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述 5.2.2 UDP 的首部格式 5.3 传输控制协议 TCP 概述 5.3.1 TCP 最主要的特点 5.3.2 TCP 的连接,5.1 运输层协议概述 5.1.1 进程之间的通信,要点： 当两个主机进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层， 而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。,运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑

2、通信,5 4 3 2 1,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,5 4 3 2 1,IP 协议的作用范围,运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,应用进程之间的通信,1、两个主机进行通信，就是两个主机中的应用进程互相通信，称为端到端的通信。 2、运输层的复用和分用 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。 3、“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。但这两个运输层之间并没有一条水平方向

3、的物理连接。,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,运输层的主要功能,1、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）。 2、对收到的报文进行差错检测。 3、使用两种不同的运输协议，即： 面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。,TCP和UDP协议的可靠性差异,当运输层采用面向连接的 TCP 协议时，尽管下面的网络是不可靠的（只提供尽最大努力服务），但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。 当运输层采用无连接的 UDP

4、 协议时，这种逻辑通信信道是一条不可靠信道。,1）用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) 数据单位是：TCP 报文段 2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) 数据单位是： UDP 报文或用户数据报,5.1.2 运输层的两个主要协议,TCP 与 UDP的比较,1、UDP 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。 2、TCP 则提供面向连接的服务 由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不

5、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。,还要强调两点,1、UDP 用户数据报与IP数据报的区别： IP 数据报要经过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。 2、TCP 报文段是在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。 但这样的信道却与路由器无关！,5.1.3 运输层的端口,进程是用进程标识符来标志的。 例如： windows任务管理器中 查看 PID 进程的两个特点： 1、不同计算机操作系统的进程标识符各不同 2、进程的创建和撤销都是动态的，发送方几乎无法识别其他机器上的进程,问

6、题： 如何使运行不同操作系统的计算机的 应用进程互相通信？,解决思路： 用统一的方法对 TCP/IP 体系的应用进程进行标志。 具体办法： 在运输层使用协议端口号(protocol port number)，或通常简称为端口 (port)。,端口号(protocol port number) 简称为端口(port),虽然通信的终点是应用进程，实际只要把要传送的报文交到目的主机的某个端口，剩下的工作（即最后交付目的进程）就由 TCP 来完成。 注意区别： 软件端口与硬件端口的作用不同！ 1）在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口。 2）路由器或交换机上的端口是硬件端口。,TCP 的端口,端口用一

7、个 16 位端口号进行标志。 强调： 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。,三类端口,1、熟知端口，数值一般为 01023。 2、登记端口号，数值为102449151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用时必须在 IANA （互联网地址分配机构）登记，以防止重复。 3、客户端口号或短暂端口号，数值为4915265535，留给客户进程选择暂时使用。,5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述,UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了： 端口的功能和差错检测的功能。 UDP的5个特点： 1）无连接 2）

8、不保证可靠交付 3）面向报文，无拥塞控制 4）支持交互通信 5）首部开销小,课件制作人：谢希仁,UDP 的主要特点,UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。 UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。 UDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。 UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。 UDP 的首部开销小，只有 8 个字节。,课件制作人：谢希仁,面向报文的 UDP,发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。 应用

9、层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。 接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。 应用程序必须选择合适大小的报文。,课件制作人：谢希仁,UDP 是面向报文的,IP 数据报的数据部分,IP 首部,IP 层,UDP 首部,UDP 用户数据报的数据部分,运输层,应用层报文,应用层,课件制作人：谢希仁,5.2.2 UDP 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,4,4,1,1,2,1

10、2,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,课件制作人：谢希仁,UDP 基于端口的分用,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。,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

11、,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。,计算 UDP 检验和的例子,10011001 00010011 153.19 00001000 01101000 8.104 10101011 00000011 171.3 00001110 00001011 14.11 00000000 00010001 0 和 17 00000000 00001111 15 00000100 00111111 1087 00000000 00001101 13 00000

12、000 00001111 15 00000000 00000000 0（检验和） 01010100 01000101 数据 01010011 01010100 数据 01001001 01001110 数据 01000111 00000000 数据和 0（填充） 10010110 11101101 求和得出的结果 01101001 00010010 检验和,153.19.8.104,171.3.14.11,12 字节 伪首部,8 字节 UDP 首部,7 字节 数据,按二进制反码运算求和 将得出的结果求反码,全 0 17 15 1087 13 15 全 0 数据 数据 数据 数据 数据 数据 数

13、据 全 0,课件制作人：谢希仁,5.3 传输控制协议 TCP 概述 5.3.1 TCP 最主要的特点,TCP 是面向连接的运输层协议。 每一条 TCP 连接只能有两个端点(endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。 TCP 提供可靠交付的服务。 TCP 提供全双工通信。 面向字节流。,课件制作人：谢希仁,TCP 面向流的概念,发送 TCP 报文段,发送方,接收方,把字节写入 发送缓存,从接收缓存 读取字节,应用进程,应用进程,18,17,16,15,14,H,加上 TCP 首部 构成 TCP 报文段,TCP,TCP,字节流,字节流,H,表示 TCP 报文段的首部,x,表

14、示序号为 x 的数据字节,TCP 连接,课件制作人：谢希仁,应当注意,TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。 TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到TCP 的缓存中是不关心的。 TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP 发送的报文长度是应用进程给出的）。 TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送。TCP 也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。,课件制作人：谢希仁,5.3.2 TCP 的连接,TCP 把连接作为最基本的抽象。 每一条 TCP 连接有两个端点。 TCP 连接的端点不是主机，不是主机的IP 地址，不是应用进程，

15、也不是运输层的协议端口。TCP 连接的端点叫做套接字(socket)或插口。 端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了套接字。,课件制作人：谢希仁,套接字 (socket),套接字 socket = (IP地址: 端口号) (5-1) 每一条 TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即： TCP 连接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2) (5-2),课件制作人：谢希仁,同一个名词 socket 有多种不同的意思,应用编程接口 API 称为 socket API, 简称为 socke

16、t。 socket API 中使用的一个函数名也叫作 socket。 调用 socket 函数的端点称为 socket。 调用 socket 函数时其返回值称为 socket 描述符，可简称为 socket。 在操作系统内核中连网协议的 Berkeley 实现，称为 socket 实现。,5.4 可靠传输的工作原理 5.4.1 停止等待协议,(a) 无差错情况,A,发送 M1,确认 M1,B,发送 M2,发送 M3,确认 M2,确认 M3,A,发送 M1,B,超时重传 M1,发送 M2,确认 M1,丢弃有差错 的报文,(b) 超时重传,t,t,t,t,课件制作人：谢希仁,请注意,在发送完一个分

17、组后，必须暂时保留已发送的分组的副本。 分组和确认分组都必须进行编号。 超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。,课件制作人：谢希仁,确认丢失和确认迟到,A,发送 M1,B,超时 重传 M1,发送 M2,丢弃 重复的 M1 重传确认 M1,(a) 确认丢失,确认 M1,A,发送 M1,B,超时 重传 M1,发送 M2,丢弃 重复的 M1 重传确认M1,(b) 确认迟到,确认 M1,收下迟到 的确认 但什么也不做,t,t,t,t,课件制作人：谢希仁,可靠通信的实现,使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。 这种可靠传输协议常称为自动重传请求

18、ARQ (Automatic Repeat reQuest)。 ARQ 表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组 。,课件制作人：谢希仁,信道利用率,停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。,TD,RTT,A,TD + RTT + TA,B,分组,确认,t,t,分组,确认,课件制作人：谢希仁,信道的利用率 U,(5-3),课件制作人：谢希仁,流水线传输,发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。 由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式可获得很高的信道利用率。,B,分组,t,t,A,ACK,课件制作人：谢希仁,5.4.2

19、连续 ARQ 协议,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(a) 发送方维持发送窗口（发送窗口是 5）,发送窗口,课件制作人：谢希仁,累积确认,接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。 累积确认有的优点是：容易实现，即使确认丢失也不必重传。缺点是：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。,课件制作人：谢希仁,Go-back-N（回退 N）,如果发送方发送了前 5 个分组，而中间的第 3 个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。 这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的 N 个分组。 可见当通信线路质量不好时，连续 ARQ 协议会带来负面的影响。,