計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第3章傳輸層協(xié)議與進(jìn)程通信

1、 第第3章章 傳輸層協(xié)議與傳輸層協(xié)議與進(jìn)程通信進(jìn)程通信v 設(shè)置傳輸層的原因設(shè)置傳輸層的原因v 傳輸層的主要功能傳輸層的主要功能v TCP協(xié)議的主要特點(diǎn)協(xié)議的主要特點(diǎn)v UDP協(xié)議的主要特點(diǎn)協(xié)議的主要特點(diǎn)v 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)傳輸層進(jìn)程通信的設(shè)計(jì)傳輸層進(jìn)程通信的設(shè)計(jì)方法方法3.1 傳輸層的基本概念傳輸層的基本概念3.1.1 傳輸層的基本功能傳輸層的基本功能根本目的：根本目的：在網(wǎng)絡(luò)層提供的數(shù)據(jù)通信服務(wù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)主機(jī)進(jìn)程間可靠服務(wù)，v “端到端”服務(wù)（主機(jī)-主機(jī) 端-端）v 兩大功能：兩大功能：加強(qiáng)、彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)層提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)一步提供進(jìn)程通信機(jī)制3.1.1 傳輸層的基本功能傳輸層的基本功能3.1.2 傳輸

2、層與應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層之間的關(guān)系傳輸層與應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層之間的關(guān)系3.1.3應(yīng)用進(jìn)程、傳輸層接口與套接字應(yīng)用進(jìn)程、傳輸層接口與套接字 傳輸層協(xié)議在本地主機(jī)操作系統(tǒng)控制下，為應(yīng)用程序提供確定的服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)層解決IP地址，傳輸層解決進(jìn)程標(biāo)識(shí) 套接字：建立網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的可編程接口（應(yīng)用編程接口API）3.1.4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)1 應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)的基本方法應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)的基本方法 傳輸層進(jìn)程尋址：通過(guò)TCP/UDP端口號(hào)實(shí)現(xiàn)3.1.4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)2端口號(hào)的分配方法端口號(hào)的分配方法表5-1 UDP常用的熟知端口號(hào)表5-2 TCP常用的熟知端口號(hào)

3、端口號(hào)服務(wù)進(jìn)程說(shuō) 明端口號(hào)服務(wù)進(jìn)程說(shuō) 明53Domain域名服務(wù)20FTP文件傳輸（數(shù)據(jù)連接）67/68DHCP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議21FTP文件傳輸（控制連接）69TFTP簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議23TELNET網(wǎng)絡(luò)虛擬終端協(xié)議111RPC遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用25SMTP簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議123NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議80HTTP超文本傳輸協(xié)議161/162SNMP簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議119NNTP網(wǎng)絡(luò)新聞傳輸協(xié)議520RIP路由信息協(xié)議179BGP邊界路由協(xié)議3.1.4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程識(shí)別網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程識(shí)別進(jìn)程標(biāo)識(shí)五元組：進(jìn)程標(biāo)識(shí)五元組：協(xié)議、本地地址、本地端口、遠(yuǎn)

4、程地址、遠(yuǎn)程端口號(hào)3.1.5 傳輸層的多路復(fù)用與多路分解傳輸層的多路復(fù)用與多路分解運(yùn)行TCP/IP協(xié)議主機(jī)可能同時(shí)運(yùn)行不同應(yīng)用層協(xié)議和應(yīng)用程序3.2 傳輸層協(xié)議特點(diǎn)與比較傳輸層協(xié)議特點(diǎn)與比較3.2.1 TCP/UDP協(xié)議協(xié)議比較比較的關(guān)系的關(guān)系表5-3 TCP與UDP協(xié)議比較特征特征/描述描述TCPUDP一般描述允許應(yīng)用程序可靠地發(fā)送數(shù)據(jù)，功能齊全簡(jiǎn)單、高速，只負(fù)責(zé)將應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層銜接起來(lái)面向連接與無(wú)連接面向連接，在TPDU傳輸之前需要建立TCP連接無(wú)連接，在TPDU傳輸之前不需要建立UDP連接與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)接口基于字節(jié)流，應(yīng)用層不需要規(guī)定特點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式基于報(bào)文，應(yīng)用層需要將數(shù)據(jù)分成包來(lái)傳送可

5、靠性與確認(rèn)可靠報(bào)文傳輸，對(duì)所有的數(shù)據(jù)均要確認(rèn)不可靠，不需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)確認(rèn)，盡力而為地交付重傳自動(dòng)重傳丟失的數(shù)據(jù)不負(fù)責(zé)檢查是否丟失數(shù)據(jù)和重傳開(kāi)銷(xiāo)低，但高于UDP很低傳輸速率高，但低于UDP很高適用的數(shù)據(jù)量從少量到幾個(gè)GB的數(shù)據(jù)從少量到幾百個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)適用的應(yīng)用類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求較高的應(yīng)用，例如文件與報(bào)文傳輸發(fā)送數(shù)量比較少，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求低的應(yīng)用，例如IP電話(huà)、視頻會(huì)議、多播與廣播3.2.2 TCP/UDP協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議的關(guān)系的關(guān)系3.3 用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP 3.3.1 UDP協(xié)議的主要特點(diǎn)協(xié)議的主要特點(diǎn) 無(wú)連接、不可靠的傳輸協(xié)議（開(kāi)銷(xiāo)低、盡力而為）

6、。 面向報(bào)文的傳輸層協(xié)議（保留原報(bào)文）3.3.2 UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式數(shù)據(jù)報(bào)格式3.3.3 UDP校驗(yàn)和計(jì)算校驗(yàn)和計(jì)算校驗(yàn)和計(jì)算：校驗(yàn)和計(jì)算：偽報(bào)頭+UDP數(shù)據(jù)報(bào)v 偽報(bào)頭偽報(bào)頭驗(yàn)證UDP數(shù)據(jù)報(bào)是否正確傳送到目的進(jìn)程v 偽報(bào)頭偽報(bào)頭結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.3.3 UDP校驗(yàn)和計(jì)算校驗(yàn)和計(jì)算校驗(yàn)和計(jì)算方法校驗(yàn)和計(jì)算方法3.3.4 UDP協(xié)議適用的范圍協(xié)議適用的范圍v 對(duì)性能的要求高于對(duì)數(shù)據(jù)完整性的要求對(duì)性能的要求高于對(duì)數(shù)據(jù)完整性的要求視頻播放實(shí)時(shí)交付的要求高于對(duì)數(shù)據(jù)交付可靠性要求（可丟失個(gè)別數(shù)據(jù)包）v 需要需要“簡(jiǎn)短快捷簡(jiǎn)短快捷”的數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)交換簡(jiǎn)單的請(qǐng)求與應(yīng)答報(bào)文交互v 需要多播和廣播的應(yīng)用需要多播和廣播

7、的應(yīng)用源主機(jī)以恒定速率發(fā)送報(bào)文，擁塞發(fā)生時(shí)允許丟棄部分報(bào)文3.4 傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP 3.4.1 TCP協(xié)議的主要特點(diǎn)協(xié)議的主要特點(diǎn)v 支持面向連接的傳輸服務(wù)（打電話(huà)）v 支持字節(jié)流傳輸（管道，按序）v 支持全雙工服務(wù)（雙向，捎帶確認(rèn)）v 支持建立多個(gè)并發(fā)的TCP連接（服務(wù)器同時(shí)響應(yīng)多個(gè)連接）v 支持可靠傳輸服務(wù)（確認(rèn)機(jī)制，擁塞控制）3.4.1 TCP協(xié)議的主要特點(diǎn)協(xié)議的主要特點(diǎn)3.4.2 TCP報(bào)文格式報(bào)文格式3.4.2 TCP報(bào)文格式報(bào)文格式標(biāo)志標(biāo)志說(shuō)說(shuō) 明明SYN當(dāng)SYNl，而ACK0時(shí)，表明這是一個(gè)建立連接請(qǐng)求報(bào)文，若對(duì)方同意建立該連接，則應(yīng)在發(fā)回的報(bào)文中將SYN和ACK標(biāo)

8、志位同時(shí)置1。實(shí)質(zhì)上，就是用SYN來(lái)代表Connection Request和Connection Accepted，用ACK位來(lái)區(qū)分這兩種情況。ACK確認(rèn)號(hào)字段的值有效。只有當(dāng)ACKl時(shí)，確認(rèn)序號(hào)字段才有意義。當(dāng)ACK0時(shí)，確認(rèn)序號(hào)沒(méi)有意義。FIN終止連接。當(dāng)FIN1時(shí)，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并請(qǐng)求釋放連接。RST連接必須復(fù)位。當(dāng)RSTl時(shí)，表明出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)，必須釋放連接，然后重新建立連接。URG此報(bào)文是緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快傳送出去。此標(biāo)志位要與緊急指針字段配合使用，由緊急指針指出在本報(bào)文段中的緊急數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)的編號(hào)。PSH將數(shù)據(jù)推向前。當(dāng)PSHl時(shí)，請(qǐng)求接收方TCP軟件將該報(bào)文立即推送給

9、應(yīng)用程序。3.4.3 TCP連接建立連接建立、釋放釋放1）（經(jīng)歷3次握手）2）報(bào)文傳輸（雙向傳輸）3）連接釋放（經(jīng)歷4次握手）連接建立/釋放過(guò)程3.4.3 TCP連接建立連接建立、釋放釋放保持定時(shí)器保持定時(shí)器、時(shí)間等待定時(shí)器時(shí)間等待定時(shí)器TCP的的4個(gè)定時(shí)器：個(gè)定時(shí)器：重傳定時(shí)器、堅(jiān)持定時(shí)器、保持定時(shí)器、時(shí)間等待定時(shí)器v 保持定時(shí)器保持定時(shí)器（激活定時(shí)器激活定時(shí)器）用來(lái)防止TCP連接長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài)v 時(shí)間等待定時(shí)器時(shí)間等待定時(shí)器連接終止期間使用，TCP關(guān)閉連接，并不馬上真正關(guān)閉，在時(shí)間等待期間，連接處于一種過(guò)渡狀態(tài)3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制TCP設(shè)計(jì)思想

10、設(shè)計(jì)思想v 應(yīng)用進(jìn)程將數(shù)據(jù)以字節(jié)流發(fā)送，無(wú)需考慮發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，由TCP負(fù)責(zé)將字節(jié)流分段打包v 依靠TCP連接傳送字節(jié)流，按序的，無(wú)差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)v 提供差錯(cuò)控制功能，保證正確接收字節(jié)流（通過(guò)差錯(cuò)檢測(cè)、確認(rèn)、重傳實(shí)現(xiàn)）滑動(dòng)窗口概念滑動(dòng)窗口概念字節(jié)為單位控制字節(jié)流的發(fā)送、接收、確認(rèn)、重傳過(guò)程3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制理解理解滑動(dòng)窗口滑動(dòng)窗口，注意幾個(gè)問(wèn)題，注意幾個(gè)問(wèn)題v 2個(gè)緩存、2個(gè)窗口（控制字節(jié)流傳輸過(guò)程）發(fā)送方緩存：用于存儲(chǔ)準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送窗口：窗口值不為0，可以發(fā)送報(bào)文段接收方緩存：將正確接收的字節(jié)流寫(xiě)入緩存，等待接收讀取接收窗口：窗口值=接

11、收緩存可以接收的字節(jié)流v 字節(jié)流分段，按段（序號(hào)）傳輸，捎帶確認(rèn)（確認(rèn)號(hào)）v 通過(guò)滑動(dòng)窗口跟蹤、記錄發(fā)送狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制 選擇重發(fā)策略選擇重發(fā)策略v 回退方式假設(shè)丟失了第2個(gè)報(bào)文段，不管之后的報(bào)文段是否已正確接收，從第2個(gè)報(bào)文段的第1個(gè)字節(jié)序號(hào)151開(kāi)始，重發(fā)所有的4個(gè)報(bào)文段。顯然，效率低下。v 擇重發(fā)方式接收方收到不連續(xù)的字節(jié)時(shí)，如果這些字節(jié)的序號(hào)都在接收窗口之內(nèi)，則首先接收緩存這些字節(jié)，并將丟失的字節(jié)流序

12、號(hào)通知發(fā)送方，發(fā)送方只需重發(fā)丟失的報(bào)文段，而不需要重發(fā)已經(jīng)接收的報(bào)文段。3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制 選擇重發(fā)策略選擇重發(fā)策略3.4.4 TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口與確認(rèn)重傳機(jī)制重傳定時(shí)器重傳定時(shí)器 處理報(bào)文確認(rèn)與等待重傳的時(shí)間。發(fā)送一個(gè)報(bào)文，將其副本放入重傳隊(duì)列3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制1TCP窗口與流量控制窗口與流量控制 由發(fā)送方控制發(fā)送速率，使之不超過(guò)接收速率，防止接收方來(lái)不及接收字節(jié)流，而出現(xiàn)報(bào)文丟失現(xiàn)象。流量控制過(guò)程流量控制過(guò)程v 接收方從緩存中讀取速度大于等于字節(jié)到達(dá)速度，接收方在每個(gè)確認(rèn)中發(fā)出一

13、個(gè)非零窗口通告。v 如果發(fā)送方發(fā)送速度比接收方讀取速度快，將造成緩沖區(qū)被全部占用，之后到達(dá)的字節(jié)因緩沖區(qū)溢出而丟棄。此時(shí)，接收方必須發(fā)出一個(gè)“零窗口”的通告。告知當(dāng)發(fā)送方停止發(fā)送（直到接收“非零窗口”通告為止）。v 接收方需要接收能力給出一個(gè)合適的接收窗口，并將它寫(xiě)入TCP報(bào)頭中，通知發(fā)送方。3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制1TCP窗口與流量控制窗口與流量控制堅(jiān)持定時(shí)器堅(jiān)持定時(shí)器接收方發(fā)出了“零窗口”通告之后，發(fā)送方停止發(fā)送，直到接收方再發(fā)出“非零窗口”通告為止。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：如果“非零窗口”通告丟失，發(fā)送方將無(wú)休止地等待接收方通知，才能繼續(xù)發(fā)送報(bào)文段，造成死

14、鎖。解決：解決：設(shè)置“堅(jiān)持定時(shí)器”發(fā)送方收到“零窗口”通告為零的確認(rèn)時(shí)，啟動(dòng)“堅(jiān)持定時(shí)器”。堅(jiān)持定時(shí)器時(shí)間到時(shí)，發(fā)送方發(fā)生探測(cè)報(bào)文（提示接收方，確認(rèn)已丟失，必須重傳）。3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制傳輸效率問(wèn)題傳輸效率問(wèn)題必須解決好“什么時(shí)候”發(fā)送，要發(fā)送“多長(zhǎng)”報(bào)文段受應(yīng)用進(jìn)程產(chǎn)生數(shù)據(jù)速度、接收方要求發(fā)送速度的影響（很復(fù)雜問(wèn)題） 提高傳輸效率提高傳輸效率Nagle算法算法v 當(dāng)數(shù)據(jù)以每次1B的方式進(jìn)入發(fā)送方時(shí)，第1次發(fā)送方只發(fā)送1B，其他的字節(jié)存入緩沖區(qū)。v 當(dāng)?shù)?個(gè)報(bào)文段被確認(rèn)，再把緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)放入第2個(gè)報(bào)文段中發(fā)送，這樣一邊發(fā)送/等待確認(rèn)，一邊緩存待

15、發(fā)送數(shù)據(jù)（可有效提高傳輸效率）。v 當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到發(fā)送窗口的1/2（接近MSS），立即將它們作為一個(gè)報(bào)文段發(fā)送。3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制傳輸效率問(wèn)題傳輸效率問(wèn)題糊涂窗口綜合癥現(xiàn)象：造成傳輸效率極低 Clark算法算法解決解決思想思想v 禁止接收方發(fā)送1B的窗口更新報(bào)文，讓接收方等待一段時(shí)間，使接收緩存有足夠的空間接收一個(gè)較長(zhǎng)的報(bào)文段。v 如果通知窗口長(zhǎng)度達(dá)到空閑空間，再發(fā)送窗口更新報(bào)文。v 接收方等待一段時(shí)間對(duì)發(fā)送方有好處（積累一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)字節(jié)，發(fā)送長(zhǎng)報(bào)文也有利于提高傳輸效率。3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞

16、控制2TCP窗口與擁塞控制窗口與擁塞控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求 網(wǎng)絡(luò)可用資源3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制2TCP窗口與擁塞控制窗口與擁塞控制v 實(shí)現(xiàn)擁塞控制最基本手段：TCP滑動(dòng)窗口技術(shù)。v 發(fā)送數(shù)據(jù)，既要考慮接收能力，又要避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞v 發(fā)送窗口計(jì)算發(fā)送窗口 = Min（通知窗口，擁塞窗口 ）v 通知窗口通知窗口rwnd：接收方允許接收的能力，來(lái)自接收方流量控制（將“通知窗口”值放在TCP報(bào)頭中，傳送給發(fā)送端）。v 擁塞窗口擁塞窗口cwnd：發(fā)送方根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況得出的窗口值，來(lái)自發(fā)送方的流量控制。v 未發(fā)生擁塞情況下，接收方“通知窗口”和“擁塞窗口”是

17、一致的3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制2TCP窗口與擁塞控制窗口與擁塞控制v 擁塞窗口cwnd：發(fā)送方根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，逐漸增大擁塞窗口；出現(xiàn)擁塞時(shí)，擁塞窗口立即減少。v 擁塞控制方法：慢開(kāi)始、擁塞避免、快重傳、快恢復(fù)慢開(kāi)始慢開(kāi)始方法思想方法思想v 開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用試探方法，由小到大逐步增大cwnd值v 以二進(jìn)制指數(shù)方式慢速增長(zhǎng)（2n）3.4.5 TCP窗口與窗口與 流量控制、擁塞控制流量控制、擁塞控制慢開(kāi)始閾值慢開(kāi)始閾值SST：為避免擁塞窗口增長(zhǎng)過(guò)快引起網(wǎng)絡(luò)擁塞 當(dāng)cwndSST時(shí)，停止使用慢開(kāi)始算法，使用擁塞避免算法。 當(dāng)cwnd=SST時(shí)，既可以使用慢開(kāi)始算法，也可使用擁塞避免算法。v 慢開(kāi)始階段，若出現(xiàn)超時(shí)，發(fā)送方將SST值設(shè)置為cw