通工專業(yè)-現(xiàn)代通信網(wǎng)課件

現(xiàn)代通信網(wǎng)2012秋季專業(yè)課主講

楊武軍

wujun@，86－88166348通信工程系通信與信息工程學(xué)院西安郵電大學(xué)9/16/20231Yang

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Telecommuniations第六章InternetInternet概述協(xié)議與互連的原理IP層運(yùn)輸層應(yīng)用層IPv69/16/20232Yang

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Telecommuniations第十章Internet的運(yùn)輸層applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicallogical

end-end

transport問題：1)IP層只提供Best－effort的服務(wù)，如果用戶需要可靠的服務(wù)怎么辦？2)

主機(jī)上正在通信的一對(duì)進(jìn)程相互間如何尋址？9/16/20233Yang

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TelecommuniationsInternet傳輸層協(xié)議概述應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接入層TCPUDP11/27/20234Yang

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Telecommuniations1運(yùn)輸層的協(xié)議和服務(wù)兩個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議TCP，UDP運(yùn)輸層提供基于端口號(hào)的復(fù)用能力。運(yùn)輸層運(yùn)行于端系統(tǒng)之上，提供不同主機(jī)上進(jìn)程之間的邏輯通信能力。TCP在兩個(gè)進(jìn)程間提供可靠數(shù)據(jù)傳送服務(wù)TCP段的結(jié)構(gòu)接收證實(shí)和超時(shí)重傳流量控制連接管理擁塞控制但TCP不保證時(shí)延和帶寬11/27/20236Yang

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TelecommuniationsTCP保證可靠服務(wù)的機(jī)制11/27/20237Yang

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Telecommuniations數(shù)據(jù)報(bào)丟失：引入接收確認(rèn)，重傳機(jī)制錯(cuò)序：在段中引入順序號(hào)，使在最終目的地可以進(jìn)行分段的重裝。Checksum：保證識(shí)別傳輸中的差錯(cuò)慢的接收者：引入流控機(jī)制，使接收者可控制發(fā)送者的速率。網(wǎng)絡(luò)擁塞：控制源端的發(fā)送量，使之不超過網(wǎng)絡(luò)的處理能力。并發(fā)復(fù)用：引入端口號(hào)來區(qū)分不同的連接2

TCP報(bào)文段的格式源端口號(hào)目的端口號(hào)順序號(hào)確認(rèn)號(hào)頭部長度保留UAPRSF接收窗口校驗(yàn)和緊急指針可選項(xiàng)(變長)應(yīng)用數(shù)據(jù)（可變長）32

bits20字節(jié)11/27/20238Yang

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Telecommuniations小于40字節(jié)64k字節(jié)順序號(hào)：當(dāng)SYN＝1，代表初始序號(hào)ISN；其它時(shí)候SN表示該段中第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)。確認(rèn)號(hào)：代表TCP接收實(shí)體期望接收的下一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。頭部長度：以32bit為單位。接收窗口：由接收方給出的愿意接受的字節(jié)數(shù)量，起始序號(hào)由確認(rèn)號(hào)字段給出。校驗(yàn)和：對(duì)整個(gè)報(bào)文段進(jìn)行校驗(yàn)。緊急指針：該字段的值加上報(bào)文段的序號(hào)后，代表緊急數(shù)據(jù)序列的最后一個(gè)字節(jié)，它使收方能夠知道共有多少緊急數(shù)據(jù)到來。URG：置位代表緊急指針字段有意義。ACK:確認(rèn)號(hào)字段有意義。PSH：強(qiáng)制交付RST：重建連接SYN：序號(hào)同步和連接建立。FIN：本端不再發(fā)送數(shù)據(jù)，連接釋放11/27/20239Yang

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Telecommuniations參數(shù)含義3

TCP的連接管理11/27/202310Yang

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Telecommuniations面向連接:為實(shí)現(xiàn)一對(duì)進(jìn)程之間可靠的數(shù)據(jù)通信，TCP采用了面向連接的方式，即在進(jìn)程間先建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)。連接是實(shí)現(xiàn)可靠傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)連接的標(biāo)識(shí)：IP地址＋端口號(hào)（運(yùn)輸層）＝連接，該連接又被稱為套接字Socket。TCP連接是主機(jī)到主機(jī)的連接，即只在直接通信的兩個(gè)主機(jī)上維持連接狀態(tài)。套接字是一個(gè)全雙工連接A->B=【（本地IP，本地端口），（遠(yuǎn)端IP，遠(yuǎn)端端口）】Socket的概念進(jìn)程進(jìn)程InternetOS控制程序員控制TCP層SocketBSocketA11/27/202311Yang

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Telecommuniations基于套接字的多路分解ClientIP:BP1clientIP:

AP2serverIP:

CSP:

9157SP:

9157P4P1P3DP:80S-IP:

AD-IP:CDP:

80S-IP:

BD-IP:CSP:

5775DP:80S-IP:

BD-IP:C11/27/202312Yang

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TelecommuniationsTCPFTSDTSTEMNFNPLTSTMNPPPEUDP21T23255369161520TCP保留端口號(hào)RIP11/27/202313Yang

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Telecommuniations應(yīng)用層傳輸層在C/S模式下，提供特定服務(wù)的服務(wù)器必須公開其服務(wù)端口號(hào)，所有的

Internet標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)都有自己的保留端口號(hào)，這些端口號(hào)被稱為well-known

port,一般

1024以內(nèi)的端口將被OS保留。所有的Internet服務(wù)使用的周知端口列表可在找到連接的建立過程：三次握手每一方通知對(duì)方自己將要使用的初始SN。為什么不簡(jiǎn)單的用0?每一方確認(rèn)對(duì)方的SNSYN-ACK:確認(rèn)SN+1第二個(gè)SYN可以和第一個(gè)ACK合并SYN:

SN＝xACK:

AN＝x+1SYN:

SN＝y(tǒng)ACK:

AN＝y(tǒng)+111/27/202314Yang

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TelecommuniationsClientServer連接的釋放過程每一方獨(dú)立發(fā)起釋放過程發(fā)送FIN

消息“I’m

not

going

to

sendany

moredata”另一方可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)單向連接確認(rèn)必須繼續(xù)確認(rèn)FIN確認(rèn)最后的SN+1釋放過程看成兩個(gè)獨(dú)立的單工連接來理解ABFIN,

SN＝aACK,

AN=a+1ACK,DataACK,

AN=B11/27/202315Yang

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Telecommuniations+1FIN,SN=B4

TCP的流量控制11/27/202316Yang

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Telecommuniations問題：如何限制發(fā)送者的速率以實(shí)現(xiàn)收發(fā)速率匹配？鏈路層采用固定窗口大小的流量控制。TCP采用由接收方在ACK中通知發(fā)送方可用窗口大小（信用量）流控機(jī)制。。但主機(jī)到主機(jī)的往返時(shí)延RTT（round-triptime)變化大。為什么要引入這種復(fù)雜性？滑動(dòng)窗口協(xié)議中的發(fā)送方131415161718192021222324已發(fā)送未證實(shí)的目前可發(fā)送的順序號(hào)：Seq，發(fā)送方必須在分組頭中包含一個(gè)順序號(hào)。窗口尺寸：W,允許的連續(xù)發(fā)送未被證實(shí)的分組的最大個(gè)數(shù)。證實(shí)信號(hào)：Ack（i);證實(shí)0～i－1的分組被正確接受，累計(jì)證實(shí)策略。定時(shí)器：重傳機(jī)制：當(dāng)發(fā)生丟失時(shí)，進(jìn)行重發(fā)糾錯(cuò)。已發(fā)送且證實(shí)的TCP窗口WSendBase11/27/202317Yang

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TelecommuniationsNextSeqacknowledgedsent可以發(fā)送的超出window的Source

PortDest.

PortSequence

NumberAcknowledgmentHL/FlagsD.ChecksumWindowUrgent

PointerOptions…Source

PortDest.

PortSequence

NumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD.ChecksumUrgent

PointerOptions...Packet

SentPacket

ReceivedTCP發(fā)送側(cè)：流量控制參數(shù)11/27/202318Yang

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TelecommuniationsTCP中的信用量流控機(jī)制11/27/202319Yang

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Telecommuniations確認(rèn)與流控分離的思想：涉及三個(gè)字段：順序號(hào)SN，確認(rèn)號(hào)AN，窗口尺寸W傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)均分配一個(gè)SN。當(dāng)發(fā)送方收到一個(gè)返回的報(bào)文段AN＝i，W＝j(luò)，它的含義是：序號(hào)0～i-1的字節(jié)都被確認(rèn)，下一個(gè)期望接收的字節(jié)是i.發(fā)送方新的窗口大小為W＝j(luò)，合法的窗口內(nèi)的序號(hào)為i~j-1。信用量機(jī)制示例11/27/202320Yang

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TelecommuniationsTCP的窗口大小11/27/202321Yang

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Telecommuniations確定合理的W值是實(shí)現(xiàn)高效率流量控制的關(guān)鍵。W的取值顯然與RTT有關(guān)，也與接收端可分配的緩沖區(qū)數(shù)量有關(guān)。（為簡(jiǎn)化分析，先不考慮緩沖區(qū)的限制）設(shè)往返時(shí)延RTT，線路速率＝Rbps,分組長度=L。則當(dāng)W≧(RTT×R)/L時(shí)，不會(huì)造成發(fā)送端因等待確認(rèn)信號(hào)，所引起的線路空閑。直觀上，W與RTT成正比。但實(shí)際上W太大無意義，只會(huì)增加緩沖區(qū)的開銷。但在Internet上，端到端的時(shí)延變化很大，如何確定RTT？確定RTT11/27/202322Yang

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Telecommuniations由于Internet的狀態(tài)隨時(shí)間在變，固定的RTT值對(duì)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況就可能有時(shí)顯得太長，有時(shí)又太短。因此TCP采用觀察最近的報(bào)文段的往返時(shí)延的方法來估計(jì)RTT，然后設(shè)定一個(gè)大一些的值。TCP的RTT估值公式估計(jì)RTT＝（1－а）×估計(jì)RTT＋а×樣本RTT其中，在【RFC2988】а的參考值а＝0.125。含義是，使RTT對(duì)短暫的時(shí)延變化不敏感。結(jié)論：TCP的窗口值11/27/202323Yang

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Telecommuniations在發(fā)送一側(cè)，TCP的窗口W＝min{Cwin,RcvWin},其中RcvWin由接收方在

ACK中給出，而Cwin由發(fā)送方根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)確定。因此，發(fā)送方的最大吞吐量＝min{Cwin,RcvWin}/RTTTCP的丟失重傳機(jī)制11/27/202324Yang

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Telecommuniations由于網(wǎng)絡(luò)層不提供反饋信息，為保證可靠傳輸，TCP必須采用超時(shí)/重傳機(jī)制來處理報(bào)文段的丟失問題。丟失的定義：超時(shí)或連續(xù)收到三個(gè)冗余的ACK。問題的關(guān)鍵：如何設(shè)定超時(shí)定時(shí)器RTO？顯然，RTO必須大于RTT，否則會(huì)造成不必要的重傳。RTO的估算公式11/27/202325Yang

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Telecommuniations顯然，RTO也不應(yīng)比RTT的估值大太多，否則當(dāng)出現(xiàn)丟失時(shí)，TCP將不能很快地重傳該報(bào)文段。估值RTO＝估值RTT＋4×DevRTT（偏差）DevRTT＝（1－?）×DevRTT＋?×|當(dāng)前

RTT估值－RTT均值）?推薦值＝0.25.TCP:重傳示例Host

ASeq=100,

20

bytes

dataACK=100timepremature

timeoutHost

BSeq=92,

8

bytesdataACK=120Seq=92,

8

bytesdataSeq=92

timeoutACK=120Host

ASeq=92,

8

bytesdataACK=100losstimeoutlost

ACK

scenarioHost

BXSeq=92,

8

bytesdataACK=100timeSeq=92

timeoutSendBase=

10011/27/202326Yang

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TelecommuniationsSendbase=

100SendBase=

120SendBase=

120TCP

丟失重傳－2Host

ASeq=92,

8

bytesdataACK=100losstimeouttimeCumulative

ACK

scenarioHost

BXSeq=100,

20

bytes

dataACK=120SendBase=

12011/27/202327Yang

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Telecommuniations結(jié)論：實(shí)際中，RTO的值一般為1秒左右。一旦發(fā)生超時(shí)，TCP將重傳序號(hào)最小的未被確認(rèn)的報(bào)文段，并將RTO值加倍。發(fā)送端只為最小的未被確認(rèn)的報(bào)文段啟動(dòng)一個(gè)超時(shí)定時(shí)器，每收到一個(gè)

ACK，執(zhí)行一次復(fù)位。5

TCP的擁塞控制概述原因:流進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量超過了網(wǎng)絡(luò)的處理能力信源不能知道網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。信源彼此之間互相不知道對(duì)方的行為流量控制的區(qū)別：控制機(jī)制相似，但觸發(fā)的原因與目的不同。擁塞導(dǎo)致的現(xiàn)象：分組丟失，時(shí)延加大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降10

Mbps1.5

Mbps100

Mbps11/27/202328Yang

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Telecommuniations擁塞控制技術(shù)的分類端到端的擁塞控制:沒有來自網(wǎng)絡(luò)的顯式擁塞反饋指示端系統(tǒng)只能通過觀測(cè)loss,delay等推測(cè)擁塞TCP采用次方案網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制:11/27/202329Yang

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Telecommuniations路由器給端系統(tǒng)提供擁塞指示單比特?fù)砣甘疚恢该靼l(fā)送者應(yīng)該使用的發(fā)送速率問題:導(dǎo)致路由器行為復(fù)雜化根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層是否為運(yùn)輸層提供顯式的擁塞狀態(tài)信息來分類TCP擁塞控制要解決的3個(gè)問題11/27/202330Yang

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Telecommuniations如何限制一個(gè)已發(fā)生擁塞的連接的發(fā)送速率？TCP發(fā)送方如何確定發(fā)生了擁塞？當(dāng)確定發(fā)生了擁塞后，采用什么算法來改變發(fā)送速率？發(fā)送方如何調(diào)整發(fā)送速率？11/27/202331Yang

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Telecommuniations接收窗口RcvWin的值由接收方確定，然后通知發(fā)送方，它用來防止接收方緩存溢出。但沒有提供網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。網(wǎng)絡(luò)的狀況，由發(fā)送方探測(cè)確定，并記為擁塞窗口Cwin。在任何時(shí)候，發(fā)送方實(shí)際的窗口大小應(yīng)為CWin和RcvWin中的最小值，即滿足：LastByteSent-LastByteAcked<=min{CWin,RcvWin}.為分析方便，我們忽略RcvWin，則得到發(fā)送方的發(fā)送速率R＝CWin/RTT。顯然，在發(fā)送方調(diào)整CWin，就可以調(diào)整發(fā)送速率。擁塞的確定與控制算法11/27/202332Yang

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Telecommuniations在TCP發(fā)送方，如果超時(shí)，或連續(xù)受到三個(gè)冗余的ACK，則認(rèn)為發(fā)生分組丟失事件，從而判定擁塞。TCP的擁塞控制算法：加性增，乘性減AIMD（additive-increase

andmultiplicative-decrease)慢啟動(dòng)（slow－start）超時(shí)反應(yīng)Cwin在不同階段的變化方式慢啟動(dòng)階段：每經(jīng)過1個(gè)RTT，Cwin加倍。 即每收到一個(gè)Ack，執(zhí)行Cwin＝Cwin＋1。擁塞避免階段：在沒有發(fā)生丟失事件下，每經(jīng)過1個(gè)RTT，Cwin加1。而當(dāng)發(fā)生丟失事件后，則將Cwin減半11/27/202333Yang

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Telecommuniations慢啟動(dòng)的詳解當(dāng)