《計(jì)算機(jī)絡(luò)》謝希仁(第四版)第08章

人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第章運(yùn)輸層第8章

運(yùn)輸層8運(yùn)輸協(xié)議(transport

protocol)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵之一。運(yùn)輸協(xié)議概述TCP/IP體系中的運(yùn)輸層用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP傳輸控制協(xié)議TCP退出高等學(xué)校21世紀(jì)教材程人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸層8.1

運(yùn)輸協(xié)議概述從通信和信息處理的角度看,運(yùn)輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù),它屬于面向通信部分的最高層,同時(shí)也是用戶功能中的最低層。運(yùn)輸層只存在于通信子網(wǎng)以外的主機(jī)中,在通信子網(wǎng)中沒有運(yùn)輸層,如圖8-1所示。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸層程人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層運(yùn)輸層為應(yīng)用進(jìn)程之間提供邏輯通信,但網(wǎng)絡(luò)層是為主機(jī)之間提供邏輯通信,如圖8-3所示。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層OSI使用了簡(jiǎn)潔的抽象方法將運(yùn)輸層與其上下層之間的關(guān)系歸納如圖8-4所示。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸運(yùn)輸層向高層用戶屏蔽了下面通信子網(wǎng)的細(xì)節(jié),它使應(yīng)用進(jìn)程看見的就是好像在兩個(gè)運(yùn)輸層實(shí)體之間有一條端到端的邏輯通信信道,但這條邏輯通信信道對(duì)上層的表現(xiàn)卻因運(yùn)輸層使用的不同協(xié)議而有很大的差別。當(dāng)運(yùn)輸層采用面向連接的TCP協(xié)議時(shí),盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的(即只提供盡最大努力服務(wù)),但這種邏輯通信信道就相當(dāng)于一條全雙工的可靠信道。但當(dāng)運(yùn)輸層采用無連接的UDP協(xié)議時(shí),這種邏輯通信信道則是一條不可靠信道。在圖8-5中將可靠信道畫成一個(gè)管道,這意味著報(bào)文在這樣的“管道”中運(yùn)輸時(shí),可以做到無差錯(cuò)、按序(接收的順序和發(fā)送的順序一樣)、層無丟失和無重復(fù)。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.2

TCP/IP體系中的運(yùn)輸層8.2.1

運(yùn)輸層中的兩個(gè)協(xié)議TCP/IP的運(yùn)輸層有兩個(gè)不同的協(xié)議,如圖8-6所示,它們都是因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)，即:用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材層程人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸8.2.2

端口的概念UDP和TCP都使用了與應(yīng)用層接口處的端口(port)與上層的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行通信。圖8-7說明了端口在進(jìn)程之間的通信中所起的作用。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸層程人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層若沒有端口,運(yùn)輸層就無法知道數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)交付給應(yīng)用層的哪一個(gè)進(jìn)程。端口是用來標(biāo)識(shí)應(yīng)用層的進(jìn)程。端口號(hào)分為兩類。一類是由因特網(wǎng)指派名字和號(hào)碼公司ICANN負(fù)責(zé)分配給一些常用的應(yīng)用層程序固定使用的熟知端口(well-knownport),其數(shù)值一般為0~1023,見[RFC1700]。例如,FTP用21,TELNET用23,SMTP用25,DNS用53,HTTP用80,SNMP用161,等等。當(dāng)一種新的應(yīng)用程序出現(xiàn)時(shí),必須為它指派一個(gè)熟知端口,否則其他的應(yīng)用進(jìn)程就無法和它進(jìn)行交互。圖8-8舉例說明了端口的作用。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材層程人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第運(yùn)輸8插口包括IP地址(32bit)和端口號(hào)(16bit),章共48bit。插口和端口、IP地址的關(guān)系如圖8-9所示。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸層程人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.3

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP8.3.1

用戶數(shù)據(jù)報(bào)的用途雖然UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如:（1）發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接(當(dāng)然發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)也沒有連接需要釋放),因而減少了開銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時(shí)延。高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層UDP沒有擁塞控制,也不保證可靠交付,因此主機(jī)不需要維持具有許多參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表。UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)只有8個(gè)字節(jié)的首部開銷,比TCP的20個(gè)字節(jié)的首部要短。由于UDP沒有擁塞控制,因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會(huì)使源主機(jī)的發(fā)送速率降低。表8-1給出了一些應(yīng)用和應(yīng)用層協(xié)議主要使用的運(yùn)輸層協(xié)議(UDP或TCP)。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層通常用UDP的報(bào)文隊(duì)列來具體實(shí)現(xiàn)一個(gè)UDP端口,如圖8-10所示。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.3.2 用戶數(shù)據(jù)報(bào)的格式用戶數(shù)據(jù)報(bào)UDP有兩個(gè)字段:數(shù)據(jù)字段和首部字段。首部字段很簡(jiǎn)單，只有8個(gè)字節(jié)，如圖8-11所示，由4個(gè)字段組成，每個(gè)字段都是兩個(gè)字節(jié)。各字段意義如下所述。源端口字段:源端口號(hào)。目的端口字段:目的端口號(hào)。長(zhǎng)度字段:UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度。檢驗(yàn)和字段:防止UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸中出錯(cuò)。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層圖8-12給出了一個(gè)計(jì)算UDP檢驗(yàn)和的例子。人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4

傳輸控制協(xié)議TCPTCP是TCP/IP體系中面向連接的運(yùn)輸層協(xié)議,它提供全雙工的可靠交付的服務(wù)。8.4.1 TCP報(bào)文段的首部一個(gè)TCP報(bào)文段分為首部和數(shù)據(jù)兩部分,如圖8-13所示。TCP報(bào)文段首部的前20個(gè)字節(jié)是固定的,后面有4N字節(jié)是根據(jù)需要而增加的選項(xiàng)(N必須是整數(shù))。因此TCP首部的最小長(zhǎng)度是20字節(jié)。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層首部固定部分各字段的意義如下所述。（1）源端口和目的端口（2）序號(hào)（3）確認(rèn)序號(hào)（4）數(shù)據(jù)偏移（5）保留（6）緊急比特URG(URGent)高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層確認(rèn)比特ACK推送比特PSH(PuSH)復(fù)位比特RST(ReSeT)同步比特SYN終止比特FIN(FINal)窗口檢驗(yàn)和選項(xiàng)高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4.2 TCP的數(shù)據(jù)編號(hào)與確認(rèn)TCP協(xié)議是面向字節(jié)的。TCP將所要傳送的整個(gè)報(bào)文(這可能包括許多個(gè)報(bào)文段)看成是一個(gè)個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)流,并使每一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)序號(hào)。TCP的確認(rèn)是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的最高序號(hào)(即收到的數(shù)據(jù)流中的最后一個(gè)序號(hào))表示確認(rèn)。但接收端返回的確認(rèn)序號(hào)是已收到的數(shù)據(jù)的最高序號(hào)加1。也就是說,確認(rèn)序號(hào)表示接收端期望下次收到的數(shù)據(jù)中的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)。圖8-14是TCP發(fā)送報(bào)文段的過程的示意圖。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4.3

TCP的流量控制與擁塞控制為了提高報(bào)文段的傳輸效率,TCP采用大小可變的滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制。窗口大小的單位是字節(jié)。在TCP報(bào)文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當(dāng)前給對(duì)方設(shè)置的窗口數(shù)值。圖8-15表示的是在TCP中使用的窗口概念。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4.4

TCP的重傳機(jī)制重傳機(jī)制是TCP中最重要和最復(fù)雜的問題之一。TCP每發(fā)送一個(gè)報(bào)文段,就設(shè)置一次計(jì)時(shí)器。只要計(jì)時(shí)器設(shè)置的重傳時(shí)間已經(jīng)到了但還沒有收到確認(rèn),就要重傳這一報(bào)文段。圖8-17畫出了數(shù)據(jù)鏈路層和運(yùn)輸層的往返時(shí)延概率分布的對(duì)比。對(duì)于運(yùn)輸層來說,其往返時(shí)延的方差很大。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材層程人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸計(jì)時(shí)器設(shè)置的重傳時(shí)間應(yīng)略大于上面得出的平均往返時(shí)延，即:重傳時(shí)間β(平均往返時(shí)延)高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教第8章運(yùn)輸層程人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層Karn提出了一個(gè)算法:在計(jì)算平均往返時(shí)延時(shí)，只要報(bào)文段重傳了，就不采用其往返時(shí)延樣本。這樣得出的平均往返時(shí)延和重傳時(shí)間當(dāng)然就較準(zhǔn)確。新的重傳時(shí)間γ(舊的重傳時(shí)間)(8-4)系數(shù)γ的典型值是2。當(dāng)不再發(fā)生報(bào)文段的重傳時(shí),才根據(jù)報(bào)文段的往返時(shí)延更新平均往返時(shí)延和重傳時(shí)間的數(shù)值。實(shí)踐證明,這種策略較為合理。高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4.5

TCP的運(yùn)輸連接管理TCP是面向連接的協(xié)議。運(yùn)輸連接的建立和釋放是每一次面向連接的通信中必不可少的過程。在連接建立過程中要解決以下三個(gè)問題。要使每一方能夠確知對(duì)方的存在。要允許雙方協(xié)商一些參數(shù)(如最大報(bào)文段長(zhǎng)度,最大窗口大小,服務(wù)質(zhì)量等)。能夠運(yùn)輸實(shí)體資源(如緩存大小,連接表中的項(xiàng)目等)進(jìn)行分配。TCP的連接和建立都是采用客戶服務(wù)器方式。主動(dòng)發(fā)起連接建立的進(jìn)程叫做客戶(client),而被動(dòng)等待連接建立的進(jìn)程叫做服務(wù)器(server)。高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層人民郵電出版高等學(xué)校21世紀(jì)教材人民郵電出版計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第8章運(yùn)輸層8.4.6