第七章 传输层(精品).ppt

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1、数字通信与计算数字通信与计算数字通信与计算数字通信与计算机网络技术基础机网络技术基础机网络技术基础机网络技术基础第第第第7 7章章章章 传输层传输层传输层传输层 本章学习目标本章学习目标有关传输层的一些概念和基础知识，传输协议（transport protocol）是整个网络体系结构中的关键之一。位于网络层与应用层之间，主要功能是负责应用程序之间的通信，主要有连接端口管理、流量控制、错误处理、数据重发等工作。在本章的学习中要求重点掌握和理解以下内容：l掌握有关端口和插口的概念，作用和使用方法l掌握关于TCP协议的基础知识l了解UDP协议的基础知识 第第第第7 7章章章章 传输层传输层传输层传输

2、层 7.1 7.1 传输层提供的服务传输层提供的服务传输层提供的服务传输层提供的服务 7.2 7.2 传输控制协议传输控制协议传输控制协议传输控制协议TCP TCP 7.3 7.3 用户数据协议用户数据协议用户数据协议用户数据协议UDP UDP 退出退出退出退出7.1 传输层提供的服务传输层提供的服务 7.1.1 7.1.1 传输层概述传输层概述传输层概述传输层概述 7.1.2 7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务提供给高层的服务提供给高层的服务 7.1.3 TCP/IP7.1.3 TCP/IP协议中的传输层协议中的传输层协议中的传输层协议中的传输层 7.1.4 7.1.4 端口端口端

3、口端口 7.1.1 传输层概述传输层概述 传输层位于网络体系结构的第四层，如果将其上的各层均作为应用层，则传输层直接与上层应用层进行数据通信，是整个网络体系结构的核心部分。需要注意的是在通信子网中没有传输层，它只存在于通信子网以外的各主机中，如果将整个网络体系结构从网络功能和用户功能角度来划分，传输层不包括在网络功能部分，而是属于用户功能层的最低层。传输层的位置如图7-1所示。7.1.1 传输层概述传输层概述 7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 传输层的最终目标是利用网络层提供的服务向其用户（一般是应用层的进程），提供有效、可靠且价格合理的服务。其主要任务是：在优化网络服务的基础上，

4、从源端机到目的端机提供可靠的、价格合理的数据传输，使高层服务用户在相互通信时不必关心通信子网实现的细节，即与所使用的网络无关。所以在通信子网内的各个交换节点以及连接各通信子网的路由器中，都没有传输层。7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 例如，设两台计算机主机A和主机B要进行数据通信，如图7-2所示，在计算机A和计算机B上同时有两个应用程序在运行，每对应用程序需要通过两个互连的网络才能进行数据通信，如主机A上的应用程序AP1AP1要和主机B上的应用程序AP3AP3进行通信，数据传输的过程如图7-3所示：7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 图7-2多进程通信情况7.1.2 提供

5、给高层的服务提供给高层的服务 图7-3应用程序进行数据通信的过程7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 由上图可以看出数据在两台主机间传送的整个过程，在物理层上可以透明地传输数据的比特流；在数据链路层上使得各条链路能传送无差错的数据帧（数据帧按顺序、无丢失、不重复）；在网络层上提供了路由选择和网络互连的功能，使得主机A发送的数据段能够按照合理的路由到达主机B。但是在这一过程中，到达主机B的数据并不一定是最可靠的，为了提高网络服务的质量，在传输层需要再次优化网络服务，并向高层用户屏蔽通信子网的细节，使高层用户看见的就好像在两个传输层实体之间有一条端到端的、可靠的、全双工的通信通路一样。7.

6、1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 在整个通信的过程中，数据在传输层上，才是第一次实现真正意义的端到端的数据通信。要想实现传输层的功能，必须在主机中装有传输层协议，此协议一般都可支持多个进程的连接。如上述例子中，它同时支持了两对应用进程进行通信。在传输层中完成传输功能的硬件和软件被称为传输实体TSAP（Transport Service Access Point），通过传输实体，传输层可以向应用层提供传输服务，具体的过程如图7-4所示：7.1.2 提供给高层的服务提供给高层的服务 图7-4传输层与其上下层之间的关系7.1.3 TCP/IP协议中的传输层协议中的传输层 在TCP/IP协议中

7、有两个并列的协议：UDP和TCP。UDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）是面向无连接的，即在进行数据传输之前不需要建立连接，而目的主机收到数据报后也不需要发回确认。这种协议提供了一种高效的传输服务。TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）是面向连接的，即在进行数据传输之前需要先建立连接，而且目的主机收到数据报后要发回确认信息。这种协议提供了一种可靠的传输服务。与UDP相比提供了较多的功能，但是相对的报文格式和运行机制也较为复杂。7.1.4 端口端口 TCP/IP传输层可以通过协议端口（protocolport，简称端口）来标识通

8、信的应用进程。传输层就是通过端口与应用层的应用程序进行信息交互的，应用层各种用户进程通过相应的端口与传输层实体进行信息交互。端口实际上是一个16Bit长的地址，范围可以从0至65535。将0至1023端口号称为熟知端口（Well-KnownPort），其余1024至65535端口号称为一般端口或（动态）连接端口（Registered/Dynamic），在数据传输过程中，应用层中的各种不同的服务器进程不断地检测分配给它们的端口，以便发现是否有某个应用进程要与它通信。7.1.4 端口端口 图7-5各端口的意义7.1.4 端口端口 协议端口号关键字描述UDP42NAMESERVER主机名字服务器UD

9、P53DOMAIN域名服务器UDP77BOOTPClient客户端启动协议服务UDP78BOOTPServer服务器端启动协议服务UDP79TFTP简单文件传输协议UDP111RPC微系统公司RPCTCP20FTPData文件传输服务器（数据连接）TCP21FTPControl文件传输服务器（控制连接）TCP23Telnet远程终端服务器TCP25SMTP简单邮件传输协议TCP80HTTP超文本传输协议7.1.4 端口端口 图7-7通过SMTP进行通信的主机7.1.4 端口端口 为了使得多主机多进程通信时，不至于发生上述的混乱情况，必须把端口号和主机的IP地址结合起来使用，称为插口或套接字（S

10、coket）。由于主机的IP地址是唯一的，这样目的主机就可以区分收到的数据报的源端机了。插口包括IP地址（32位）和端口号（17位），共48位。如上图7-7所示：（124.33.13.55，200）和（127.45.21.51，25）就是一对插口，在整个Internet中，在传输层上进行通信的一对插口都必须是唯一的。在上述的例子中，使用的是TCP协议，若使用UDP协议，虽然在进行通信的进程间不需要建立连接，但是在每次传输数据时，都要给出发送端口和接收端口，因此同样也要使用插口。7.2 传输控制协议传输控制协议TCP 7.2.1 TCP7.2.1 TCP报文的格式报文的格式报文的格式报文的格式

11、7.2.2 TCP7.2.2 TCP的编号与确认的编号与确认的编号与确认的编号与确认 7.2.3 TCP7.2.3 TCP的流量控制机制的流量控制机制的流量控制机制的流量控制机制 7.2.4 TCP7.2.4 TCP的重发机制的重发机制的重发机制的重发机制 7.2.5 TCP7.2.5 TCP的传输连接管理的传输连接管理的传输连接管理的传输连接管理 7.2.1 TCP报文的格式报文的格式 图7-7TCP报文段格式7 7.2.2 TCP.2.2 TCP的编号与确认的编号与确认 TCP将所要传送的整个报文段看成是由一个个字节组成的，对于每一个字节进行编号。在传送数据之前，通信双方要首先商定好起始序

12、号，每一次传送数据时，都会将报文段中的第一个字节的序号放在报文段中的确认序号字段中。在TCP报文段首部含有确认序号字段，通过它可以完成TCP报文的确认，具体的确认是对接收到的数据的最高序号进行确认，返回的确认序号是已经收到的数据的最高序号加1。由于TCP采用全双工的通信方式，因此进行通信的每一方都不必专门发送确认报文段，可以在传送数据的同时进行确认，这种方式称为捎带确认。7.2.3 TCP7.2.3 TCP的流量控制机制的流量控制机制 两用户进程间的流量控制和链路层两相邻结点间的流量控制类似，都要防止快速的发送数据时超过接收者的能力，采用的方法都是基于滑动窗口的原理。但是链路层常采用固定窗口大

13、小，而传输层则采用可变窗口大小和使用动态缓冲分配。在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前设定的接收窗口的大小。假设发送端要发送的数据为8个报文段，每个报文段的长度为100个字节，而此时接收端许诺的发送窗口为400个字节，具体情况如下图7-9所示：7.2.3 TCP7.2.3 TCP的流量控制机制的流量控制机制 图7-9 滑动窗口机制7.2.3 TCP7.2.3 TCP的流量控制机制的流量控制机制 实际上实现流量控制并非仅仅为了使得接收方来得及接收而已，还要有控制网络拥塞的作用。比如接收端正处于较空闲的状态，而整个网络的负载却很多，这时如果发送方仍然按照接收方的要求发送数据就会加重网络负

14、荷，由此会引起报文段的时延增大，使得主机不能及时地收到确认，因此会重发更多的报文段，更加剧了网络的阻塞，形成恶性循环。为了避免发生这种情况，主机应该及时地调整发送速率。7.2.3 TCP7.2.3 TCP的流量控制机制的流量控制机制 发送端主机在发送数据时，既要考虑到接收方的接收能力，也要考虑网络目前的使用情况，发送方发送窗口大小应该考虑以下几点：（1）通知窗口（advertised window）：这是接收方根据自己的接收能力而确定的接收窗口的大小。（2）拥塞窗口（congestionwindow）：这是发送方根据目前网络的使用情况而得出的窗口值，也就是来自发送方的流量控制。当中最小的一个最

15、为适宜，即：发送窗口=Min通知窗口，拥塞窗口 进行拥塞控制，Internet标准推荐使用三种技术，即慢启动（slow-start），加速递减（multiplicative decrease）和拥塞避免（congestion avoidance）。7.2.4 TCP7.2.4 TCP的重发机制的重发机制 重发机制是TCP协议中最重要和最复杂的问题之一。在这一过程中，关键在于如何设置定时器的时间，定时器的时间应该等于数据报文段往返时延，也就是等于从数据发出到收到对方确认所经历的时间。TCP采用了一种自适应算法来计算重发超时时间。所有发送正确的报文段的往返时延进行加权平均，得到报文段的平均往返时延

16、RT，而将TCP测量该往返时延所用的时间设为M，根据得到的时延，按照下列的公式进行计算修正的RT：RT=RT+（1-）M是修正因子，一般取值为7/8。7.2.4 TCP7.2.4 TCP的重发机制的重发机制 后来发现设为常量在程序中使用并不是很灵活。1988年，Jacobson提出一种动态的确定超时重发时间的方法，他提出的变化要与确认到达时间的概率密度函数的标准偏差大致成比例，并建议采用平均偏差作为对标准偏差的粗略估计。在这种算法中，需要保存另一个修正因子D（偏差值），按照下列公式进行新的计算：D=D+(1-)|RT-M|此时，Phil Karn提出了一种简单的建议：对于已经重发的数据段不需要

17、再修正它的超时重发时间，而是在每次传输失败时将超时时间加倍，直到该数据段传送成功为止。目前大多数TCP程的实现都是采用这种算法。7.2.5 TCP7.2.5 TCP的传输连接管理的传输连接管理 1.TCP1.TCP连接的建立连接的建立第一次握手：源端机发送一个带有本次连接序号的请求。第二次握手：目的主机收到请求后，如果同意连接，则发回一个带有本次连接序号和源端机连接序号的确认。第三次握手：源端机收到含有两次初始序号的应答后，再向目的主机发送一个带有两次连接序号的确认。7.2.5 TCP7.2.5 TCP的传输连接管理的传输连接管理 图7-10 TCP协议中连接建立的过程 7.2.5 TCP7.

18、2.5 TCP的传输连接管理的传输连接管理 2.2.连接的释放连接的释放 第一次握手：由进行数据通信的任意一方提出要求释放连接的请求报文段。第二次握手：接收端收到此请求后，会发送确认报文段，同时当接收端的所有数据也都已经发送完毕后，接收端会向发送端发送一个带有其自己序号的报文段。第三次握手：发送端收到接收端的要求释放连接的报文段后，发送反向确认。7.2.5 TCP7.2.5 TCP的传输连接管理的传输连接管理 图7-11 TCP连接的释放过程 7.3 7.3 用户数据协议用户数据协议UDPUDP 7.3.1 UDP7.3.1 UDP7.3.1 UDP7.3.1 UDP数据报的格式数据报的格式数

19、据报的格式数据报的格式 7.3.2 UDP7.3.2 UDP7.3.2 UDP7.3.2 UDP的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 7.3.1 UDP7.3.1 UDP数据报的格式数据报的格式 图7-12 UDP报文段格式7.3.2 UDP7.3.2 UDP的工作原理的工作原理 由于UDP提供的是一种面向无连接的服务，它并不保证可靠的数据传输，不具有确认、重发等机制，而是必须靠上层应用层的协议来处理这些问题。UDP相对于IP协议来说，唯一增加的功能是提供对协议端口的管理，以保证应用进程间进行正常通信。它和对等的UDP实体在传输时不建立端到端的连接，而只是简单地向网络上发送数据或从网络上接

20、收数据。并且，UDP将保留上层应用程序产生的报文的边界，即它不会对报文合并或分段处理，这样使得接收方收到的报文与发送时的报文大小完全一致。7.3.2 UDP7.3.2 UDP的工作原理的工作原理 此外，一个UDP模块必须提供产生和验证检验和的功能，但是一个应用程序在使用UDP服务时，可以自由选择是否要求产生检验和。当一个IP模块在收到由IP传来的UDP数据报后，首先检验UDP检验和。如果检验和为0，表示发送方没有计算检验和。如果检验和非0，并且检验和不正确，则UDP将丢弃这个数据报。如果检验和非0，并且正确，则UDP根据数据报中的目标端口号，将其送给指定应用程序等待排队。7.4Winsock编

21、程初步7.4.1、概述每种网络都有自己的语言,Internet上的语言就是TCP/IP网络通讯协议。Internet是在UNIX系统上发展起来的,在UNIX上有许多成熟的编程接口,其中最通用的是一种叫做Sockets的接口。在1991年前后,许多网络软件商都在加紧研制Windows下的TCP/IP通讯组件,为了能使这些组件有一定的标准,降低开发难度,他们决定为Windows开发一套标准的、通用的TCP/IP编程接口,并使之类似于UNIX下的Sockets。7.4.1Winsock概述这一接口迅速被所有的软件商所接受,甚至包括icrosoft与IBM。到1994年,它被正式制定成一项标准,称为W

22、indowsSockets或称WINSOCK,并通过C语言的动态连结库方式提供给用户及软件开发者。我们现在看到的Windows下的Internet软件都是在WINSOCK的基础下开发的。随着Windows95的推出,WINSOCK已经被正式集成到了Windows系统中,同时包括了16位与32位的编程接口。而WINSOCK的开发工具也可以在BorlandC+4.0、VisualC+这些C编译器中找到,主要由一个叫winsock.h的头文件和动态连接库winsock.dll组成。7.4.1Winsock概述最初,WINSOCK1.1版是专门为Internet设计的,现在的2.x版已经不再限于Int

23、ernet和TCP/IP协议,它通过提供扩展的SPI编程接口,把自己的应用范围扩大到现存的和正在出现的各种网络和协议,包括PSTN、ISDN、无线网、所有的局域网协议、异步传输模式ATM等等;并且允许应用程序对所建立连接的可靠性、冗余度和带宽进行控制。所以,掌握了WINSOCK编程,就等于掌握了Windows环境下网络编程的一把钥匙。下面主要介绍一下在Internet上的编程方法。7.4.2、WINSOCK的基本概念Socket在英文中是插座的意思,在这里设计者实际上是暗指电话插座。因为在Socket环境下编程很像是打电话的模拟,Internet的IP地址就是电话号码,要打电话,首先要有个电话

24、插座,在程序中就是向系统申请一个Socket,以后两台机器上的程序交谈都是通过这个Socket来进行的。对程序员来说,也可以把Socket看成一个文件指针,只要向指针所指的文件读写数据,就可以实现双向通讯。利用Sockets进行通讯,有两种主要的方式。第一种叫作流方式(StreamSocket)也称面向连接方式。故名思义,在这种方式下,两个通讯的应用程序之间先要建立一种虚拟的连接。其过程好像客户机在给服务器打电话,只有服务器拿起了听筒,才能开始传输数据,这种方式对应的是TCP协议。第二种叫作数据报文方式(DatagramSocket),又称无连接方式,这时两台计算机像是把数据放在一封封信里通过

25、网络寄给对方,信在传送的过程中有可能会残缺不全,而且,后发出的信也有可能会先收到,它对应的是UDP协议。流方式的特点是,通讯可靠,对数据有校验和重发的机制,通常用来作数据文件的传输如ftp、telnet等;数据报文方式由于取消了重发校验机制,能够达到较高的通讯速率,可以用作一些对数据可靠性要求不高的通讯,如实时的语音、图像转送、广播消息等。7.4.3WINSOCK的编程特点在网络通讯中,由于网络拥挤或一次发送的数据量过大等原因,经常会发生交换的数据在短时间内不能传送完,收发数据的函数因此不能返回,这种现象叫作阻塞。WINSOCK对有可能阻塞的函数提供了两种处理方式,阻塞和非阻塞方式。在阻塞方式

26、下,收发数据的函数在被调用后一直要到传送完毕或者出错才能返回。在阻塞期间,被阻的函数会不断调用系统函数GetMessage()来保持消息循环的正常进行。对于非阻塞方式,函数被调用后立即返回,当传送完成后由WINSOCK给程序发一个事先约定好的消息。在编程时,应尽量使用非阻塞方式,因为在阻塞方式下,用户可能会在长时间的等待过程中试图关闭程序,因为消息循环还在起作用,所以程序的主窗口可以被关掉,这样当函数从WINSOCK的动态连接库中返回时,主程序已经从内存中删除,这显然是极其危险的。7.4.4WINSOCK中各种系统调用说明1.socket():创建一个Socket。所有的通迅在建立之前都要创建

27、一个Socket,该函数的功能与文件操作中的fopen类似。函数调用格式:SOCKETSocket(intaf,inttype,intproctocol)af指adressfamily一般都填AF-INET(表示是在Internet上);type是Socket的类型,当采用流连接方式时写SOCK-STREAM,用数据报文方式时写SOCK-DGRAM。proctocol一般都写0,表示用对两种类型的Socket分别采用缺省的TCP和UDP传输协议。函数的返回值是由WINSOCK定义的一种数据类型SOCKET,它实际就是个整型数据,在socket创建成功时,它代表WINSOCK分配给程序的Sock

28、et编号,后面调用传输函数时,就可以把它像文件指针一样引用。如果socket建立失败,返回值为INVALID-SOCKET。2.bind():为创建的Socket指定通讯对象。函数格式:intbind(SOCKETs,strutsockaddr-in*name,intnamelen)成功创建了socket之后,就应该选定通迅的对象。首先是自己的程序要与网上的哪台计算机通话;其次,在多任务的系统下,该台计算机上可能会有几个程序在工作,必须指出要与哪个程序通讯。前者可以通过Internet的网络IP地址来确定,而后者就需要引出一个新的概念:端口号。用端口号来表示同一台计算机上不同的应用程序,可以从

29、0到65536之间任选,不同功能的通讯程序使用不同的端口号,这样一台机器上可以有几个程序同时使用一个IP地址通讯而不互相干扰,IP地址与端口号的关系好象电话总机号码与分机号码的关系一样。在Internet上,1024以下的端口号已经被一些常用的网络服务,如ftp、telnet等占用,所以,编制自己的通讯程序时,应指定大于1024的端口号。要注意的是,TCP和UDP的端口号是相互独立的,可以使用相同的端口号而不会相互干扰。在bind()函数中,s是刚才创建好的socket。name是指向描述通讯对象的结构体的指针,namelen是该结构体的长度。这个结构体中的分量包括:IP地址(对应name.s

30、inaddr.s-addr)、端口号(name.sinport)、地址类型(name.sinfamly,一般都赋成AF-INET表示是Internet地址)。填写IP地址的方法有两种。当一个程序明确知道要与哪台计算机通讯时(一般是客户机),可以用函数gethostbyname(),从域名获得IP地址。格式如下:structhostent*gethostbyname(char*name)hostent结构中分量h-addr-list0开始的32个bit的数据就是IP地址。注意,函数gethostbyname()只能由域名获取IP地址,对数字格式的地址(如166.111.25.1)可以直接转换成3

31、2bit长整型格式的IP地址。当程序不知道将要与哪台机器通讯时(一般是服务器),可以把name.sinaddr.s-addr赋为INADDR-ANY。这样同一个Socket就可以分别与不同的计算机通讯。3.listen():设置等待连接状态。对于服务器的程序,当申请到Socket,并指定通讯对象为INADDR-ANY之后,就应该等待一个客户机的程序来要求连接。listen()就是把一个socket设置这种状态的函数,函数格式intlisten(SOCKETs,intbacklog)backlog是等待连接的队列长度,可取1至5。如果当某个客户程序要求连接之时,服务器已与其它客户程序连接,则后来

32、的这个连接请求会被放在队列中,等待服务器空闲的时候再与之连接。当队列达到指定长度(backlog的值)时,再来的连接请求都将被拒绝。4.accept()*:接收连接请求,当没有连接请求时,对于阻塞方式,就进入等待状态,直至有一个请求到达为止。函数格式:SOCKETaccept(SOCKETs,structsockaddr-in*,int*addrlen)accept()在接收到连接请求之后,会为这个连接建立一个新的Socket用来与对方通讯,并把它作为返回值。新建的Socket与原来的Socket有相同的特性,包括端口号,而原来的Socket被释放,用于继续等待其它的连接请求。参数中的指针ad

33、dr和addrlen用来返回客户机的sockaddr-in结构体。5.以上的bind()、listen()和accept()函数一般都是用于服务程序,属于被动等待的函数;对客户程序,要主动提出连接请求,应使用connect()*函数,格式如下:intconnect(SOCKETs,structsockaddr-in*name,intnamlen)s是刚才建立的socket,name与namelen的含义与使用方法与bind()相同,用来指定通讯对象。如果连接失败,该函数会返回SOCKET-ERROR。6.send()*/recv()*发送、接收数据。intsend(SOCKETs,char*b

34、uf,intlen,intflags)intrecv(SOCKETs,char*buf,intlen,intflags)s是连接用的socket,buf和len是发送或接收的数据包及其长度,参数flags一般取0。recv()函数实际上是读取send()函数发过来的一个数据包,当读到的数据字节少于规定接收的数目时,就把数据全部接收,并返回实际接收到的字节数;当读到的数据多于规定值时,在流方式下,剩余的数据由下个recv()读出,在数据报文方式下,多余的数据将被丢弃。这两个函数在出错时都返回SOCKET-ERROR。7.以数据报文方式通讯的Socket,由于事先不用建立连接,所以可以跳过conn

35、ect()而直接用下面两个函数通讯。intrecvfrom(SOCKETs,char*buf,intlen,intflags,structsockaddr-infrom,int*fromlen)intsendto(SOCKETs,char*buf,intlen,intflags,structsockaddr-into,int*tolen)其中from,fromlen,to,tolen的含义和用法与bind()和connect()中的相同,分别表示接收和发送数据的对象。基于CS结构的网络通讯过程在TCP/IP网络中两个进程间的相互作用的主机模式是客户机/服务器模式(Client/Servermo

36、del)。该模式的建立基于以下两点：1、非对等作用；2、通信完全是异步的。客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请示方式：首先服务器方要先启动，并根据请示提供相应服务：（过程如下）1、打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一个公认地址上接收客户请求。2、等待客户请求到达该端口。3、接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。4、返回第二步，等待另一客户请求5、关闭服务器。客户方：1、打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口。2、向服务器发送服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求3、请求结束后关闭通信通道并终止面向连接的套接字的系统调用时序图无连接协议的套接字调用时序图面向连接的应用程序流程图