计算机网络教程ppt课件(第二版)第8章.ppt
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1、第 8 章 运输层第 8 章 运输层 8.1 运输层协议概述 8.1.1 进程之间的通信 8.1.2 运输层中的两个协议 8.1.3 运输层的端口8.2 用户数据报协议 UDP 8.2.1 UDP 概述8.2.2 UDP 的首部格式第 8章 运输层(续)8.3 传输控制协议 TCP 8.3.1 TCP 概述8.3.2 TCP 报文段的首部8.3.3 TCP 的数据编号与确认8.3.4 TCP 的流量控制与拥塞控制8.3.5 TCP 的重传机制 8.3.6 TCP 的运输连接管理 8.3.7 TCP 的有限状态机 8.1 8.1 运输层协议概述运输层协议概述8.1.1 8.1.1 进程之间的通信
2、进程之间的通信 n从通信和信息处理的角度看,运输层向它上面的应用层提供通信服务,它属于面向通信部分的最高层,同时也是用户功能中的最低层。物理层网络层运输层应用层数据链路层面向信息处理面向通信用户功能网络功能运输层为相互通信的应用进程提供了运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信逻辑通信 54321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 2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP 层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP 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应用进程之间的通信n两两个个主主机机进进行行
3、通通信信实实际际上上就就是是两两个个主主机机中中的的应应用用进进程程互互相相通通信信。n应用进程之间的通信又称为应用进程之间的通信又称为端到端的通信端到端的通信。n运运输输层层的的一一个个很很重重要要的的功功能能就就是是复复用用和和分分用用。应应用用层层不不同同进进程程的的报报文文通通过过不不同同的的端端口口向向下下交交到到运运输输层层,再再往往下下就就共共用用网网络络层层提提供供的的服服务务。当当报报文文到到达达目目的的主主机机时时,目目的的主主机机的的运运输输层层使使用用分分用用功功能能,通通过过不不同同的的端端口口将将报报文文分分别别交交付付给给不不同同的的应用进程。应用进程。n“运运输
4、输层层提提供供应应用用进进程程间间的的逻逻辑辑通通信信”。“逻逻辑辑通通信信”的的意意思思是是:运运输输层层之之间间的的通通信信好好像像是是沿沿水水平平方方向向传传送送数数据据。但但事事实实上上这这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。运输层协议和网络层协议的主要区别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运输层的主要功能 n运输层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)。n
5、运输层还要对收到的报文进行差错检测。n运输层需要有两种不同的运输协议,即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。运输层与其上下层之间的关系运输层与其上下层之间的关系的的 OSI OSI 表示法表示法 运输实体运输实体运输协议运输层层接口 运输服务用户(应用层实体)运输服务用户(应用层实体)层接口 网络层(或网际层)应用层主机 A主机 B运输层服务访问点TSAP网络层服务访问点NSAP运输层向上提供可靠的和不可靠运输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道的逻辑通信信道?应用层运输层发送进程接收进程接收进程数据数据全双工可靠信道数据数据使用 TCP 协议使用 UDP 协议不可靠信道发送进程TCP/
6、IP的运输层有两个不同的协议:(1)用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)(2)传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)8.1.2 8.1.2 运输层中的两个协议运输层中的两个协议TCP/IP TCP/IP 体系中的运输层协议体系中的运输层协议 TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层n两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU(Transport Protocol Data Unit)。nTCP 传 送 的 数 据 单 位 协 议 是 TCP 报 文 段(segment)n UDP 传送
7、的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。TCP TCP 与与 UDP UDP TCP TCP 与与 UDP UDP nUDP 在传送数据之前不需要先建立连接。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。nTCP 则提供面向连接的服务。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务,因此不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。8.1.3 8.1.3 运输层的端口运输层的端口n端口就是运输层服务访问点 TSAP。n端口的作用就
8、是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层,以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。n从这个意义上讲,端口是用来标志应用层的进程。端口在进程之间的通信中所起的作用端口在进程之间的通信中所起的作用 应用层运输层网络层TCP 报文段UDP用户数据报应用进程TCP 复用IP 复用UDP 复用TCP 报文段UDP用户数据报 应用进程端口端口TCP 分用UDP 分用IP 分用发送方接收方端口端口 n端口用一个 16 位端口号进行标志。n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
9、端口三类端口(1)熟知端口熟知端口:其数值一般为 01023。这类端口由ICANN负责分配给一些常用的应用层程序固定使用。(2)登记端口登记端口:其数值为 102449151。这类端口是 ICANN 控制的,使用这个范围的端口必须在 ICANN 登记,以防止重复。(3)动态端口动态端口:其数值为 4915165535。这类端口是留给客户进程选择作为临时端口。8.2 8.2 用户数据报协议用户数据报协议 UDP UDP 8.2.1 UDP 8.2.1 UDP 概述概述 nUDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能,即端口的功能和差错检测的功能。n虽然 UDP 用户数据报只能提供不可
10、靠的交付,但 UDP 在某些方面有其特殊的优点。n发送数据之前不需要建立连接nUDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表。nUDP 用户数据报只有 8 个字节的首部开销。n网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。UDP UDP 的特点的特点nUDP 是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接(当然发送数据结束时也没有连接可释放),因此减少了开销和发送数据之前的时延。nUDP 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,因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。UDP UDP 的特点(续)的特点(续)n由于 UDP 没有拥塞控制,因此网络出现的
11、拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用(如 IP 电话、实时视频会议等)要求源主机以恒定的速率发送数据,并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据,但却不允许数据有太大的时延。UDP 正好适合这种要求。UDP UDP 的特点(续)的特点(续)nUDP 是面向报文的。这就是说,UDP 对应用程序交下来的报文不再划分为若干个分组来发送,也不把收到的若干个报文合并后再交付给应用程序。n应用程序交给 UDP 一个报文,UDP 就发送这个报文;而 UDP 收到一个报文,就把它交付给应用程序。n应用程序必须选择合适大小的报文。UDP UDP 的特点(续)的特点(续)nUDP
12、支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。n用户数据报只有 8 个字节的首部开销,比 TCP 的 20 个字节的首部要短。8.2.2 UDP 8.2.2 UDP 用户数据报的用户数据报的首部格式首部格式 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017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报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017IP 数据报字节44112122222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。
13、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017IP 数据报字节44112122222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。8.3 8.3 传输控制协议传输控制协议 TCP TCP 8.3.1 TCP 8.3.1 TCP 概述概述 端口发送 TCP 报文段TCPTCP接收缓存发送缓存报文段报文段报文段端口发送方接收方向发送缓存写入数据块从接收缓存读取数据块应用进程应用进程TCP TCP 发送
14、报文段发送报文段n通信是全双工方式。n发送方的应用进程按照自己产生数据的规律,不断地把数据块陆续写入到 TCP 的发送缓存中。TCP 再从发送缓存中取出一定数量的数据,将其组成 TCP 报文段(segment)逐个传送给 IP 层,然后发送出去。n接收方从 IP 层收到 TCP 报文段后,先把它暂存在接收缓存中,然后让接收方的应用进程从接收缓存中将数据块逐个读取。n由于运输层的通信是面向连接的,因此TCP 每一条连接上的通信只能是一对一的,而不可能是一对多、多对一或多对多的。运输层实现可靠通信的基本原理运输层实现可靠通信的基本原理n传输层采用确认和超时重传机制保证报文段的可靠传输。n在IP层通
15、信不可靠的情况下,使运输层之间的通信成为可靠的。运输层 A运输层 B发送报文段 1确认报文段 1发送报文段 2出错!丢弃出错的报文段丢失!超时重传报文段 2超时重传报文段 2确认报文段 2发送报文段 3时间时间每发送一个报文段都要启动计时器但图中未画出没有起作用的计时器应当注意应当注意nA 在发送完一个报文段后,必须留有该报文段的副本,以便在必要时进行重传。n超时重传时间的设定。如果重传时间设定得很长,那么通信的效率就会很低。但如果重传时间设定得很短,就浪费了网络资源,在网络上增加了不必要的通信量。重传时间的设定是相当复杂。运输层 A运输层 B发送报文段 1确认报文段 1发送报文段 2超时重传
16、报文段 2丢弃重复的报文段确认报文段 2发送报文段 3时间时间每发送一个报文段都要启动计时器。但图中未画出没有起作用的计时器。丢失!确认报文段 2确认也可能出错或丢失确认也可能出错或丢失nB 所发送的对报文段 2 的确认丢失了。A无法知道是自己发送的报文段出错、丢失或者是对方发送的确认丢失了。因此要对报文段 2 超时重传。nB 正确收到了报文段 2,采取两个行动。n丢弃这个报文段。n向 A 发送确认。TCP TCP 可靠通信的具体实现很复杂可靠通信的具体实现很复杂nTCP 的报文段的长度是不确定的,以报文段作为确认的单位不够方便。nTCP 提供全双工通信,可以在发送自己的数据报文段的同时,捎带
17、地把确认信息附上。n为了提高通信传输效率,发送数据报文段的一方,可以连续发送多个数据报文段,而不需要在收到一个确认后才发送下一个报文段。n要使用特定的算法来估算比较合适的重传时间。TCP TCP 的首部格式的首部格式nTCP 报文段分为首部和数据两部分。nTCP 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。nTCP 报文段首部的前 20个 字节是固定的,后面有 4N 字节是根据需要而增加的选项(N 必须是整数)。因此 TCP 首部的最小长度是 20 字节。TCP首部20 字节的固定首部目 的 端 口数据偏移检 验 和选 项 (长 度 可 变)源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留FI
18、N32 位SYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充TCP 数据部分TCP 首部TCP 报文段IP 数据部分IP 首部发送在前TCP首部20字节固定首部目 的 端 口数据偏移检 验 和选 项 (长 度 可 变)源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充源端口和目的端口字段各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。TCP首部20字节固定首部目 的 端 口数据偏移检 验 和选 项 (长 度 可 变)源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保
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