《计算机网络cha》PPT课件.ppt

数据通信与计算机网络 第八章 运输层 Part I Syllabus p运输层在OSI/RM中的地位 p运输服务和服务质量 p运输层协议的功能 OSI/RM模型图 运输层的地位：中间层 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 面向信息处理 面向通信 用户功能 网络功能 两种观点划分高层与低层 运输层的功能 基本功能：提供端到端（进程-进程）的可靠通信，即向高层用户 屏 蔽通信子网的细节，提供通用的运输接口 主要功能：把运输地址映射为网络地址 把端到端的运输连接复用到网络连接上 运输连接管理 端到端的顺序控制、差错检测及恢复、分段处理及QoS监测 加速数据传送 运输协议的简单/复杂决定于子网服务的多少 通用的运输接口 运输协议 2 运输协议 1 网络层服务 1 网络层服务 2 运输层协议与数据链路层协议的区别 网络 物理信道 数据链路 层的环境 运输层 的环境 结点1 结点2 主机A 主机B 运输层模型 运输服务用户运输服务用户 应用层 抽象机器 . . . 运输服务提供者（运输实体） 运输服务访问点TSAP连接端点 运输服务 - 向用户提供高效、可靠、价格合理的服务 运输连接管理、数据传送 Syllabus p运输层在OSI/RM中的地位 p运输服务和服务质量 p运输层协议的功能 运输层主要探讨的是ISO标准，而我们应用时则主要是 TCP/IP；它们有一些重要区别；一个区别在于术语，例如， OSI使用运输协议数据单元（TransportProtocolDataUnit， TPDU）来称谓运输层的段。用NPDU表示网络协议数据单元。 用户 TA 网络实体 NA 用户 网络实体 TPDU运输实体运输实体 运输地址 运输/网络接口 运输服务和服务质量（1） 运输服务和服务质量（2） p运输层提供两种类型的服务：面向连接和无连接的 运输服务 p运输层存在的意义：提供更高质量的信息运输能力 p运输实体（运输服务提供者） p使用运输服务的用户（运输服务用户 TS用户 ） 运输服务和服务质量（3） p服务原语：运输层通过运输服务原语向运输用户 提供服务，不同的系统有不同的原语 p抽象的运输服务原语（下页图） 运输服务和服务质量（4） 阶段服务原语参数 连 接 建 立 建 立 连 接 T-Connect.Req被呼地址，主呼地址，选项，服务质量，TS用户数 据 T-Connect.Ind被呼地址，主呼地址，选项，服务质量，TS用户数 据 T-Connect.Rsp响应地址，选项，服务质量，TS用户数据 T-Connect.Cnf响应地址，选项，服务质量，TS用户数据 数 据 传 输 常规 数据 T-Data.ReqTS用户数据 T-Data.IndTS用户数据 加速 数据 T-Expedited-Data.ReqTS用户数据 T-Expedited-Data.IndTS用户数据 连接 释放 释放 连接 T-Disconnect.ReqTS用户数据 T-Disconnect.Ind连接释放原因，TS用户数据 运输服务和服务质量（5） p运输服务质量(QoS) p运输服务质量的衡量（数值化参数表） 连接建立延迟 连接建立失败概率 吞吐量 残留差错率 运输延迟 保护性 优先权 回弹率 运输服务和服务质量（6） p连接建立延迟 是开始发出连接建立请求到连接建立证实（连接建立成功）之间 的时间，通常，这个时间越短越好。 p连接建立失败概率 是指在最大的延迟时间内，由于某种原因（如网络阻塞、内 存空间不够、内部故障等）从而连接建立失败的可能性。 p吞吐量 是指在一定时间内在一条运输连接上运输的用户数据的字节数，一般吞 吐量用每秒字节数(bps)表示，在一条运输连接上，可以有两个方向的吞吐量。 p运输延迟 是运输用户运输数据到这个数据被接收方收到为止的时间，同样，也 可以有两个方向的运输延迟。 p残留差错率 是指运输连接上错误的数据运输量占全部运输的数据量的比例，理 论上说，这个比例应该为0，因为，运输层的主要功能之一就是要提供可靠服务 ，但是，实际上这一点是做不到的。 p保护性 是指提供安全数据运输的一种能力，安全数据运输包括防止非法数据的 截取、修改等等。 p优先权 是指某些运输连接比其它运输连接更重要，从而保证数据优先运输的能 力，而且，一旦发生网络阻塞，具有高优先权的运输连接首先获得网络资源。 p回弹率 是指由于某种原因（如内部原因或网络阻塞）而自发终止运输连接的可 能性。 运输服务的协商过程： 运输服务用户 TSU1 运输服务用户 TSU2 运输实体 TE1 运输实体 TE2 Qos0/1 Qos0/4 Qos0/2 Qos0/5 Qos0/3 Qos0/5 其中：Qos的优先级为：Qos1 Qos2 Qos3 Qos4 Qos5 Qos0 ； Qos0/1 表示期望值是Qos1，最低可接受的是Qos0； 运输服务和服务质量（7） Syllabus p运输层在OSI/RM中的地位 p运输服务和服务质量 p运输层协议的功能 ISO运输协议 pISO在1984年通过了运输层协议ISO8072/8073，即OSI模型 中五级运输服务，标识为TPi（i=0，1，2，3或4）。03类 提供无差错服务的网络中。它们不提供差错控制，只提供连 接和断连服务。它们的差别相对较小。它们分别对应于网络 服务质量的三种类型： A型：网络连接具有可接受的低差错率和可接受的低故障通 知率； B型：网络连接具有可接受的低差错率和不可接受的低故障 通知率； C型：网络连接具有可接受的高差错率； n 差错率：是指残留差错率和漏检差错率，即网络层出现 的差错未改正且不通知运输层； n 故障通知率：是指通知运输层的网络连接释放或网络连 接重建； n 可接受：此处表示足够低，可以忽略； 三种类型的网络比较 pA型质量最高，分组的丢失、重复或复位等情况可以忽略不 计，一般来说，提供A型服务的公用广域网几乎没有； pB型网络服务质量其次，大多数X.25公用网为B型，这时， 丢失的分组可以忽略不计，但会有NRESET告知故障的发 生，这就需要运输协议来解决； pC型网络服务质量最差，它是完全不可靠的服务，那些单纯 提供数据报服务的广域网、无线电分组交换网和IP网络即属 此类，因此，所需的运输协议也最复杂。 ISO的五类运输协议 pTP0：具有最简单最基本的功能，建立一个简单的端到端的 运输连接，而在数据运输阶段具有数据报文分段传送的功能 ，是面向A类的运输协议； pTP1：在TP0的基础上增加基本的差错恢复功能，这里的基 本差错是指网络连接断开或失败，运输层试图建立另一条网 络连接，是面向B类网络服务的协议； pTP2：在TP0的基础上增加了多路复用的功能，为了进行复 用，协议有相应的流量控制的功能，是面向A类网络服务的 协议； pTP3：有TP1和TP2的功能，有差错恢复功能和多路复用功 能，是面向B类服务的网络协议； pTP4：该类协议最复杂，可以在网络质量较差时保证高可靠 性，它面向C类网络服务，具有差错控制、流量控制和多路 复用功能； 协议操作 运输协议是运输层的核心，两个运输实体之间是靠TPDU进行 交换，TPDU的通用格式如下： 段类型 目标端口源端口 发送序号确诊序号 总长度 偏移量 数据 TPDU有TP0TP4多种类型，且TPDU格式不同，TP4的TPDU类型为： TPU类型 功能 CR 连接请求 CC 连接确认 DR 断开请求 DC 断开确认 DATA 数据运输 TPU类型 功能 ED 加速数据 AK 确认 EA 加速数据确认 ER 差错 REJECT 拒绝 TP4 TPDU类型 运输协议的要素之一：寻址 运输用户（客户端）与服务器建立连接的过程示例 应用进程服务器 TSAP 6TSAP 122 NSAP XNSAP Y 运输层运输层 网络层 网络层 (1) 服务器以TSAP122为地址，等 待呼入 (2) HOST 1的应用进程发出连接 请求，源地址为TSAP6，目的地 址为TSAP122 (3) HOST 1的运输实体通过NSAP 在HOST 1与HOST 2之间建立网 络连接 (4) HOST 1的运输实体将应用进 程的连接请求传送给HOST 2的运 输实体 (5) HOST 2的运输实体询问应用 服务器是否同意建立运输连接 HOST 1HOST 2 寻址 问题：如何了解应用服务器的运输层地址 解决：(1) 初始连接协议 - 进程服务器作为应用服务器的代理，侦听传 输 连接请求；收到请求时，则装入应用服务器，并将连接转交 (2) 对于不适于随时创建的服务器，则使用名字服务器或目录服务 器来提供应用服务器的TSAP地址 问题：如何了解远端运输实体的网络地址？ 解决：(1) 分级地址 例如 TSAP = (2) 对于平面地址，则由名字服务器负责地址映射 A型网络服务上的运输协议 pA型网络服务可以分为三种情况： 可靠、顺序、信息长度任意的网络服务； 可靠、无序、信息长度任意的网络服务； 可靠、无序、信息长度不能超过最大长度的网 络服务。 可靠的顺序网络服务 p在这种情况下，我们假设网络服务接受任意长的信 息，并且百分之百的可靠，以及按顺序传递数据到 目的地，有三个问题要讨论： 复用； 流量控制； 连接建立和终止 复用 p对于运输协议和运输服务用户来讲，运输协议实现复用功能：多个用户 使用同一个运输协议，它们通过TSAP加以区分。 p对于网络服务而言，运输实体也实现复用（向上复用和向下复用）：多 条运输连接复用一条网络连接（向上复用、复用解复用）；另一方面 ，一条运输连接可以使用多条网络连接（向下复用、分流与合流）。 向上复用（复用与解复用）的使用往往是出于费用上的考虑，一 般而言网络服务收费以网络连接为标准的，多条运输连接复用一条网 络连接可以在满足吞吐量的情况下尽量减少费用。 向下复用（分流与合流）的目的是为了提供对单一网络失效的恢 复能力，以及提高吞吐量，一般来说，多条网络连接上的吞吐量大于 一条网络连接上的吞吐量，当然，吞吐量也不是无限制的，若设两个 结点之间有一条物理链路相连，那么，运输连接的吞吐量不会超过该 链路的容量。 流量控制 (1) p层内流控，也称对等流控，是指同一层内的实体之间的流 量控制 流量控制 (2) p层间流控是指不同层实体之间的流控:其出发点是一层实 体向另一层实体发出信息时必须得到该实体的同意，从 而实现这两个层次之间的流量控制 流量控制 (3) p对等流控的目的是为了限制数据（在运输层是TPDU）的发 送速度，因为： 接收方用户可能跟不上数据流； 接收方运输实体可能跟不上TPDU流 p比较好的办法是信用量方法 本方案的基本组成部分有：发送窗口与接收窗口，每 个窗口又有上缘和下缘 一个例子，其中，TPDU编号为0到7（模8），下图给 出了一个方向上的数据运输 流量控制 (4) 连接建立和释放(1) p即使是可靠网络服务，也需要连接建立和释放，连接建立的 目的是： 使每一端知道另一端是否存在 进行选项协商（如：协议类、窗口大小、服务质量等 ） 为运输实体分配资源（如：缓冲区、连接表项等） 连接建立和释放(2) p连接建立过程如图所示 连接建立和释放(3) p连接释放过程 可靠无序网络服务 (1) p在这种情况下，我们假设网络服务百分之百可靠，数据长度 为任意，但可能有失序情况发生，即数据收到的次序和发送 的次序可能不同 p首先，TPDU序号不仅仅用来实现流控，还要用来实现 TPDU的重新排序。 p其次，控制TPDU也需要序号，若没有这个序号，可能会发 生差错。 可靠无序网络服务 (2) p无序网络服务流控例子 可靠无序网络服务 (3) p连接建立例子 可靠有限长网络服务 p在这种情况下，网络服务不能接受任意长数据，即TPDU长 度不能超过某一最大值。 p这时，假如用户要求发送的数据块超过最大值，那么必须把 数据分割成较小的段，然后一段一段发送，接收方再把这些 段拼接成块，然后再交给用户，这就需要有一个块结束标志 EOT，运输实体收到带有EOT的DT TPDU后，把前面收到 的没有EOT的DT TPDU顺序拼接在一起交给用户。 B型网络服务上的运输协议 (1) p在这种情况下，数据运输可靠（但可能不按顺序），但可能 有网络故障，即产生NRESET或NDISCONNECT指示， 此时，TPDU可能丢失，这种丢失会向运输实体报告。 p在任何情况下，运输实体必须能从数据丢失或网络连接断开 中得到恢复，序号是一种有效的手段，正常情况下，TPDU 不必确认，因为网络服务是可靠的，当然，流控时需要使用 序号。这种方法还能处理网络故障。 B型网络服务上的运输协议 (2) p首先，我们考虑网络连接复位（如X.25的RESET），网络 服务用NRESET向运输实体报告发生了复位，可能会影响 一条或多条运输连接，这时，可能会丢失TPDU（包括两个 方向上的TPDU），运输实体可以采用下述措施： 发出控制TPDU，指明已收到的DT TPDU序号； 停止发送新的TPDU，直到收到控制TPDU，重发没有 被收到的TPDU。 pB型网络服务的另一个更严重的情况是网络连接断开（如 X.25的RESTART，OSI的NDISCONNECT指示），在这 种情况下，原来的网络连接发起者建立一条新的网络连接， 并在这条新的网络连接上发出控制TPDU，然后，采取与发 生NRESET时相似的措施以获得重新同步（如重发丢失的 TPDU等）。 C型网络服务上的运输协议 p这种情况下的网络服务是不可靠的，它不仅有数据丢失、失 序，而且还有网络复位、连接断开等。六个主要问题： 重传策略 重复检测 流控 连接建立 连接释放 崩溃恢复 重传策略(1) p有两种情况需要重传： 一是TPDU信息被破坏，但能到达目的运输实体 另一是TPDU没有到达目的地 p为了发现这些情况，我们需要使用确认方案：接收运输实体 必须确认每个成功的TPDU，一个AK TPDU可以确认多个 DT TPDU 重传策略(2) p计时器 当计时器溢出时若还没有收到确认，就要把这个DT TPDU 重新发送 计时器的值的设置 n一个方法是计时器值固定：需要对网络有十分深入的理解 n另一种方法基于观察值：往返时间的平均值（或稍大一点 ）这个值并不可信 u对等运输实体可能不马上对DT TPDU确认，它可以一 次确认多个DT TPDU（或由于流控原因而不发AK TPDU）； u若一个DT TPDU重传，那么，发送运输实体并不知 道收到的AK TPDU是最初发送的DT TPDU的确认还是重传的DT TPDU的确认； u网络状况可能突然发生变化，如特别拥挤或负载很轻 重传策略(3) p运输协议计时器 计 时 器说 明 重传计时 器T1重发一个未确认的TPDU 重建连接计时器在同一对用户之间从释放连接到建立另一条连接间的 最小时间 窗口计时器AK TPDU间的最大时间 重发CR计时器重发CR TPDU的时间 保持计时器TR收不到确认而终止连接的时间 不活动计时 器I收不到TPDU而终止连接的时间 重复检测(1) p有三种情况可能产生重复： 一是数据报服务可能产生重复； 二是AK TPDU丢失，发送运输实体重发DT TPDU； 三是由于网络原因（如拥挤等）而使TPDU延迟变长，计时 器超时，发送运输实体重发，引起DT TPDU重复 重复检测(2) p在连接释放前收到重复TPDU 接收运输实体必须假设重复TPDU的确认已丢失（某 些情况下还未来得及发出确认就收到重复TPDU），必须 对重复TPDU作出确认，因此，可能多个AK TPDU确认 同一个DT TPDU 序号空间必须足够大，以防止在TPDU生存期内发生 循环 重复检测(3) p不正确的重复检测 重复检测(4) p在连接释放后收到重复TPDU (方法一)序号跨越连接:即下一条连接的序号从上一条连接的 最后一个序号（加1）开始，运输实体在建立连接时，必须把这个序 号传送到对等运输实体，当然，这个过程是对称的，每一方都必须给 出这一信息 (方法二)使用连接标识符:每个TPDU都有这个标识符，每建 立一条连接就产生一个以前没有用过的连接标识符，当收到TPDU时 ，可以检查这个TPDU是否为当前运输连接的 两种方案在一般情况下能很好地工作，但也有缺陷： 运输实体必须记忆这些历史信息，当系统崩溃时就无法知 道序号或连接标识符。 重复检测(5) p生存期的概念：每个TPDU在通信子网中停留时间不能超过 生存期，这一点可用下述技术之一： 受限制的子网设计:包括防止TPDU进入回路和某些限 制拥挤时间不超过最大时间的一些方法 ； 每个TPDU设置一个站计数器:每次TPDU转发时站计 数器加1，当一个TPDU的站计数器超过某一特定值时， 就把它丢弃 ； 每个TPDU加上时间信息:要求每个TPDU带上自己的 生存时间，在通信子网中处理TPDU时若发现超过最大长 度的时间时，就把它丢弃，这种方法要求每个中继站的时 钟同步，这本身又是一件十分复杂工作 p一个相对较好的办法是上述第三方法和第一（或第二）种方 法的结合，一般情况下，用第一（或第二）种方法，当系统 崩溃并重新启动后采用上述第三种方法 流量控制(1) p前面我们描述的信用量流控方案在C型网络下不能很好地工 作，需要作一定的修改，假设（AK N，CREDIT M）表示 一个AK TPDU确认了N（及以前的）DT TPDU，并且给出 新的信用量值M，允许发送运输实体发送N+1到N+M的DT TPDU，这种机制是很有力的： 为了把信用量增加或减少到X，B可以发出（AK N， CREDIT X）； 为了确认一个新的DT TPDU，不改变原来的信用量， B可以发出（AK N+1，CREDIT M-1）； 为了确认一个新的DT TPDU，把信用量增加或减少到 X，B可以发出（AK N+1，CREDIT X）； 为了确认Y个新的DT TPDU，把信用量增加或减少到 X，B可以发出（AK N+Y，CREDIT X）。 流量控制(2) p问题所在：如果AK TPDU丢失，会产生一定的问题。若下 面还有确认，即可得到重新同步，若没有确认，发送运输实 体计时器溢出，然后重发DT TPDU，接收者收到后发出确 认，但是，这可能会有死锁， p解决1：需要引入一个窗口计时器，每发送一个AK TPDU 即启动窗口计时器，当窗口计时器溢出后，运输实体发出一 个AK TPDU，它可能和前一个AK TPDU完全一样，这就可 以打破死锁，并且同时也保证这个运输实体是活动的。 p解决2：另一个办法是对AK TPDU作出确认，也可以解决 问题，当然，由于不可靠的网络服务，对确认的确认也许还 需要计时器。 连接建立(1) p考虑网络的不可靠性 在C型网络下，建立连接过程中CR TPDU或CC TPDU均有可能丢失或被延迟，从而，引起超时重发CR TPDU，这就可能产生CR TPDU或CC TPDU的重复，发 送运输实体可能收到多个CC TPDU，而接收运输实体则 可能收到多个CR TPDU，所有这些都说明发送方（或接 收方）需要忽略重复的CC（或CR）TPDU 另一种情况是CR TPDU或CC TPDU可能由于延迟而 在连接释放后到达接收方或发送方，从而产生差错，如下 图所示： 连接建立(2) 连接建立(3) p问题所在：假设A有一个CR TPDU X（序号从X开始）