通工专业-现代通信网.ppt

2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,1,现代通信网,2012秋季专业课,主讲 杨武军 ， 8688166348 通信工程系 通信与信息工程学院 西安邮电大学,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,2,第六章 Internet,6.1 Internet概述 6.2 协议与互连的原理 6.3 IP层 6.4 运输层 6.5 应用层 6.6 IPv6,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,3,第十章 Internet的运输层,问题：1)IP层只提供Besteffort的服务，如果用户需要可靠的服务怎么办？ 2) 主机上正在通信的一对进程相互间如何寻址？,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,4,Internet传输层协议概述,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,5,TCP/UDP报文段格式,0,8,16,24,31,16位源端口,16位目的端口,16位UDP校验和,数据,UDP报文段格式,TCP报文段格式,16位UDP长度,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,6,1运输层的协议和服务,两个运输层协议TCP，UDP 运输层提供基于端口号的复用能力。 运输层运行于端系统之上，提供不同主机上进程之间的逻辑通信能力。 TCP在两个进程间提供可靠数据传送服务 TCP段的结构 接收证实和超时重传 流量控制 连接管理 拥塞控制,但TCP不保证时延和带宽,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,7,TCP保证可靠服务的机制,数据报丢失：引入接收确认，重传机制 错序：在段中引入顺序号，使在最终目的地可以进行分段的重装。 Checksum：保证识别传输中的差错 慢的接收者：引入流控机制，使接收者可控制发送者的速率。 网络拥塞：控制源端的发送量，使之不超过网络的处理能力。 并发复用：引入端口号来区分不同的连接,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,8,2 TCP报文段的格式,源端口号,目的端口号,32 bits,应用数据 （可变长）,顺序号,确认号,接收窗口,紧急指针,校验和,F,S,R,P,A,U,头部 长度,保 留,可选项(变长),20字节,小于40字节,64k字节,顺序号：当SYN1，代表初始序号ISN；其它时候SN表示该段中第一个数据字节的序号。 确认号：代表TCP接收实体期望接收的下一个字节的序号。 头部长度：以32bit为单位。 接收窗口：由接收方给出的愿意接受的字节数量，起始序号由确认号字段给出。 校验和：对整个报文段进行校验。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,9,紧急指针：该字段的值加上报文段的序号后，代表紧急数据序列的最后一个字节，它使收方能够知道共有多少紧急数据到来。 URG：置位代表紧急指针字段有意义。 ACK: 确认号字段有意义。 PSH：强制交付 RST：重建连接 SYN：序号同步和连接建立。 FIN：本端不再发送数据，连接释放,参数含义,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,10,3 TCP的连接管理,面向连接:为实现一对进程之间可靠的数据通信，TCP采用了面向连接的方式，即在进程间先建立连接，再传输数据。 连接是实现可靠传输机制的基础 连接的标识：IP地址端口号（运输层）连接，该连接又被称为套接字Socket。 TCP连接是主机到主机的连接，即只在直接通信的两个主机上维持连接状态。 套接字是一个全双工连接 A-B =【（本地IP，本地端口），（远端IP，远端端口）】,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,11,Socket的概念,进程,进程,Internet,OS控制,程序员控制,TCP层,SocketB,SocketA,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,12,基于套接字的多路分解,Client IP:B,client IP: A,server IP: C,SP: 9157,DP: 80,P4,D-IP:C,S-IP: A,D-IP:C,S-IP: B,D-IP:C,S-IP: B,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,13,TCP保留端口号,R I P,应用层,传输层,在C/S模式下，提供特定服务的服务器必须公开其服务端口号，所有的Internet标准服务都有自己的保留端口号，这些端口号被称为well-known port,一般1024以内的端口将被OS保留。,所有的Internet服务使用的周知端口列表可在找到,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,14,连接的建立过程：三次握手,每一方通知对方自己将要使用的初始SN。 为什么不简单的用 0? 每一方确认对方的SN SYN-ACK: 确认 SN + 1 第二个SYN可以和第一个ACK合并,SYN: SNx,ACK: ANx+1 SYN: SNy,ACK: ANy+1,Client,Server,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,15,连接的释放过程,每一方独立发起释放过程 发送 FIN 消息 “Im not going to send any more data” 另一方可以继续发送数据 单向连接 确认必须继续 确认 FIN 确认最后的 SN + 1,释放过程看成两个独立的单工连接来理解,A,B,FIN, SNa,ACK, AN=a+1,ACK,Data,ACK, AN=B+1,FIN,SN=B,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,16,4 TCP的流量控制,问题：如何限制发送者的速率以实现收发速率匹配？ 链路层采用固定窗口大小的流量控制。 TCP采用由接收方在ACK中通知发送方可用窗口大小（信用量）流控机制。 。但主机到主机的往返时延RTT（round-trip time)变化大。 为什么要引入这种复杂性？,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,17,滑动窗口协议中的发送方,顺序号：Seq，发送方必须在分组头中包含一个顺序号。 窗口尺寸：W,允许的连续发送未被证实的分组的最大个数。 证实信号：Ack（i);证实0i1的分组被正确接受，累计证实策略。 定时器： 重传机制：当发生丢失时，进行重发纠错。,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,已发送且证实的,已发送未证实的,目前可发送的,TCP窗口W,SendBase,NextSeq,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,18,acknowledged,sent,可以发送的,超出window的,Source Port,Dest. Port,Sequence Number,Acknowledgment,HL/Flags,Window,D. Checksum,Urgent Pointer,Options,Source Port,Dest. Port,Sequence Number,Acknowledgment,HL/Flags,Window,D. Checksum,Urgent Pointer,Options.,Packet Sent,Packet Received,TCP发送侧：流量控制参数,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,19,TCP中的信用量流控机制,确认与流控分离的思想： 涉及三个字段：顺序号SN，确认号AN，窗口尺寸W 传输的每个字节均分配一个SN。 当发送方收到一个返回的报文段ANi，Wj，它的含义是： 序号0i-1的字节都被确认，下一个期望接收的字节是i. 发送方新的窗口大小为Wj，合法的窗口内的序号为ij-1。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,20,信用量机制示例,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,21,TCP的窗口大小,确定合理的W值是实现高效率流量控制的关键。W的取值显然与RTT有关，也与接收端可分配的缓冲区数量有关。（为简化分析，先不考虑缓冲区的限制） 设往返时延RTT，线路速率Rbps,分组长度=L。 则当W (RTTR)/L时，不会造成发送端因等待确认信号，所引起的线路空闲。 直观上，W与RTT成正比。但实际上W太大无意义，只会增加缓冲区的开销。 但在Internet上，端到端的时延变化很大，如何确定RTT？,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,22,确定RTT,由于Internet的状态随时间在变，固定的RTT值对实际的网络情况就可能有时显得太长，有时又太短。因此TCP采用观察最近的报文段的往返时延的方法来估计RTT，然后设定一个大一些的值。 TCP的RTT估值公式 估计RTT（1）估计RTT 样本RTT 其中， 在【RFC2988】的参考值 0.125。 含义是，使RTT对短暂的时延变化不敏感。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,23,结论：TCP的窗口值,在发送一侧，TCP的窗口WminCwin,RcvWin,其中RcvWin由接收方在ACK中给出， 而Cwin由发送方根据网络的状态确定。 因此，发送方的最大吞吐量 minCwin,RcvWin/RTT,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,24,TCP的丢失重传机制,由于网络层不提供反馈信息，为保证可靠传输，TCP必须采用超时/重传机制来处理报文段的丢失问题。 丢失的定义：超时或连续收到三个冗余的ACK。 问题的关键：如何设定超时定时器RTO？ 显然，RTO必须大于RTT，否则会造成不必要的重传。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,25,RTO的估算公式,显然，RTO也不应比RTT的估值大太多，否则当出现丢失时，TCP将不能很快地重传该报文段。 估值RTO估值RTT4DevRTT（偏差） DevRTT（1） DevRTT |当前RTT估值RTT均值） 推荐值0.25.,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,26,TCP: 重传示例,Host A,Seq=100, 20 bytes data,ACK=100,premature timeout,Host B,Seq=92, 8 bytes data,ACK=120,Seq=92, 8 bytes data,ACK=120,Host A,Seq=92, 8 bytes data,ACK=100,loss,timeout,lost ACK scenario,Host B,X,Seq=92, 8 bytes data,ACK=100,time,Seq=92 timeout,SendBase = 100,SendBase = 120,SendBase = 120,Sendbase = 100,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,27,TCP 丢失重传 2,Host A,Seq=92, 8 bytes data,ACK=100,loss,timeout,Cumulative ACK scenario,Host B,X,Seq=100, 20 bytes data,ACK=120,time,SendBase = 120,结论： 实际中，RTO的值一般为1秒左右。 一旦发生超时，TCP将重传序号最小的未被确认的报文段，并将RTO值加倍。 发送端只为最小的未被确认的报文段启动一个超时定时器，每收到一个ACK，执行一次复位。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,28,5 TCP的拥塞控制,概述 原因:流进网络的数据量超过了网络的处理能力 信源不能知道网络的实时状态。 信源彼此之间互相不知道对方的行为 流量控制的区别：控制机制相似，但触发的原因与目的不同。 拥塞导致的现象：分组丢失，时延加大，网络吞吐量下降,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,29,拥塞控制技术的分类,端到端的拥塞控制: 没有来自网络的显式拥塞反馈指示 端系统只能通过观测loss, delay等推测拥塞 TCP采用次方案,网络辅助的拥塞控制: 路由器给端系统提供拥塞指示 单比特拥塞指示位 指明发送者应该使用的发送速率 问题: 导致路由器行为复杂化,根据网络层是否为运输层提供显式的拥塞状态信息来分类,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,30,TCP拥塞控制要解决 的3个问题,1）如何限制一个已发生拥塞的连接的发送速率？ 2）TCP发送方如何确定发生了拥塞？ 3）当确定发生了拥塞后，采用什么算法来改变发送速率？,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,31,发送方如何调整发送速率？,接收窗口RcvWin的值由接收方确定，然后通知发送方，它用来防止接收方缓存溢出。但没有提供网络的拥塞状况。 网络的状况，由发送方探测确定，并记为拥塞窗口Cwin。 在任何时候，发送方实际的窗口大小应为CWin和RcvWin中的最小值，即满足： LastByteSent-LastByteAcked=minCWin,RcvWin. 为分析方便，我们忽略RcvWin，则得到发送方的发送速率RCWin/RTT。 显然，在发送方调整CWin，就可以调整发送速率。,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,32,拥塞的确定与控制算法,在TCP发送方，如果超时，或连续受到三个冗余 的ACK，则认为发生分组丢失事件，从而判定拥塞。 TCP的拥塞控制算法： 加性增，乘性减AIMD（additive-increase and multiplicative-decrease) 慢启动（slowstart） 超时反应,2019/6/10,Yang Wu-Jun,xian University of Post and Telecommuniations,33,Cwin在不同阶段的变化方式,慢启动阶段：每经过1个RTT，Cwin加倍。 即每收到一个Ack，执行CwinCwin1。 拥塞避免阶段：在没有发生丢失事件下，每经过1个RTT，Cwin加1。而当发生丢失事件后，则将Cwin减半,2019/6/10,Yang Wu-Jun