讲运输服务和运输协议PPT课件.ppt

1 数据通信与计算机网络 第二版 电子教案 笫二十讲运输服务和运输协议 2 本讲内容 第八章运输层8 1运输服务和服务质量8 1 1运输服务8 1 2服务质量8 2运输协议机制8 2 1寻址8 2 2A型网络服务上的运输协议8 2 3B型网络服务上的运输协议8 2 4C型网络服务上的运输协议 3 运输层 运输层是OSI模型的第四层 它承上启下 是整个网络协议体系的核心 运输层的主要职能是在源计算机到目的计算机之间提供可靠的 经济的数据传送服务 服务是由运输实体 运输服务提供者 来完成的 它使用网络层提供的服务 独立于所使用的物理网络 使用运输服务的实体可以是会话实体 也可以直接是应用实体 运输服务用户 TS用户 4 运输层 运输实体 5 8 1 1运输服务 和网络层相似 运输层也提供两种类型的服务 面向连接的运输服务是一种可靠的服务 整个连接生存期包括连接建立 数据传输和连接释放三个阶段 无连接的运输服务是一种不可靠的 高效的服务 整个服务期间不需要建立连接 为什么还需要运输服务 6 8 1 1运输服务 运输层通过运输服务原语向运输用户提供服务 如Unix的Socket Windows的Winsock 7 8 1 2服务质量 服务质量 QualityofService QoS QoS衡量运输层的总体性能 为满足运输层QoS 运输层需要弥补网络层服务质量的缺陷 如果网络层服务质量比较高 那么运输层实现比较简单 如果网络层服务质量比较低 那么运输层实现比较复杂 8 8 1 2服务质量 服务质量参数连接建立延迟连接建立失败概率吞吐量残留差错率传输延迟保护性优先权回弹率 9 8 1 2服务质量 QoS协商 选项协商 10 8 2运输协议机制 运输协议数据单元 TransportProtocolDataUnit TPDU 11 8 2运输协议机制 根据与用户要求的差错行为有关的质量对网络服务分类 A型网络服务具有可接受的残留差错率和可接受的被告知的差错率的网络连接 也就是完美的网络服务 B型网络服务具有可接受的残留差错率和不可接受的 被告知的差错率的网络连接 即完美的分组递交 但若有故障发生时 网络层则通过相应的网络服务报告该故障的发生 C型网络服务具有不可接受的残留差错率的网络连接 即网络连接不可靠 可能丢失 或有重复 分组 12 8 2 1寻址 运输层寻址 运输服务访问点 TransportServiceAccessPoint TSAP 13 进程之间的通信 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 当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时 只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层 而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能 14 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 15 运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信 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2 AP1 LAN2 WAN AP2 AP3 AP4 IP层 LAN1 AP1 AP2 AP4 54321 IP协议的作用范围 运输层协议TCP和UDP的作用范围 AP3 16 应用进程之间的通信 两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信 应用进程之间的通信又称为端到端的通信 运输层的一个很重要的功能就是复用和分用 应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层 再往下就共用网络层提供的服务 运输层提供应用进程间的逻辑通信 逻辑通信 的意思是 运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据 但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接 17 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 18 运输层的主要功能 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 运输层还要对收到的报文进行差错检测 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 19 两种不同的运输协议 运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节 如网络拓扑 所采用的路由选择协议等 它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道 当运输层采用面向连接的TCP协议时 尽管下面的网络是不可靠的 只提供尽最大努力服务 但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工通信的可靠信道 当运输层采用无连接的UDP协议时 这种逻辑通信信道是一条不可靠信道 20 运输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道 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 21 TCP IP的运输层有两个不同的协议 1 用户数据报协议UDP UserDatagramProtocol 2 传输控制协议TCP TransmissionControlProtocol 运输层的两个主要协议 22 TCP IP体系中的运输层协议 TCP UDP IP 应用层 与各种网络接口 运输层 23 TCP与UDP UDP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 TCP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 24 运输层的端口 运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的 运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系统指派它的进程标识符 这是因为在因特网上使用的计算机的操作系统种类很多 而不同的操作系统又使用不同格式的进程标识符 为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信 就必须用统一的方法对TCP IP体系的应用进程进行标志 25 需要解决的问题 由于进程的创建和撤销都是动态的 发送方几乎无法识别其他机器上的进程 有时我们会改换接收报文的进程 但并不需要通知所有发送方 我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点 而不需要知道实现这个功能的进程 26 端口号 protocolportnumber 简称为端口 port 解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号 protocolportnumber 或通常简称为端口 port 虽然通信的终点是应用进程 但我们可以把端口想象是通信的终点 因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口 剩下的工作 即最后交付目的进程 就由TCP来完成 27 运输层与其上下层之间的关系的OSI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 28 端口就是运输层服务访问点TSAP 端口的作用就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 从这个意义上讲 端口是用来标志应用层的进程 29 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 30 软件端口与硬件端口 在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口 路由器或交换机上的端口是硬件端口 硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口 而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址 31 TCP的端口 端口用一个16位端口号进行标志 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 32 三类端口 服务器端使用的端口号熟知端口号 数值一般为0 1023 登记端口号 数值为1024 49151 为没有熟知端口号的应用程序使用的 使用这个范围的端口号必须在IANA登记 以防止重复 客户使用的端口号 数值为49152 65535 留给客户进程选择暂时使用 当服务器进程收到客户进程的报文时 就知道了客户进程所使用的动态端口号 通信结束后 这个端口号可供其他客户进程以后使用 33 插口 socket 为了通信不发生混乱 就必须把端口号和主机的IP地址结合在一起使用 TCP使用 连接 而不仅仅是 端口 作为最基本的抽象 同时将TCP连接的端点称为插口 socket 或套接字 套接口 插口和端口 IP地址的关系是 34 8 2 1寻址 相对于TSAP 网络层寻址为网络服务访问点 NetworkServiceAccessPoint NSAP TCP IP协议中TSAP即TCP为端口号 portnumber NSAP即IP地址NSAP IP地址 和TSAP TCP端口号 的结合唯一地标识了一个主机上的一个应用进程 寻址例 一个时间服务进程 35 8 2 2A型网络服务上的运输协议 A型网络提供可靠的网络服务 其上的运输协议比较简单 A型网络服务可分为三种情况 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 36 可靠的顺序网络服务可接受任意长的信息百分之百地可靠按顺序传递数据到目的地讨论3个问题复用流量控制连接建立和终止 8 2 2A型网络服务上的运输协议 37 复用运输协议实现对运输服务用户的复用 多个用户使用同一个运输协议 它们通过TSAP加以区分 对于网络服务而言 运输实体也实现复用 多条运输连接复用一条网络连接 一条运输连接可以使用多条网络连接 对应有2种复用向上复用 复用 解复用向下复用 分流 合流 8 2 2A型网络服务上的运输协议 38 8 2 2A型网络服务上的运输协议 2种类型的流量控制层内流控 对等流控 指同一层内的实体之间的流量控制 39 8 2 2A型网络服务上的运输协议 层间流控 指不同层实体之间的流控 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 40 对等流控的目的是为了限制数据 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 运输实体通过缓冲区实现对等流控的几种措施 1 接收运输实体什么都不做 2 用网络服务来完成 3 滑动窗口机制4 信用量方案 8 2 2A型网络服务上的运输协议 41 信用量方案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 对发送窗口 建立连接后 下缘置为0 上缘是对等运输实体给出的信用量 发送一个TPDU后 下缘加1 上缘通过AKTPDU调整 上缘和下缘之间的差即是可发送的TPDU数 当上缘和下缘重合时不能发送TPDU 对接收窗口 初始时下缘置为0 确认后作调整 上缘是对等实体的信用量 上缘和下缘之差表示可接收的TPDU数 发信用量后调整 8 2 2A型网络服务上的运输协议 42 8 2 2A型网络服务上的运输协议 信用量方案例TPDU的确认和流量控制是分开的 43 连接建立 8 2 2A型网络服务上的运输协议 44 连接释放 8 2 2A型网络服务上的运输协议 45 可靠无序网络服务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讨论1个问题 对于这种网络服务 为什么必须使用序号来标明各TPDU之间的关系 流控中的问题连接建立中的问题 8 2 2A型网络服务上的运输协议 46 无序网络服务流控中的问题 8 2 2A型网络服务上的运输协议 47 8 2 2A型网络服务上的运输协议 无序网络服务连接建立中的问题 48 可靠有限长网络服务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 如果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 需要有一个块结束标志EOT 运输实体收到带有EOT的DTTPDU后 把前面收到的没有EOT的DTTPDU顺序拼接在一起交给用户 8 2 2A型网络服务上的运输协议 49 8 2 3B型网络服务上的运输协议 B型网络服务 数据传输可靠 但可能不按顺序 但可能有网络故障 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 序号也是一种处理网络故障的有效手段 网络连接复位网络连接断开 50 8 2 4C型网络服务上的运输协议 C型网络网络服务不可靠 不仅有数据丢失 失序 而且有网络复位 连接断开等 相应的运输实体是最复杂和最困难的 讨论6个问题重传策略重复检测流量控制连接建立连接释放崩溃恢复 51 重传策略需要重传的两种情况TPDU信息被破坏 但能到达目的运输实体 TPDU没有到达目的地 使用确认 超时方法检测是否出现需要重传的情况 接收运输实体确认每个成功的TPDU 使用重传计时器判断超时 8 2 4C型网络服务上的运输协议 52 如何设置合适的重传计时器值 计时器值固定基于观察值运输层部分重要计时器 8 2 4C型网络服务上的运输协议 53 重复检测三种可能产生重复的情况可以用序号来识别重复 但处理起来并不很容易 分两种情况对待 在连接释放前收到重复TPDU 在连接释放后收到重复TPDU 8 2 4C型网络服务上的运输协议 54 对于连接释放前收到重复TPDU 需注意两种情况 可能多个AKTPDU确认同一个DTTPDU 在TPDU生存期内发生序号循环 8 2 4C型网络服务上的运输协议 55 对于连接释放后的重复问题就比较难处理 特别是连接释放后在同一对运输实体之间又建立一条新的连接时更易产生问题 解决办法 序号跨越连接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 把这个序号传送到对等运输实体 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 8 2 4C型网络服务上的运输协议 56 如何解决当系统崩溃时无法知道序号或连接标识符的问题 引入生存期的概念 每个TPDU在