计算机网络 第8章 传输层

计算机网络（第2版）,第八章,第8章传输层,本章主要内容传输层端口的概念；用户数据报；传输控制协议。,第8章传输层,为什么需要传输层？传输层实现哪些功能？,IP提供的服务终端间传输只对首部进行出错校验尽力而为（类似平信服务）,应用进程的要求进程间通信对数据实现差错控制传输过程实施拥塞控制,端口：标识进程出错检验重传：差错控制拥塞通知流量管制：拥塞控制,第8章传输层,TCP/IP体系结构,8.1传输层端口的概念,IP地址是终端地址，只能惟一标识某个物理终端；但通信对象是进程，而且对于多任务系统，一个物理终端可以同时运行多个进程；因此，必须在IP地址的基础上增加用于标识进程的信息，它们就是端口；IP地址和端口一起(称为插口)唯一标识某个进程。,32位IP地址,16位端口号,48位插口,8.1传输层端口的概念,传输层实体通过端口将TCP报文和应用进程绑定在一起。,8.1传输层端口的概念,8.2用户数据报,本讲主要内容UDP报文格式；UDP用途。,一、UDP报文格式,UDP首部格式,16位，用于标识发送进程。,16位，用于标识接收进程。,16位，以字节为单位给出UDP报文长度。,16位，用于对包括数据的UDP报文进行检错。,UDP报文在IP分组的基础上，增加了源和目的端口号、检验和，因此可以解决发送进程和接收进程的标识问题，包括数据在内的UDP报文传输出错检验问题，但缺乏重传机制和拥塞控制机制。,UDP计算检验和时加上IP首部中一些字段，这些字段被称为伪首部；由于UDP是端到端检错，因此，可以用伪首部实现端到端IP首部关键字段检错。,一、UDP报文格式,二、UDP用途,假定语音信号的采样频率为8000Hz，每一个UDP报文包含32B，则丢失或传输出错一个UDP报文将造成4ms时间的语音信号损失。,接收端在开始播放语音信号时，对丢失或传输出错的UDP报文可以有两种处理方法：跳过。,停止播放，等待发送端再次发送丢失或传输出错的UDP报文。,8.3传输控制协议,本讲主要内容TCP主要特点；TCP报文格式；流量控制过程；序号和窗口字段分析；TCP差错控制机制；TCP拥塞控制机制；TCP连接管理；TCP与RED。,一、TCP的主要特点,面向连接；面向字节流和可靠传输；实施流量控制和拥塞控制。,TCP是一种具有差错控制和拥塞控制功能的传输层协议；为了实现重传，要有出错检验和丢失检测机制；为了实现拥塞控制，必须有拥塞通知机制和流量调节能力。,一、TCP的主要特点,二、TCP报文格式,三、流量控制过程,流量控制保证发送端发送数据速率和接收端处理数据速率匹配；接收端给出基于确认序号的接收窗口AW=RBL（P51）P4)发送端计算出可用窗口AW（P2（P11），可用窗口是在接收端维持AW不变的情况下，发送端可以继续发送的数据的序号范围。,流量控制过程,四、序号和窗口字段分析,为了保证接收端不重复接收数据，要求在TCP报文最大生存时间内，不允许出现序号重复的数据，但对于10Gbps链路，发送完最大序号范围数据的时间（2328）/（10109）=3.44s；同样，一旦往返时延100ms，要求10Gbps链路100%传输效率的窗口值（1010910010-3）/8=125MB可见，在高速链路下，序号和窗口字段长度都已经无法满足要求，TCP用窗口扩大选项和时间戳选项解决这一问题。,TCP分段过程,应用层数据作为字节流,每一字节都被编号，称为序号。,五、TCP差错控制机制,停止等待算法,检错和确认定时重发序号防止重复接收,效率问题！,五、TCP差错控制机制,连续ARQ,允许发送端在接收到确认应答前连续发送多组数据,五、TCP差错控制机制,确认应答过程,五、TCP差错控制机制,差错控制机制的要素是检错、确认应答和重传；发送端保留发送的数据报文，接收端对接收到的数据报文检错，如果没有错误，则发送确认应答，发送端在规定时间内接收不到确认应答，重发数据报文。TCP采用连续ARQ传输机制；TCP用确认序号给出接收端已经成功接收的字节流；错序引发接收端重发确认序号与前一个相同的确认应答；传输时延抖动会引发错序。,什么情况算出错:报文在传输过程中丢失，接收端没有接收到该报文；报文在传输过程中出错，接收端丢弃出错报文。,发送端如何得知报文传输出错，需要重发:接收端没有接收到丢失的报文，当然不发送确认应答；接收端丢弃出错报文，也不发送确认应答。因此，如果发送某个报文后，长时间没有接收到该报文的确认应答，说明该报文传输出错！,五、TCP差错控制机制,偶尔丢失TCP报文，导致接收端一直错序接收TCP报文，因而一直重发确认应答，导致发送端接收多个重复确认应答，当发送端连续接收三个重复确认应答，认为有报文丢失，重传丢失报文。,五、TCP差错控制机制,五、TCP差错控制机制,大量报文丢失，使得接收端无法接收即使是错序的报文，导致发送端无法连续接收三个重复确认应答，使重传定时器溢出。,发送端确定某个TCP报文传输出错，需要重发的依据是：发送端每发送一个TCP报文后，启动重传定时器，如果直到重传定时器溢出，都没有收到确认应答，重发该报文，当然，重传定时器的时间需要大于往返时延；连续收到重复确认应答。,五、TCP差错控制机制,拥塞是指经过某条链路的流量超出链路的传输能力，使得输出队列中等待输出的报文越来越多，以至于发生输出队列溢出，报文丢弃的情况；拥塞主要和信息流模式有关，提高转发结点的性能并不能消除拥塞。,六、TCP拥塞控制机制,流量控制取决于接收端的处理能力和网络状态；接收端的处理能力通过确认应答中的窗口字段告知发送端；如何确定网络发生拥塞？在确定网络发生拥塞的情况下，如何确定流量？,发送端确定网络发生拥塞的依据是网络传输TCP报文过程中发生丢失报文的情况，这和重传条件是相同的，这意味着一旦发生重传，发送端需要调节发送流量。,六、TCP拥塞控制机制,拥塞控制机制在TCP连接刚建立时，发送端通过逐步增大拥塞窗口来探测网络能够承载的流量；当发送端检测到有TCP报文丢失时，立即向下调整拥塞窗口；由于检测到TCP报文丢失的方法有重传定时器溢出和连续接收到多个重复确认应答这两种，而且这两种方法所反映出的TCP报文丢失程度也不同，因此，发送端对应的向下调整拥塞窗口的方法也应不同。,六、TCP拥塞控制机制,发送端一开始发送报文时，如何确定流量，完全按照接收端的窗口值，还是选择更小的流量？对未知的情况，总是摸着石头过河！将流量控制在最小，确认网络没有拥塞后，逐渐加大流量，当然，加大过程或者达到接收端公告的窗口值，或者网络发生拥塞时停止，这种方法就是慢启动。,慢启动,六、TCP拥塞控制机制,慢启动,一开始发送1个TCP报文，收到确认应答后，发送2个报文，依此成倍增大，或达到接收端公告的窗口值，或发生报文丢失。,六、TCP拥塞控制机制,发送端通过重传定时器溢出或者连续接收到3个重复的确认应答检测到报文丢失，以此判定网络发生拥塞，开始流量控制；两种情况下的拥塞程度不同，流量控制的方式也不同；重传定时器溢出表明拥塞严重，返回到慢启动方式，以此减少流量，但指数增加的阈值不是接收端的窗口值，而是检测到拥塞时的流量的一半，接下来进入缓慢增长阶段；连续接收到重复的确认应答，拥塞不是非常严重，进入快速恢复机制，流量减少程度没有慢启动那样激烈。,流量控制,六、TCP拥塞控制机制,快速恢复机制,流量减少到发生拥塞时的一半，然后，每经过往返时延，增加一个TCP报文的流量，直到到达接收端的窗口值或再次发生拥塞。,六、TCP拥塞控制机制,七、TCP连接管理,TCP连接建立过程主要作用：一是使双方就绪。二是协调双方的初始序号。三是协调双方的初始窗口值。,TCP建立连接过程,TCP连接用于双向通信，因此，任何一方一旦完成数据发送，都需启动连接释放过程。发起连接释放过程的一方发送FIN=1的TCP报文，另一方以确认应答作为响应。,TCP释放连接过程,七、TCP连接管理,八、TCP与RED,如果某条链路发生拥塞，转发结点连接该链路的端口的输出队列发生溢出，导致经该链路传输的IP分组丢弃；TCP进程通过检测到IP分组丢弃感知端到端传输链路存在拥塞，通过降低发送速率来减缓、直至消除拥塞；拥塞结点丢弃IP分组是实现TCP拥塞控制的前提。,尾丢弃在输出队列满的情况下丢弃全部后续IP分组；尾丢弃一是丧失了吸收突发性信息流的能力，二是导致流量周期性浪涌。,八、TCP与RED,尾丢弃,LAV=（1）（原LAV）LS01；Ptemp=PMAX（LAVMinTH）/（MaxTHMinTH）；P=Ptemp/（1countPtemp）。,八、TCP与RED,RED,RED在拥塞早期通过丢