CH7 网络互连ppt课件

课件制作人：谢希仁,计算机网络,第7章运输层,1,课件制作人：谢希仁,7.1运输层协议概述,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,2,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,端口,端口,54321,IP协议的作用范围,运输层协议TCP和UDP的作用范围,AP3,3,课件制作人：谢希仁,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。,4,课件制作人：谢希仁,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,5,课件制作人：谢希仁,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。,6,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,7,课件制作人：谢希仁,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),7.2TCP/IP体系中的运输层7.2.1运输层中的两个协议,8,课件制作人：谢希仁,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(TransportProtocolDataUnit)。TCP传送的数据单位协议是TCP报文段(segment)UDP传送的数据单位协议是UDP报文或用户数据报。,TCP与UDP,9,课件制作人：谢希仁,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,10,课件制作人：谢希仁,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。,11,课件制作人：谢希仁,还要强调两点,运输层的UDP用户数据报与网际层的IP数据报有很大区别。IP数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发，但UDP用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。TCP报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送，这种信道是可靠的全双工信道。但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器，而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了TCP连接。,12,课件制作人：谢希仁,7.2.2端口的概念,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。,13,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,14,课件制作人：谢希仁,端口,端口用一个16bit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。,15,课件制作人：谢希仁,两类端口,一类是熟知端口，其数值一般为01023。当一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个熟知端口。另一类则是一般端口，用来随时分配给请求通信的客户进程。,16,课件制作人：谢希仁,常用的熟知端口号,17,课件制作人：谢希仁,插口(socket),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：,18,课件制作人：谢希仁,与主机C的SMTP建立的三个连接,连接1的一对socket是(1,500)和(30,25)连接2的一对socket是(1,501)和(30,25)连接3的一对socket是(7,500)和(30,25),（1）主机A要使用简单邮件传输协议SMTP与主机C通信。SMTP使用面向连接的TCP。为了找到目的主机中的SMTP,主机A与主机C建立的连接中，要使用目的主机中的熟知端口号，为25。主机A也要给自己的进程分配端口号，设分配的端口号为500。这是主机A和主机C建立的第一个连接。,（2）主机A中的另一个进程也要和主机C中的SMTP建立连接。目的端口号仍为25,但其端口号不能与上一个的连接重复。设主机A分配的这个源端口为501。这是主机A和主机C建立的第二个连接。,（3）设主机B现在也要和主机C的SMTP建立连接。主机B选择源端口号为500,目的端口号为25。这是和主机C建立的第三个连接。为了使通信时不致发生混乱，就必须把端口号和主机的IP地址结合在一起使用。,19,课件制作人：谢希仁,7.3用户数据报协议UDP7.3.1UDP概述,UDP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。虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的优点。发送数据之前不需要建立连接UDP的主机不需要维持复杂的连接状态表。UDP用户数据报只有8个字节的首部开销。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。,20,课件制作人：谢希仁,UDP端口示例,UDP端口51000,UDP端口69,出队列,入队列,出队列,入队列,TFTP服务器,TFTP客户,UDP用户数据报,应用层,运输层,21,课件制作人：谢希仁,7.3.2UDP用户数据报的首部格式,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,0,17,IP数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数据,首部,UDP用户数据报,22,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,0,17,IP数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,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。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。,23,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,0,17,IP数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,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。,24,计算UDP检验和的例子,1001100100010011153.1900001000011010008.1041010101100000011171.3000011100000101114.1100000000000100010和170000000000001111150000010000111111108700000000000011011300000000000011111500000000000000000（检验和）0101010001000101数据0101001101010100数据0100100101001110数据0100011100000000数据和0（填充）1001011011101101求和得出的结果0110100100010010检验和,04,1,12字节伪首部,8字节UDP首部,7字节数据,按二进制反码运算求和将得出的结果求反码,全0171510871315全0数据数据数据数据数据数据数据全0,请注意：进行反码运算求和时，最高位有进位2，这个2应当加到最低位。,25,课件制作人：谢希仁,7.4传输控制协议TCP7.4.1TCP概述,端口,发送TCP报文段,TCP,TCP,接收缓存,发送缓存,报文段,报文段,报文段,端口,发送端,接收端,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,26,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,FIN,32bit,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,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,27,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,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。,28,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,序号字段占4字节。TCP连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。,29,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,确认号字段占4字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。,30,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,数据偏移占4bit，它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是32bit字（4字节为计算单位）。,31,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,保留字段占6bit，保留为今后使用，但目前应置为0。,32,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,紧急比特URG当URG1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。,33,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,确认比特ACK只有当ACK1时确认号字段才有效。当ACK0时，确认号无效。,34,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,推送比特PSH(PuSH)接收TCP收到推送比特置1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。,35,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,复位比特RST(ReSeT)当RST1时，表明TCP连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。,36,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,同步比特SYN同步比特SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。,37,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,终止比特FIN(FINal)用来释放一个连接。当FIN1时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。,38,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,窗口字段占2字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。,39,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,检验和占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。,40,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,紧急指针字段占16bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。,41,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,选项字段长度可变。TCP只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS(MaximumSegmentSize)。MSS告诉对方TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节。”,MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。,42,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,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特08162431,填充,填充字段这是为了使整个首部长度是4字节的整数倍。,43,课件制作人：谢希仁,7.4.3TCP的数据编号与确认,TCP协议是面向字节的。TCP将所要传送的报文看成是字节组成的数据流，并使每一个字节对应于一个序号。在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号。TCP的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认。接收端返回的确认号是已收到的数据的最高序号加1。因此确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号。,44,课件制作人：谢希仁,发送缓冲区达到MSS字节应用程序指明要求发达报文段（PUSH）发送端使用一个计时器，时间到了便把报文发出去。但在某些具体情况下，问题仍很复杂。,如何控制TCP发送报文段的时机,45,课件制作人：谢希仁,如何控制TCP发送报文段的时机,糊涂窗口综合症糊涂窗口综合症产生的条件是：当发送应用程序产生数据很慢，或者接收应用程序吸收数据很慢，或者两者都有。因此发送方和接收方都可能产生这种症状。不管是上述情况中的哪一种，都使得发送数据的报文段很小，这就引起操作效率的降低。例如，若TCP发送的报文段只包括一个字节的数据，则意味着我们发送41字节的数据报（20字节的TCP首部和20字节的IP首部）才传送1字节的数据。数据的传送效率是1/41，它表示我们非常低效率地使用网络的容量。,46,课件制作人：谢希仁,发送端产生的症状如果发送端为产生数据很慢的应用程序服务，例如，一次产生一个字节。这个应用程序一次将一个字节的数据写入发送端的TCP的缓存。如果发送端的TCP没有特定的指令，它就产生只包括一个字节数据的报文段。结果有很多41字节的IP数据报就在互连网中传来传去。解决的方法是防止发送端的TCP逐个字节地发送数据。必须强迫发送端的TCP收集数据，然后用一个更大的数据块来发送。发送端的TCP要等待多长时间呢？如果它等待过长，它就会使整个的过程产生较长的时延。如果它的等待时间不够长，它就可能发送较小的报文段。Nagle找到了一个很好的解决方法。,47,课件制作人：谢希仁,Nagle算法Nagle算法非常简单，但它能解决问题。这个算法是为发送端的TCP用的：1.发送端的TCP将它从发送应用程序收到的第一块数据发送出去，哪怕只有一个字节。2.在发送第一个报文段（即报文段1）以后，发送端的TCP就在输出缓存中积累数据，并等待：或者接收端的TCP发送出一个确认，或者数据已积累到可以装成一个最大的报文段。在这个时候，发送端的TCP就可以发送这个报文段。3.对剩下的传输，重复步骤2。这就是：如果收到了对报文段x的确认，或者数据已积累到可以装成一个最大的报文段，那么就发送下一个报文段(x+1)。,48,课件制作人：谢希仁,Nagle算法的优点就是简单，并且它考虑到应用程序产生数据的速率，以及网络运输数据的速率。若应用程序比网络更快，则报文段就更大（最大报文段）。若应用程序比网络慢，则报文段就较小（小于最大报文段）。,49,课件制作人：谢希仁,接收端产生的症状接收端的TCP可能产生糊涂窗口综合症，如果它为消耗数据很慢的应用程序服务，例如，一次消耗一个字节。假定接收端的TCP的输入缓存为4000字节。发送端先发送第一个4000字节的数据。接收端将它存储在其缓存中。现在缓存满了。它通知窗口大小为零，这表示发送端必须停止发送数据。接收应用程序从接收端的TCP的输入缓存中读取第一个字节的数据。在入缓存中现在有了1字节的空间。接收端的TCP宣布其窗口大小为1字节，这表示正渴望等待发送数据的发送端的TCP会把这个宣布当作一个好消息，并发送只包括一个字节数据的报文段。这样的过程一直继续下去。一个字节的数据被消耗掉，然后发送只包含一个字节数据的报文段。这又是一个效率问题和糊涂窗口综合症（见下图）。,50,课件制作人：谢希仁,51,课件制作人：谢希仁,对于这种糊涂窗口综合症，即应用程序消耗数据比到达的慢，有两种建议的解决方法。Clark解决方法:Clark解决方法是只要有数据到达就发送确认，但宣布的窗口大小为零，直到或者缓存空间已能放入具有最大长度的报文段，或者缓存空间的一半已经空了。延迟的确认:第二个解决方法是延迟一段时间后再发送确认。这表示当一个报文段到达时并不立即发送确认。接收端在确认收到的报文段之前一直等待，直到入缓存有足够的空间为止。延迟的确认防止了发送端的TCP滑动其窗口。当发送端的TCP发送完其数据后，它就停下来了。这样就防止了这种症状。,52,课件制作人：谢希仁,迟延的确认还有另一个优点：它减少了通信量。接收端不需要确认每一个报文段。但它也有一个缺点，就是迟延的确认有可能迫使发送端重传其未被确认的报文段。可以用协议来平衡这个优点和缺点，例如现在定义了确认的延迟不能超过500毫秒。,53,课件制作人：谢希仁,7.4.4TCP的流量控制与拥塞控制1.滑动窗口的概念,TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)。,54,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,可发送,不可发送,发送端要发送900字节长的数据，划分为9个100字节长的报文段，而发送窗口确定为500字节。发送端只要收到了对方的确认，发送窗口就可前移。发送TCP要维护一个指针。每发送一个报文段，指针就向前移动一个报文段的距离。,55,收到确认即可前移,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可发送,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,发送窗口,可发送,不可发送,发送窗口前移,发送端已发送了400字节的数据，但只收到对前200字节数据的确认，同时窗口大小不变。现在发送端还可发送300字节。,56,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,已发送并被确认,已发送但未被确认,可发送,不可发送,指针,100,200,300,400,500,600,700,800,900,101,201,301,401,501,601,701,801,1,不可发送,