计算机网络(第三版)第7章：传输层

1、计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层2本章学习要求本章学习要求： 了解：网络环境中分布式进程通的基本概念。了解：网络环境中分布式进程通的基本概念。 掌握：进程相互作用的掌握：进程相互作用的Client/Server模型。模型。 掌握：传输层的基本功能与服务质量。掌握：传输层的基本功能与服务质量。 掌握：用户数据报协议掌握：用户数据报协议UDP。 掌握：传输控制协议掌握：传输控制协议TCP。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层37.1 传输层与传输层协议传输层与传输层协议通信子网通信子网应用程序进程应用程序进程网络层协议作用范围传输层协议作用范围计算机网络计算机网络

2、 第第7 7章章 传输层传输层4 网络层及以下的各层实现了网络中主机之间的通信，网络层及以下的各层实现了网络中主机之间的通信，但是数据通信不是最终的目的但是数据通信不是最终的目的; 计算机网络最本质的活动是分布在不同地理位置的主计算机网络最本质的活动是分布在不同地理位置的主机之间的进程通信，以实现各种网络服务功能机之间的进程通信，以实现各种网络服务功能; 设置传输层的主要目的就是要实现分布式进程通信。设置传输层的主要目的就是要实现分布式进程通信。 传输层的基本功能传输层的基本功能传输层端-端通信协议数据链路层网络层物理层传输层应用层数据链路层网络层物理层网络层协议数据链路层网络层物理层传输层应

3、用层通通信信子子网网主主机机A A主主机机B B数据链路层协议物理层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层61.网络环境中分布式进程通信需要解决网络环境中分布式进程通信需要解决： 寻址方法寻址方法 多重协议的识别多重协议的识别计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层72.网络环境中进程标识网络环境中进程标识 在一台计算机中，不同的进程用进程号或进程标识在一台计算机中，不同的进程用进程号或进程标识（process ID）惟一地标识出来。）惟一地标识出来。 网络环境中完整的进程标识应该是：网络环境中完整的进程标识应该是： 本地主机地址本地

4、主机地址-本地进程标识本地进程标识 ； 远程主机地址远程主机地址-远程进程标识。远程进程标识。 进程地址也叫做端口号（进程地址也叫做端口号（port number）。）。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层8端口号端口号(port number)简称为端口简称为端口(port) 虽然通信的终点是应用进程，但我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，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，目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作就由剩下的工作就由 传输层来完成。传输层来完成。计

5、算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层9 公认端口（公认端口（Well-Known Ports）：这类端口也常）：这类端口也常称之为称之为“熟知端口熟知端口”。这类端口的端口号从。这类端口的端口号从0到到1023 ，它们紧密绑定于一些特定的服务。，它们紧密绑定于一些特定的服务。 注册端口（注册端口（Registered Ports）：端口号从）：端口号从1023到到49151。它们松散地绑定于一些服务。它们松散地绑定于一些服务 。 动态和动态和/或私有端口或私有端口（Dynamic and/or Private Ports）：端口号从）：端口号从49152到到65535。理论上，不应

6、把常用服务分配在。理论上，不应把常用服务分配在这些端口上。这些端口上。 有称为临时端口。有称为临时端口。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层103.多重协议的识别多重协议的识别 传输层有传输层有TCP协议和协议和UDP协议；协议； 网络环境中一个进程的全网惟一的标识需要一个网络环境中一个进程的全网惟一的标识需要一个三元组来表示：协议，本地地址，本地端口号。三元组来表示：协议，本地地址，本地端口号。TCP15432TCP 15432协议类型协议类型IP地址IP地址端口号端口号计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层11 网络环境中

7、一个完整的进程通信标识需要一个五元组网络环境中一个完整的进程通信标识需要一个五元组来表示：来表示： 协议协议 本地地址本地地址 本地端口号本地端口号 远地地址远地地址 远地端口号远地端口号计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层12传输层协议与其他协议的层次关系传输层协议与其他协议的层次关系.传输层传输层网络层网络层SMTPFTPHTTPDNSSNMP应用层应用层TCPUDPIP.计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层134.4.传输协议数据单元传输协议数据单元 传输层之间传输的报文叫做传输协议数据单元传输层之间传输的报文叫做传输协议数据单元（ Transport Pro

8、tocol Unit，TPDU）；）； TPDU有效载荷是应用层的数据。有效载荷是应用层的数据。 TPDU头部TPDU有效载荷分组头部帧头部分组有效载荷帧有效载荷计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层147.2 用户报文协议用户报文协议UDP7.2.1 UDP协议的主要特点协议的主要特点 UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议；是一种无连接的、不可靠的传输层协议； 在完成进程到进程的通信中提供了有限的差错检验功在完成进程到进程的通信中提供了有限的差错检验功能；能； 设计比较简单的设计比较简单的UDP协议的目的是希望以最小的开销协议的目的是希望以最小的开销来达到网络环境中的进程通信

9、目的；来达到网络环境中的进程通信目的； 进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，那么可以使用那么可以使用UDP协议。协议。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层157.2.2 UDP的基本工作过程的基本工作过程UDP用户数据报传输过程中的封装与拆封用户数据报传输过程中的封装与拆封 进程数据进程数据UDPUDP数据数据进程进程UDPUDP头头IPIP分组的数据部分分组的数据部分IPIP头头帧数据帧数据帧头帧头进程数据进程数据UDPUDP数据数据进程进程UDPUDP头头IPIP分组的数据部分分组的数据部分IPIP头头帧数据帧数据帧

10、头帧头发送端发送端接收端接收端帧尾帧尾帧尾帧尾计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层16UDP 用户数据报的用户数据报的首部格式首部格式 伪首部伪首部源端口源端口目的端口目的端口长长 度度检验和检验和数数 据据首首 部部UDP长度长度源源 IP 地址地址目的目的 IP 地址地址017IP 数据报数据报字节字节44112122222字节字节发送在前发送在前数数 据据首首 部部UDP 用户数据报用户数据报计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层17伪首部伪首部源端口源端口目的端口目的端口长长 度度检验和检验和数数 据据首首 部部UDP长度长度源源 IP 地址地址目的目的 IP

11、 地址地址017IP 分组分组字节字节44112122222字节字节发送在前发送在前数数 据据首首 部部UDP 用户数据报用户数据报用户数据报用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有字段。首部字段有 8 个字节，由个字节，由 4 个字段组成，个字段组成，每个字段都是两个字节。每个字段都是两个字节。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层18伪首部伪首部源端口源端口目的端口目的端口长长 度度检验和检验和数数 据据首首 部部UDP长度长度源源 IP 地址地址目的目的 IP 地址地址017IP 分组分组字节字节44112122222字节字节

12、发送在前发送在前数数 据据首首 部部UDP 用户数据报用户数据报在计算检验和时，临时把在计算检验和时，临时把“伪首部伪首部”和和 UDP 用户数据用户数据报连接在一起。报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和伪首部仅仅是为了计算检验和。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层197.2.3 UDP熟知熟知端口号端口号端端口口号号服服务务进进程程说说明明下载引导程序信息的服务器端口53Name server域名服务67Bootps68Bootpc下载引导程序信息的客户机端口69TFTP简单文件传输协议111RPC远程过程调用123NTP网络时间协议161SNMP简单网络管理协议计算机网

13、络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层207.3.4 UDP数据报格式数据报格式8BUDP头部数据源端口号目的端口号总长度校验和0151631计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层21UDP检验和的检验范围检验和的检验范围： 伪头部伪头部 UDP头头 应用层数据应用层数据 源I P地 址目的I P 地 址00000000协议号（1 7 ）UDP长度源端口号目的端口号校验和UDP总长度数 据（必须进行填充使数据是1 6 位的倍数）UDP头部伪头部01624318UDP用户数据报计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层22计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层

14、237.3 传输控制协议传输控制协议TCP7.3.1 TCP协议的主要特点协议的主要特点 TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议；是一种面向连接的、可靠的传输层协议； TCP协议建立在不可靠的网络层协议建立在不可靠的网络层IP协议之上，协议之上，IP不能提供任何可靠性机制，不能提供任何可靠性机制，TCP的可靠性完的可靠性完全由自己实现；全由自己实现； 提供全双工通信；提供全双工通信； 面向字节流；面向字节流； TCP采用的最基本的可靠性技术是：采用的最基本的可靠性技术是： 确认与超时重传；确认与超时重传； 流量控制。流量控制。7 68H TCP 面向流的概念面向流的概念 发送发送 TCP 报

15、文段报文段发送方发送方接收方接收方把字节写入把字节写入发送缓存发送缓存从接收缓存从接收缓存读取字节读取字节应用进程应用进程应用进程应用进程1230181716151419202145131211H109 H加上加上 TCP 首部首部构成构成 TCP 报文段报文段TCPTCP字节流字节流字节流字节流H表示表示 TCP 报文段的首部报文段的首部x表示序号为表示序号为 x 的数据字节的数据字节TCP 连接连接计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层257.3.2 TCP的端口号分配和的端口号分配和Socket地址地址TCP常用的熟知端口号常用的熟知端口号端口号端口号服务进程服务进程说明说明

16、文件传输协议（控制连接）文件传输协议（控制连接）2020FTPFTP文件传输协议（数据连接）文件传输协议（数据连接）2121FTPFTP2323TelnetTelnet虚拟终端网络虚拟终端网络2525SMTPSMTP简单邮件传输协议简单邮件传输协议8080HTTPHTTP超文本传输协议超文本传输协议111111RPCRPC远程过程调用远程过程调用计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层267.3.3 TCP报文段格式报文段格式TCPTCP头部头部数据数据源端口号源端口号目的端口号目的端口号序号序号头部长度头部长度校验和（校验和（1616位）位）窗口大小窗口大小选项及填充选项及填充确认

17、号确认号保留保留URGURG ACKACK PSHPSH RSTRST SYNSYN FINFIN紧急指针紧急指针0 01515 16163131用三次握手建立 TCP 连接 SYN = 1, seq = xCLOSEDCLOSED主动打开主动打开被动打开被动打开AB客户客户服务器服务器A 的的 TCP 向向 B 发出连接请求报文段，其首部中的发出连接请求报文段，其首部中的同步位同步位 SYN = 1，并选择序号，并选择序号 seq = x，表明传送，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是数据时的第一个数据字节的序号是 x。SYN = 1, seq = xCLOSEDCLOSED主动打开主动打

18、开被动打开被动打开AB客户客户服务器服务器SYN = 1, ACK = 1, seq = y, ack= x 1 B 的的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则收到连接请求报文段后，如同意，则 发回确认。发回确认。 B 在确认报文段中应使在确认报文段中应使 SYN = 1，使，使 ACK = 1， 其确认号其确认号ack = x 1，自己选择的序号，自己选择的序号 seq = y。SYN = 1, seq = xACK = 1, seq = x + 1, ack = y 1CLOSEDCLOSED主动打开主动打开被动打开被动打开AB客户客户服务器服务器SYN = 1, ACK = 1, s

19、eq = y, ack= x 1 A 收到此报文段后向收到此报文段后向 B 给出确认，其给出确认，其 ACK = 1， 确认号确认号 ack = y 1。 A 的的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。通知上层应用进程，连接已经建立。 SYN = 1, seq = xACK = 1, seq = x + 1, ack = y 1CLOSEDCLOSED数据传送数据传送主动打开主动打开被动打开被动打开AB客户客户服务器服务器SYN = 1, ACK = 1, seq = y, ack= x 1 B 的的 TCP 收到主机收到主机 A 的确认后，也通知其上层的确认后，也通知其上层 应用进程：应

20、用进程：TCP 连接已经建立。连接已经建立。SYN-SENTESTAB-LISHEDSYN-RCVDLISTENESTAB-LISHED用三次握手建立 TCP 连接的各状态 SYN = 1, seq = xACK = 1, seq = x + 1, ack = y 1CLOSEDCLOSED数据传送数据传送主动打开主动打开被动打开被动打开AB客户客户服务器服务器SYN = 1, ACK = 1, seq = y, ack= x 1FIN = 1, seq = uCLOSED主动关闭主动关闭数据传送数据传送ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户客户服务器服务器CLOSED TC

21、P 的连接释放的连接释放 数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。 现在现在 A 的应用进程先向其的应用进程先向其 TCP 发出连接释放发出连接释放 报文段，并停止再发送数据，主动关闭报文段，并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接。连接。 A 把连接释放报文段首部的把连接释放报文段首部的 FIN = 1，其序号，其序号 seq = u，等待，等待 B 的确认。的确认。FIN = 1, seq = uACK = 1, seq = v, ack= u 1主动关闭主动关闭数据传送数据传送通知通知应用应用进程进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHED

22、AB客户客户服务器服务器 B 发出确认，确认号发出确认，确认号 ack = u 1， 而这个报文段自己的序号而这个报文段自己的序号 seq = v。 TCP 服务器进程通知高层应用进程。服务器进程通知高层应用进程。 从从 A 到到 B 这个方向的连接就释放了，这个方向的连接就释放了，TCP 连接连接 处于处于半关闭半关闭状态。状态。B 若发送数据，若发送数据，A 仍要接收。仍要接收。FIN = 1, seq = uACK = 1, seq = v, ack= u 1FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack= u 1主动关闭主动关闭被动关闭被动关闭数据传送数据传送通知通知应用

23、应用进程进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户客户服务器服务器数据传送数据传送 若若 B 已经没有要向已经没有要向 A 发送的数据，发送的数据， 其应用进程就通知其应用进程就通知 TCP 释放连接。释放连接。 FIN = 1, seq = uACK = 1, seq = v, ack= u 1FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack= u 1主动关闭主动关闭被动关闭被动关闭数据传送数据传送通知通知应用应用进程进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户客户服务器服务器数据传送数据传送 A 收到连接释放报文段后，必须发出确认。收到连接释放

24、报文段后，必须发出确认。 ACK = 1, seq = u + 1, ack = w 1FIN = 1, seq = uACK = 1, seq = v, ack= u 1FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack= u 1主动关闭主动关闭被动关闭被动关闭数据传送数据传送通知通知应用应用进程进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户客户服务器服务器数据传送数据传送 在确认报文段中在确认报文段中 ACK = 1，确认号，确认号 ack w 1， 自己的序号自己的序号 seq = u + 1。 ACK = 1, seq = u + 1, ack = w 1CLO

25、SEDACK = 1, seq = u + 1, ack = w 1FIN = 1, seq = uACK = 1, seq = v, ack= u 1FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack= u 1FIN-WAIT-1CLOSE-WAITFIN-WAIT-2LAST-ACK等待等待 2MSLTIME-WAIT主动关闭主动关闭被动关闭被动关闭数据传送数据传送通知通知应用应用进程进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户客户服务器服务器数据传送数据传送CLOSED5.9.2 TCP 的连接释放的连接释放 TCP 连接必须经过时间连接必须经过时间 2MSL

26、后才真正释放掉。后才真正释放掉。 A 必须等待必须等待 2MSL 的时间的时间 为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层417.3.5 TCP流量与拥塞控制流量与拥塞控制TCP的数据编码与确认的数据编码与确认 端口应用进程发送缓存TCPTCP报文段报文段报文段端口应用进程接收缓存TCPTCP计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层42收到确认即可前移收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口发送窗口可发送可发送不可发送不可发送指针指

27、针 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。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层43收到确认即可前移收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送可发送不可发送不可发送指针指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口发送窗口可发送可发送

28、不可发送不可发送指指针针发送窗口前移发送窗口前移 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。 已发送已发送并被确认并被确认已发送但已发送但未被确认未被确认计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层441002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送已发送并被确认并被确认已发送但已发送但未被确认未被确认可发送可发送不可发送不可发送指针指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011已

29、发送已发送并被确认并被确认可发送可发送不可不可发送发送指针指针发送窗口前移发送窗口前移发送窗口缩小发送窗口缩小 发送端收到了对方对前发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认，但对字节数据的确认，但对方通知发送端必须把窗口减小到方通知发送端必须把窗口减小到 400 字节。字节。 现在发送端最多还可发送现在发送端最多还可发送 400 字节的数据。字节的数据。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层452. 拥塞避免拥塞避免 发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。 因此，每一个 TCP 连接需要有以下两个状态变量： 接收端窗

30、口 rwnd (receiver window) 又称为通知窗口(advertised window)。 拥塞窗口 cwnd (congestion window)。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层46接收端窗口接收端窗口 rwnd 和和拥塞窗口拥塞窗口 cwnd (1) 接收端窗口 rwnd 这是接收端根据其目前的接收缓存大小所许诺的最新的窗口值，是来自接收端的流量控制。接收端将此窗口值放在 TCP 报文的首部中的窗口字段，传送给发送端。 (2) 拥塞窗口 cwnd (congestion window) 是发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的流量

31、控制。计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层47发送窗口的上限值发送窗口的上限值 发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定：发送窗口的上限值 Min rwnd, cwnd 当 rwnd cwnd 时，是接收端的接收能力限制发送窗口的最大值。 当 cwnd rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层487.3.6 TCP差错控制差错控制差错检测和纠正差错检测和纠正 检验和检验和 确认确认 超时超时 针对的几种情况针对的几种情况 受损伤的报文段受损伤

32、的报文段 丢失的报文段丢失的报文段 重复的报文段重复的报文段 乱序的报文段乱序的报文段 丢失的确认丢失的确认计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层49传输出错报传输出错报文段的处理文段的处理计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层50丢失的报文段丢失的报文段 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层517.3.7 TCP的计时器的计时器重传计时器重传计时器(P303) 为了控制丢失的或丢弃的报文段，为了控制丢失的或丢弃的报文段，TCP使用了处理报使用了处理报文段的确认的等待重传时间的重传计时器。文段的确认的等待重传时间的重传计时器。坚持计时器坚持计时器(P307

33、) TCP为每一个连接使用一个坚持计时器；为每一个连接使用一个坚持计时器； 当发送方的当发送方的TCP收到一个窗口大小为零的确认时，就收到一个窗口大小为零的确认时，就需要启动坚持计时器需要启动坚持计时器; 当坚持计时器期限到时，发送方的当坚持计时器期限到时，发送方的TCP就发送一个特就发送一个特殊的探测报文段。殊的探测报文段。 计算机网络计算机网络 第第7 7章章 传输层传输层52保持计时器保持计时器(P298) 保持计时器是用来防止在两个保持计时器是用来防止在两个TCP之间的连接处以长之间的连接处以长时期空闲。时期空闲。时间等待计时器时间等待计时器(P300) 时间等待计时器是在连接终止期间使用的；时间等待计时器是在连接终止期间使用的； 当当TCP关闭一个连接时，它并不认为这个连接马上就关闭一个连接时，它并不认为这个连接马上就真正地关闭了。在时间等待期间中，连接还处于一种真正地关闭了。在时间等待期间中，连接还处于一种过渡状态；过渡状态； 时间等待计时器的值通常设置为一个报文段的寿命