通工专业现代通信网课件

现代通信网2012秋季专业课主讲，86－881663483/9/20231YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations第六章Internet6.1Internet概述6.2协议与互连的原理6.3IP层6.4运输层

6.5应用层6.6IPv63/9/20232YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations第十章Internet的运输层applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicallogicalend-endtransport问题：1)IP层只提供Best－effort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？3/9/20233YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP/UDP报文段格式0816243116位源端口16位目的端口32位序列号32位确认号URGACKPSHRSTSYNFIN首部长度保留(6位)16位窗口大小16位TCP校验和16位紧急指针选项数据0816243116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3/9/20235YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations1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3/9/20236YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP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3/9/20237YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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3/9/20239YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations3TCP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）】3/9/202310YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsSocket的概念进程进程InternetOS控制程序员控制TCP层SocketBSocketA3/9/202311YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCPF

T

PT

E

L

N

E

TD

N

SS

N

M

PT

F

T

PS

M

T

PUDP2123255369161520TCP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-knownport,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3/9/202313YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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SNSYN-ACK:确认SN+1第二个SYN可以和第一个ACK合并SYN:SN＝xACK:AN＝x+1SYN:SN＝yACK:AN＝y+1ClientServer3/9/202314YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations连接的释放过程每一方独立发起释放过程发送FIN消息“I’mnotgoingtosendanymoredata”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ABFIN,SN＝aACK,AN=a+1ACK,DataACK,AN=B+1FIN,SN=B3/9/202315YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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0～i－1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。131415161718192021222324已发送且证实的已发送未证实的目前可发送的TCP窗口WSendBaseNextSeq3/9/202317YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsacknowledgedsent可以发送的超出window的SourcePortDest.PortSequenceNumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD.ChecksumUrgentPointerOptions…SourcePortDest.PortSequenceNumberAcknowledgmentHL/FlagsWindowD.ChecksumUrgentPointerOptions...PacketSentPacketReceivedTCP发送侧：流量控制参数3/9/202318YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP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AN＝i，W＝j，它的含义是：序号0～i-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W＝j，合法的窗口内的序号为i~j-1。3/9/202319YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP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≧(RTT×R)/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？3/9/202321YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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－а）×估计RTT＋а×样本RTT

其中，在【RFC2988】а的参考值а＝0.125。

含义是，使RTT对短暂的时延变化不敏感。3/9/202322YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations结论：TCP的窗口值在发送一侧，TCP的窗口W＝min{Cwin,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＝min{Cwin,RcvWin}/RTT3/9/202323YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsRTO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RTT＋4×DevRTT（偏差）

DevRTT＝（1－ß）×DevRTT＋ß×|当前RTT估值－RTT均值）

ß推荐值＝0.25.3/9/202325YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP:重传示例HostASeq=100,20bytesdataACK=100timeprematuretimeoutHostBSeq=92,8bytesdataACK=120Seq=92,8bytesdataSeq=92timeoutACK=120HostASeq=92,8bytesdataACK=100losstimeoutlostACKscenarioHostBXSeq=92,8bytesdataACK=100timeSeq=92timeoutSendBase=100SendBase=120SendBase=120Sendbase=1003/9/202326YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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3/9/202329YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsTCP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？3/9/202330YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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<=min{CWin,RcvWin}.为分析方便，我们忽略RcvWin，则得到发送方的发送速率R＝CWin/RTT。显然，在发送方调整CWin，就可以调整发送速率。3/9/202331YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations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-increaseandmultiplicative-decrease)慢启动（slow－start）超时反应3/9/202332YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniationsCwin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Cwin＝Cwin＋1。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

3/9/202333YangWu-Jun,xi'anUniversityofPostandTelecommuniations慢启动的详解当可用带宽远大于Cwin/RTT时，线性增长速率的方式太慢。慢启动的思想是：TCP连接建立后，从一个较慢的速率开始，但以指数方式增加发送速率，直到达到慢启动门限SSTH。HostAonesegmentRTTHostB