计算机网络：第七章 运输层

Contents:

7.1运输层协议概述

7.2TCP/IP体系中的运输层

7.3

用户数据报协议

UDP7.4

传输控制协议TCP第七章运输层7.1

运输层协议概述一、运输层的地位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。运输层只存在于通信子网以外的主机中，在通信子网中没有运输层。面向信息处理面向通信用户功能网络功能物理层网络层运输层应用层数据链路层二、运输层的作用运输层监督数据从一个设备应用程序传输到另一设备应用程序。运输层担当上层协议(会话\表示\应用层)和下层协议中所提供服务之间联络工作。运输层向高层用户屏蔽下面通信子网细节，保证数据可靠地端到端的传输。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。通信的两个端点是源主机和目的主机中的应用进程，应用进程之间的通信又称为端到端的通信。IP协议虽然能把分组送到目的主机，但是此分组还停留在主机网络层而没有交付给主机中应用进程。在一个主机中经常有多个应用进程同时分别和另一个主机中的多个应用进程进行通信。“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。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2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP协议的作用范围运输层协议TCP和UDP的作用范围AP3三、运输层与网络层的比较运输层为应用进程之间提供逻辑通信，但网络层是为主机之间提供逻辑通信。

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）因特网运输层协议和网络层协议的主要区别运输层对收到的报文进行差错检测。而在网络层，IP数据报首部中的校验和字段，只校验首部是否出现差错而不检查数据部分。

运输层根据应用不同需要两种不同传输层协议：TCP和UDP，而网络层无法同时实现这两种协议。四、运输层与数据链路层的比较传输层与数据链路层提供服务区别：数据链路层功能应用于单个网络，而传输层功能应用跨越许多网络的互连网上。数据链路层只控制物理层，而传输层控制下三层。差错控制的机制是基于差错检测和重传的。数据链路层功能只做每条链路节点和节点之间的差错控制。传输层必须自己进行端到端的差错检测。五、运输层与其上下层之间的关系运输层向应用层提供运输服务的是运输实体。使用运输服务的是运输服务用户（也就是应用层中的各种应用进程，或应用层实体，而不是使用计算机的最终用户）。运输层中两个对等运输实体之间通信遵循运输协议。运输协议保证了运输层能够向应用层提供运输服务。

运输层提供的运输服务也使用了下面网络层向上提供的网络服务。

TSAP和NSAP分别为运输层服务访问点和网络层服务访问点，都是层与层之间交换信息的抽象接口。运输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，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，这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。当运输层采用无连接的UDP协议时，这种逻辑通信信道则是一条不可靠信道。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

发送进程数据传输无差错，按序，无丢失，无重复不保证交付，接收时可能不按序或出现丢失和重复7.2

TCP/IP体系中的运输层一、运输层中的两个协议TCP/IP的运输层有两个不同的协议：UDP和TCP在TCP/IP体系中，根据所使用的协议是TCP或UDP，两个对等运输实体在通信时传送的数据单位分别称为TCP报文段或UDP报文段或用户数据报。TCPUDPIP应用层与各种网络接口TCP/IP体系中的运输层协议

协议说明：

UDP和TCP都使用IP协议。也就是说，这两个协议在发送数据时，其协议数据单元PDU都作为下面IP数据报中的数据。在接收数据时，IP数据报将IP首部去掉后，根据上层使用的是什么运输协议，把数据部分交给上层的UDP或TCP。

UDP提供面向无连接的服务。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。

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。二、端口的概念

UDP和TCP都使用了与应用层接口处的端口(port)与上层的应用进程进行通信。应用层的各种进程是通过相应端口与运输实体进行交互。因此在运输协议数据单元（TCP报文段或UDP用户数据报）的首部中都要写入源端口号和目的端口号。

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进程都能将其数据通过相应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数据向上通过端口交付给应用层的相应进程。若没有端口，运输层就无法知道数据应当交付给应用层的哪一个进程。

从这个意义上说，端口是用来标志应用层的进程。在运输层与网络层的交互中已看不见各种应用进程，而看见的只有TCP报文段或UDP用户数据报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IP数据报IP数据报发送方接收方1、端口定义与熟知端口端口定义：是在运输层与应用层的接口上所设置，是用一个16bit的端口号来标识。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。端口分类：一类是熟知端口，是专门分配给一些最常用的应用层程序，数值为0~1023。“熟知”表示这些端口号是TCP/IP体系确定公布的，所有用户进程都知道。在应用层中的各种不同服务器进程不断检测分配给它们的熟知端口，以便发现是否有某个客户进程要和它通信。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。注意：端口号只具有本地意义,只是为了标志本计算机应用层中的各进程。一般可允许有64K(216)个端口号。在因特网不同计算机中相同的端口号没有联系。协议端口号关键字描述UDP42NAMESERVER主机名字服务器UDP53DOMAIN域名服务器UDP67BOOTPClient客户端启动协议服务UDP68BOOTPServer服务器端启动协议服务UDP69TFTP简单文件传输协议UDP111RPC微系统公司RPCTCP20FTPData文件传输服务器（数据连接）TCP21FTPControl文件传输服务器（控制连接）TCP23Telnet远程终端服务器TCP25SMTP简单邮件传输协议TCP80HTTP超文本传输协议与主机C的SMTP建立三个连接

SMTP使用面向连接的TCP。为了找到目的主机C中的SMTP，使用目的主机端口，号码为25。源主机也要为自己的每个进程独立分配端口号码。为了在通信时不致发生混乱，必须把端口号码和IP地址结合在一起使用。插口（socket），又称为套接字，包括IP地址（32bit）和端口号码（16bit），共48bit。一个TCP连接是由两个插口来标识的。

在整个internet中，在传输层通信的一对插口必须是唯一的。一个TCP连接由它的两个端点来标志，而每一个端点又是由IP地址和端口号决定的。因此，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：IP地址3端口号1500

3,1500插口(socket)7.3

用户数据报协议UDP

UDP只在IP数据报服务之上增加了一些功能，即端口功能和差错检测功能。

UDP虽提供不可靠服务，但有其特殊优点：发送数据之间不建立连接，减少开销和发送数据之前的时延。UDP不使用拥塞控制，不保证可靠交付，因此主机不需维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机发送速率降低。这对某些实时应用很重要。如IP电话，实时视频会议等。UDP只有8字节首部开销，比TCP20字节首部少。注意：在传输层上使用TCP或UDP时，通信时的服务器端和客户端所使用的端口号是不一样的。在服务器端，服务器进程一直运行着，等待客户进程的服务请求。服务器的端口使用熟知端口号。在客户端，当进程启动时，就请求一个临时端口号。如：简单文件传送协议TFTP。其服务器端的熟知端口号是69，客户端可分配一个临时端口号51000，而这个临时端口号不是唯一的。

UDP与应用层之间的端口都是用报文队列来实现.

在服务器端，服务器进程一直在运行着，等待客户进程的服务请求，因此，服务器端口必须使用熟知端口号。

在客户端，当进程启动时，就向操作系统请求一个临时的一般端口号，然后操作系统就为该进程创建两个队列：入队列和出队列。只要进程在执行，此两个队列就一直存在。当进程终止时，入队列和出队列以及临时端口号就一起被撤消。UDP端口51000UDP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端口是用报文队列来实现

UDP为面向无连接的。它仅在IP数据报服务之上增加了端口功能。UDP使用端口号为不同的应用进程保留各自数据传输通道。用户数据报UDP的构成：UDP包括两个字段：首字段和数据字段。首字段8个字节，由4个字段组成，每个字段都是2个字节。源端口地址：源端口号码。目标端口地址：目标端口号码。长度字段：UDP用户数据报长度。校验和：使用在差错控制中的16bit域。

UDP用户数据报首部中校验和的计算方法特殊性：在计算机校验和时，要在UDP用户数据报之前增加12个字节的伪首部。“伪首部”并不是UDP用户数据报真正的首部，只是在计算校验和时，临时和UDP用户数据报连接在一起，得到一个过渡的UDP用户数据报。伪首部既不向下传送也不向上递交，仅仅是为了计算校验和。

UDP的校验和是将首部和数据部分一起都校验了，而IP数据报的校验和只校验IP数据报的首部。在端到端传输过程中，UDP不提供任何顺序或重新排序功能。它仅包含一校验和，报告有错误发生，但不能指出损坏的包。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017IP数据报字节44112122222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。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017IP数据报字节44112122222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。检验方法和IP数据报首部检验方法一样。7.4

传输控制协议TCP

TCP特点：TCP提供面向连接的流传输面向连接：在数据传输之前，首先在信源与信宿之间建立一条连接；传输的每一个报文都需要接收端确认，未确认报文认为是出错报文。流传输：无报文丢失、重复、乱序的正确数据报文序列；TCP协议实现流传输的开销很大。

TCP在端到端传输数据前必须在发送端应用进程和接收端应用进程之间建立连接。不同的应用进程通信对应不同的连接建立。建立的连接在整个传输过程中有效。一、

TCP报文段一个TCP报文共分为首部和数据两个部分,首部的前20个字节是固定的，后面有4N字节是可有可无选项（N为整数）。因此TCP首部的最小长度是20字节。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充

源端口和目的端口

——各占16bit。分别定义了源计算机和目的计算机上的应用程序，为源端和目的端SAP。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充序号

——占32bit。是本报文段所发送的数据部分第一个字节的序号。TCP传送报文为连续数据流，所传送的连续数据流中每一个字节都编一个序号。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充确认号

——占32bit。定义了接收方希望接收的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充数据偏移

——占4bit。指出数据起始处离TCP报文段的起始处有多远。这实际上就是TCP报文段首部的长度。首部长度不固定。

保留——占6bit，为今后使用，目前置0。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充

窗口字段

——占2字节。用来控制对方发送的数据量。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，由接收端接收能力大小控制发送端数据发送量。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充

检验和

——16bit，检验的范围也包括首部和数据两部分，即检验整个TCP报文段。

同UDP数据报一样，在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上伪首部。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充

紧急指针

——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。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FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充

选项字段

——长度可变。TCP只规定了一种选项，即TCP报文段长度最大数据长度MSS。默认值是536字节长。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FINSYNRSTPSHACKURG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。紧急比特确认比特推送比特复位比特同步比特终止比特

紧急比特URG：当URG=1时，紧急指针才有效，发送应用进程告诉发送TCP所发送报文是紧急数据，要按最高优先级处理，而不是按排队顺序传送。紧急指针指出紧急数据有多少个字节，紧急数据到达接收端后，当所有紧急数据处理完毕后，TCP告诉应用程序恢复到正常操作。注意，即使窗口为零时，也可发送紧急数据。

终止比特FIN：当FIN=1时，表明此报文段发送端数据发送完毕，要求释放运输连接。

确认比特ACK和同步比特SYN当ACK=1和SYN=0时，确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。当ACK=0和SYN=1时，表明为连接请求报文段。当ACK=1和SYN=1时，表明为连接接受报文段。

复位比特RST当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

推送比特PSH当PSH=1时，发送端立即创建一个报文段发送出去，接收TCP受到PSH=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。PSH比特也称为急迫比特。应用情况：当两个应用进程进行交互通信，有时一端应用进程希望在键入一个命令后立即能够收到对方响应，在此情况下，TCP可使用推送（PUSH）操作，即将PSH=1。二、

TCP的数据编号与确认1.编号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。

2.缓冲处理接收端发出确认报文前，一般让接收端等待一段时间，使得或者缓冲区已能有足够空间容纳一个最长报文段，或者缓冲区已有一般空间处于空的状态时，才发出确认报文，并向发送端通知当前窗口大小。此外，发送端也不要发送太小报文段，而是将数据积累足够大的报文段，或达到接收缓冲区一半空间大小时才真正发送。3.重发与丢弃若发送方在规定设置时间内没有收到确认，就要将未确认的报文段重新发送。接收方收到有差错报文段，则丢弃该报文段（不发送否认信息）。若收到重复正确报文段，也要丢弃，但要发回确认信息。这与数据链路层相似。三、

TCP的流量控制—滑动窗口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)。这采用“接收端控制发送端”。收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针发送端要发送900字节长的数据，100字节长为一个报文段，共划分为9个报文段，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。收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针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。已发送并被确认已发送但未被确认1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认已发送但未被确认可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认可发送不可发送指针发送窗口前移发送窗口缩小发送端收到了对方对前400字节数据的确认，但对方通知发送端必须把窗口减小到400字节。现在发送端最多还可发送400字节的数据。利用可变窗口大小进行流量控制

双方确定的窗口值是400字节SEQ=1SEQ=201SEQ=401SEQ=301SEQ=101SEQ=501ACK=201,WIN=300ACK=601,WIN=0ACK=501,WIN=200主机A主机B允许A再发送300字节（序号201至500）A还能发送200字节A还能发送200字节（序号301至500）A还能发送300字节A还能发送100字节（序号401至500）A超时重发，但不能发送序号500以后的数据允许A再发送200字节（序号501至700）A还能发送200字节（序号501至700）不允许A再发送（到序号600的数据都已收到）SEQ=201丢失！

TCP的滑动窗口大小的控制要考虑到两方面：

通知窗口：接收方根据自己的接收能力而确定的接收窗口的大小。拥塞窗口：来自发送方的流量控制。发送方根据目前网络的使用情况而得出的窗口值。当中最小的一个最为适宜，即：发送窗口=Min[通知窗口，拥塞窗口]

注意：

TCP流量控制通过使用滑动窗口协议。数据链路层的滑动窗口是固定大小的，是作用在单条链路的。传输层的滑动窗口是可变窗口大小和使用动态缓冲分配。四、

TCP的运输连接管理

TCP的运输连接是用来传送TCP报文的。TCP的运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。

TCP的运输连接有三个阶段：连接建立；数据传送和连接释放。

TCP的连接建立和释放都是采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户Client。被动等待连接建立的应用进程叫做服务器Server。1、连接建立

定义：在通信设备向对方发送数据前，开始通信设备必须先决定交换数据的对方是否存在，同时必须找到一条经过网络路径，数据才能沿该路径传送。此步骤称为连接建立。

过程：连接建立需要三个动作，称为三向握手。源端机发送一个带有本次连接序号的请求。目的主机如果同意连接，则发回一个带有本次连接序号和源端机连接序号的确认。源端机收到含有两次初始序号的应答后，再向目的主机发送一个带有两次连接序号的确认。用三次握手建立TCP连接ACK=0，SYN=1,SEQ=x主机B服务器进程SYN=1,ACK=1,SEQ=y,ACK=x

1ACK=1,SEQ=x+1,ACK=y

1被动打开主动打开确认确认主机A客户进程连接请求确认号字段确认比特设主机B运行一个服务器进程；主机A运行一个客户进程。主机A的TCP向主机B的TCP发出连接请求报文段，其首部中同步比特SYN=1，ACK=0。同时选择一个数据序号x。主机B的TCP收到连接请求报文段，同意则发回确认，在连接确认报文段中SYN=1，ACK=1，确认号应为x+1，同时为自己选择一个数据序号y。

主机A的TCP收到B的确认后，返回B确认，在确认报文段中SYN=0，ACK=1，确认号应为y+1，而自己的数据序号x+1。建立TCP

连接2、数据传输在三次握手后，TCP连接建立。运行客户进程的主机A的TCP通知上层应用进程，连接已经建立。运行服务器进程的主机B的TCP收到主机A确认后，也通知其上层应用进程，连接已经建立。主机A向B发送第一个数据报文段，序号为x+1，因为前一个确认报文段不消耗序号。

TCP标准规定，SYN=1的报文段消耗一个序号。用三次握手建立TCP连接ACK=0，

SYN,SEQ=x主机B服务器进程SYN,ACK,SEQ=y,ACK=x

1SEQ=x+1被动打开主动打开确认确认主机A客户进程连接请求ACK,SYN

=0,

SEQ=x+1,ACK=y

1数据传输TCP标准规定，SYN=1的报文段消耗一个序号。3、连接终止数据传输终止后，发出释放连