《计算机网络技》 课件 第6章 传输层与端到端通信

第6章传输层与端到端通信理解端口、TCP可靠传输、UDP轻量传输和TLS安全会话。传输层概述→传输控制协议（TCP）→用户数据报协议（UDP）→端口与会话管理→传输层安全协议→TCP/IP模型中的传输层→Netstat与Wireshark实验第6章传输层与端到端通信02学习路径沿7个问题建立本章完整认知理解端口、TCP可靠传输、UDP轻量传输和TLS安全会话。01传输层概述02传输控制协议（TCP）03用户数据报协议（UDP）04端口与会话管理05传输层安全协议06TCP/IP模型中的传输层07Netstat与Wireshark实验学习闭环：理解概念→推演机制→应用场景→证据验证第6章传输层与端到端通信036.1传输层概述为什么只有IP地址，操作系统仍无法把数据交给正确应用？核心功能→端到端→服务模式→端口标识16.1传输层概述046.1核心结构传输层以端口区分应用，为进程提供端到端通信。先读中心结论，再看核心功能与端到端传输层概述四个知识点共同说明本节核心结论核心功能复用分用、分段重组、连接和流量控制端到端逻辑通信发生在源主机与目标主机进程之间服务模式面向连接可靠服务与无连接尽力服务端口标识IP定位主机，端口定位主机内应用6.1传输层概述056.1关键机制核心功能与端到端：两者如何配合先理解核心功能，再联系端到端核心功能复用分用、分段重组、连接和流量控制核心功能提示先理解核心功能：复用分用、分段重组、连接和流量控制端到端逻辑通信发生在源主机与目标主机进程之间端到端提示端到端联系核心功能：逻辑通信发生在源主机与目标主机进程之间6.1传输层概述066.1关键机制核心功能与端到端：两者如何配合先理解核心功能，再联系端到端服务模式面向连接可靠服务与无连接尽力服务服务模式提示先理解服务模式：面向连接可靠服务与无连接尽力服务端口标识IP定位主机，端口定位主机内应用端口标识提示端口标识联系服务模式：IP定位主机，端口定位主机内应用6.1传输层概述076.1场景应用说明同一台服务器如何同时提供Web、DNS和FTP服务。本页案例：说明同一台服务器如何同时提供Web、DNS和FTP服务1核心功能复用分用、分段重组、连接和流量控制2端到端逻辑通信发生在源主机与目标主机进程之间3服务模式面向连接可靠服务与无连接尽力服务4端口标识IP定位主机，端口定位主机内应用案例说明：说明同一台服务器如何同时提供Web、DNS和FTP服务6.1传输层概述08课堂检验为什么只有IP地址，操作系统仍无法把数据交给正确应用？核心功能复用分用、分段重组、连接和流量控制端到端逻辑通信发生在源主机与目标主机进程之间参考解答IP地址只能定位主机，端口号才能把数据交给主机上的具体应用进程教材结论：传输层以端口区分应用，为进程提供端到端通信6.1传输层概述096.2传输控制协议（TCP）TCP三次握手为什么不能简单压缩为两次？核心特性→报文段结构→连接管理→可靠机制26.2传输控制协议（TCP）106.2核心结构TCP用连接、序号、确认、重传、窗口和拥塞控制实现可靠字节流。先读中心结论，再看核心特性与报文段结构传输控制协议（TCP）四个知识点共同说明本节核心结论核心特性面向连接、可靠、有序、全双工字节流报文段结构端口、序号、确认号、标志位与窗口连接管理三次握手建立，四次挥手释放可靠机制确认重传、滑动窗口、流量与拥塞控制6.2传输控制协议（TCP）116.2关键机制核心特性与报文段结构：两者如何配合先理解核心特性，再联系报文段结构核心特性面向连接、可靠、有序、全双工字节流核心特性提示先理解核心特性：面向连接、可靠、有序、全双工字节流报文段结构端口、序号、确认号、标志位与窗口报文段结构提示报文段结构联系核心特性：端口、序号、确认号、标志位与窗口6.2传输控制协议（TCP）12教材图解·6.2TCP报文段：可靠传输的信息都藏在首部里图6-1TCP报文段格式｜先读图，再把图中关系还原为机制教材原图图中怎么看1看端点源端口和目的端口把报文段交给正确的应用进程2看可靠性序号、确认号和校验和共同支持有序交付与差错检测3看反馈控制标志位和窗口把连接状态、流量控制与传输反馈结合起来6.2教材图解136.2关键机制核心特性与报文段结构：两者如何配合先理解核心特性，再联系报文段结构连接管理三次握手建立，四次挥手释放连接管理提示先理解连接管理：三次握手建立，四次挥手释放可靠机制确认重传、滑动窗口、流量与拥塞控制可靠机制提示可靠机制联系连接管理：确认重传、滑动窗口、流量与拥塞控制6.2传输控制协议（TCP）14教材图解·6.2TCP三次握手：逐次确认双方的收发能力图6-2TCP三次握手｜先读图，再把图中关系还原为机制教材原图图中怎么看1第一次客户端发送SYN并给出初始序号x，申请建立连接2第二次服务器用SYN+ACK确认x+1，同时给出自己的序号y3第三次客户端确认y+1，双方的发送、接收能力与初始序号均被验证6.2教材图解156.2场景应用逐步解释SYN、SYN-ACK、ACK为何能确认双方收发能力。本页案例：逐步解释SYN、SYN-ACK、ACK为何能确认双方收…1核心特性面向连接、可靠、有序、全双工字节流2报文段结构端口、序号、确认号、标志位与窗口3连接管理三次握手建立，四次挥手释放4可靠机制确认重传、滑动窗口、流量与拥塞控制案例说明：逐步解释SYN、SYN-ACK、ACK为何能确认双方收发能力6.2传输控制协议（TCP）16课堂检验TCP三次握手为什么不能简单压缩为两次？核心特性面向连接、可靠、有序、全双工字节流报文段结构端口、序号、确认号、标志位与窗口参考解答两次握手无法同时确认双方收发能力和初始序号，也难以排除旧连接请求结论：TCP用连接、序号、确认、重传、窗口和拥塞控制实现可靠字节流6.2传输控制协议（TCP）176.3用户数据报协议（UDP）UDP不保证可靠，为什么仍被大量关键应用采用？核心特性→段结构→适用场景→应用责任36.3用户数据报协议（UDP）186.3核心结构UDP用较小开销换取低时延和应用自主控制。先读中心结论，再看核心特性与段结构用户数据报协议（UDP）四个知识点共同说明本节核心结论核心特性无连接、不保证可靠与顺序、支持报文边界段结构源端口、目的端口、长度和校验和适用场景DNS、流媒体、实时语音、在线游戏应用责任需要可靠性时由应用设计确认和重传6.3用户数据报协议（UDP）196.3关键机制核心特性与段结构：两者如何配合先理解核心特性，再联系段结构核心特性无连接、不保证可靠与顺序、支持报文边界核心特性提示先理解核心特性：无连接、不保证可靠与顺序、支持报文边界段结构源端口、目的端口、长度和校验和段结构提示段结构联系核心特性：源端口、目的端口、长度和校验和6.3用户数据报协议（UDP）20教材图解·6.3UDP报文段：用极简首部换取低时延图6-4UDP报文段格式｜先读图，再把图中关系还原为机制教材原图图中怎么看1首部只有8字节四个16位字段分别是源端口、目的端口、长度和校验和2保留报文边界应用交付一个报文，UDP就封装为一个独立数据报3可靠性上移UDP不维护连接、序号和重传，可靠性与容错由应用决定6.3教材图解216.3关键机制核心特性与段结构：两者如何配合先理解核心特性，再联系段结构适用场景DNS、流媒体、实时语音、在线游戏适用场景提示先理解适用场景：DNS、流媒体、实时语音、在线游戏应用责任需要可靠性时由应用设计确认和重传应用责任提示应用责任联系适用场景：需要可靠性时由应用设计确认和重传6.3用户数据报协议（UDP）226.3场景应用比较文件传输与实时语音对可靠性和时延的不同偏好。本页案例：比较文件传输与实时语音对可靠性和时延的不同偏好1核心特性无连接、不保证可靠与顺序、支持报文边界2段结构源端口、目的端口、长度和校验和3适用场景DNS、流媒体、实时语音、在线游戏4应用责任需要可靠性时由应用设计确认和重传案例说明：比较文件传输与实时语音对可靠性和时延的不同偏好6.3用户数据报协议（UDP）23课堂检验UDP不保证可靠，为什么仍被大量关键应用采用？核心特性无连接、不保证可靠与顺序、支持报文边界段结构源端口、目的端口、长度和校验和参考解答UDP首部小、无需建连、时延低，并允许应用自行决定确认、重传或容错方式结论：UDP用较小开销换取低时延和应用自主控制6.3用户数据报协议（UDP）246.4端口与会话管理两个客户端访问同一服务器80端口，系统如何区分会话？端口分类→会话标识→并发连接→状态观察46.4端口与会话管理256.4核心结构套接字把IP地址、端口和协议组合成可识别的通信端点。先读中心结论，再看端口分类与会话标识端口与会话管理四个知识点共同说明本节核心结论端口分类熟知、注册与动态/私有端口会话标识源/目的IP、源/目的端口和传输协议并发连接同一服务端口可对应多个客户端会话状态观察用Netstat查看监听、已建立和等待状态6.4端口与会话管理266.4关键机制端口分类与会话标识：两者如何配合先理解端口分类，再联系会话标识端口分类熟知、注册与动态/私有端口端口分类提示先理解端口分类：熟知、注册与动态/私有端口会话标识源/目的IP、源/目的端口和传输协议会话标识提示会话标识联系端口分类：源/目的IP、源/目的端口和传输协议6.4端口与会话管理276.4关键机制端口分类与会话标识：两者如何配合先理解端口分类，再联系会话标识并发连接同一服务端口可对应多个客户端会话并发连接提示先理解并发连接：同一服务端口可对应多个客户端会话状态观察用Netstat查看监听、已建立和等待状态状态观察提示状态观察联系并发连接：用Netstat查看监听、已建立和等待状态6.4端口与会话管理286.4场景应用读取浏览器到Web服务器连接的五元组信息。本页案例：读取浏览器到Web服务器连接的五元组信息1端口分类熟知、注册与动态/私有端口2会话标识源/目的IP、源/目的端口和传输协议3并发连接同一服务端口可对应多个客户端会话4状态观察用Netstat查看监听、已建立和等待状态案例说明：读取浏览器到Web服务器连接的五元组信息6.4端口与会话管理29课堂检验两个客户端访问同一服务器80端口，系统如何区分会话？端口分类熟知、注册与动态/私有端口会话标识源/目的IP、源/目的端口和传输协议参考解答系统用源IP、源端口、目的IP、目的端口和传输协议组成的五元组区分会话结论：套接字把IP地址、端口和协议组合成可识别的通信端点6.4端口与会话管理306.5传输层安全协议浏览器显示HTTPS后，是否意味着网站内容本身绝对可信？安全目标→握手阶段→记录协议→风险边界56.5传输层安全协议316.5核心结构TLS在应用与传输之间建立身份可信、机密和完整的安全通道。先读中心结论，再看安全目标与握手阶段传输层安全协议四个知识点共同说明本节核心结论安全目标身份认证、机密性与完整性握手阶段协商版本、算法、密钥并验证证书记录协议对应用数据分片、加密并进行完整性保护风险边界TLS保护传输内容，不自动修复应用逻辑漏洞6.5传输层安全协议326.5关键机制安全目标与握手阶段：两者如何配合先理解安全目标，再联系握手阶段安全目标身份认证、机密性与完整性安全目标提示先理解安全目标：身份认证、机密性与完整性握手阶段协商版本、算法、密钥并验证证书握手阶段提示握手阶段联系安全目标：协商版本、算法、密钥并验证证书6.5传输层安全协议336.5关键机制安全目标与握手阶段：两者如何配合先理解安全目标，再联系握手阶段记录协议对应用数据分片、加密并进行完整性保护记录协议提示先理解记录协议：对应用数据分片、加密并进行完整性保护风险边界TLS保护传输内容，不自动修复应用逻辑漏洞风险边界提示风险边界联系记录协议：TLS保护传输内容，不自动修复应用逻辑漏洞6.5传输层安全协议346.5场景应用从HTTPS证书、密钥协商到加密传输解释一次安全连接。本页案例：从HTTPS证书、密钥协商到加密传输解释一次安全连接1安全目标身份认证、机密性与完整性2握手阶段协商版本、算法、密钥并验证证书3记录协议对应用数据分片、加密并进行完整性保护4风险边界TLS保护传输内容，不自动修复应用逻辑漏洞案例说明：从HTTPS证书、密钥协商到加密传输解释一次安全连接6.5传输层安全协议35课堂检验浏览器显示HTTPS后，是否意味着网站内容本身绝对可信？安全目标身份认证、机密性与完整性握手阶段协商版本、算法、密钥并验证证书参考解答不意味着。HTTPS证明连接经过身份校验并加密，但不能保证网站业务内容绝对可信结论：TLS在应用与传输之间建立身份可信、机密和完整的安全通道6.5传输层安全协议366.6TCP/IP模型中的传输层同一应用是否可以同时使用TCP和UDP？TCP语义→UDP语义→共同职责→选择原则66.6TCP/IP模型中的传输层376.6核心结构TCP与UDP提供不同服务语义，应用应按业务需求选择。先读中心结论，再看TCP语义与UDP语义TCP/IP模型中的传输层四个知识点共同说明本节核心结论TCP语义可靠字节流，适合完整性优先业务UDP语义独立数据报，适合时延或多播优先业务共同职责端口复用、校验与端到端传输选择原则考虑可靠性、时延、顺序、开销和控制权6.6TCP/IP模型中的传输层386.6关键机制TCP语义与UDP语义：两者如何配合先理解TCP语义，再联系UDP语义TCP语义可靠字节流，适合完整性优先业务TCP语义提示先理解TCP语义：可靠字节流，适合完整性优先业务UDP语义独立数据报，适合时延或多播优先业务UDP语义提示UDP语义联系TCP语义：独立数据报，适合时延或多播优先业务6.6TCP/IP模型中的传输层396.6关键机制TCP语义与UDP语义：两者如何配合先理解TCP语义，再联系UDP语义共同职责端口复用、校验与端到端传输共同职责提示先理解共同职责：端口复用、校验与端到端传输选择原则考虑可靠性、时延、顺序、开销和控制权选择原则提示选择原则联系共同职责：考虑可靠性、时延、顺序、开销和控制权6.6TCP/IP模型中的传输层406.6场景应用为网页、DNS、视频会议和文件传输选择传输协议。本页案例：为网页、DNS、视频会议和文件传输选择传输协议1TCP语义可靠字节流，适合完整性优先业务2UDP语义独立数据报，适合时延或多播优先业务3共同职责端口复用、校验与端到端传输4选择原则考虑可靠性、时延、顺序、开销和控制权案例说明：为网页、DNS、视频会议和文件传输选择传输协议6.6TCP/IP模型中的传输层41课堂检验同一应用是否可以同时使用TCP和UDP？TCP语义可靠字节流，适合完整性优先业务UDP语义独立数据报，适合时延或多播优先业务参考解答可以。应用可按业务分别使用TCP和UDP，例如控制消息用TCP、实时媒体用UDP结论：TCP与UDP提供不同服务语义，应用应按业务需求选择6.6TCP/IP模型中的传输层426.7Netstat与Wireshark实验抓包中出现重传时，怎样判断是丢包还是乱序造成？端口监测→过滤抓包→TCP分析→UDP分析76.7Netstat与Wireshark实验436.7核心结构状态表与抓包证据能够还原端口、握手、传输和关闭过程。先读中心结论，再看端口监测与过滤抓包Netstat与Wireshark实验四个知识点共同说明本节核心结论端口监测识别监听端口、进程和会话状态过滤抓包按IP、端口、协议和标志位缩小范围TCP分析定位握手、重传、窗口和挥手UDP分析观察请求响应与数据报边界6.7Netstat与Wireshark实验446.7关键机制端口监测与过滤抓包：两者如何配合先理解端口监测，再联系过滤抓包端口监测识别监听端口、进程和会话状态端口监测提示先理解端口监测：识别监听端口、进程和会话状态过滤抓包按IP、端口、协议和标志位缩小范围过滤抓包提示过滤抓包联系端口监测：按IP、端口、协议和标志位缩小范围6.7Netstat与Wireshark实验456.7关键机制端口监测与过滤抓包：两者如何配合先理解端口监测，再联系过滤抓包TCP分析定位握手、重传、窗口和挥手TCP分析提示先理解TCP分析：定位握手、重传、窗口和挥手UDP分析观察请求响应与数据报边界UDP分析提示UDP分析联系TCP分析：观察请求响应与数据报边界6.7Netstat与Wireshark实验466.7场景应用抓取一次网页访问并标记三次握手和HTTP请求。本页案例：抓取一次网页访问并标记三次握手和HTTP请求1端口监测识别监听端口、进程和会话状态2过滤抓包按IP、端口、协议和标志位缩小范围3TCP分析定位握手、重传、窗口和挥手4UDP分析观察请求响应与数据报边界案例说明：抓取一次网页访问并标记三次握手和HTTP请求6.7Netstat与Wireshark实验47课堂检验抓包中出现重传时，怎样判断是丢包还是乱序造成？端口监测识别监听端口、进程和会话状态过滤抓包按IP、端口、协议和标志位缩小范围参考解答结合序号、ACK/SACK、时间戳和到达顺序判断；乱序后很快补齐通常不是真丢包结论：状态表与抓包证据能够还原端口、握手、传输和关闭过程6.7Netstat与Wireshark实验48五元组源/目的IP、源/目的端口和协议共同唯一标识一条会话同一服务器端口可以同时服务大量客户端1源IP客户端主机2源端口客户端临时端口3目的IP/端口服务器与服务4协议TCP或UDP6.1—6.4端到端通信与端口49TCP三次握手三次握手分别验证双方的发送能力、接收能力与初始序号SYN→SYN-ACK→ACK1客户端SYN请求建立并给出初始序号2服务器SYN-ACK确认并给出自己的初始序号3客户端ACK确认服务器序号4ESTABLISHED双方开始可靠传输6.2TCP50TCP可靠机制序号、确认、重传和滑动窗口共同实现可靠且有序的字节流可靠不是一次完成，而是反馈控制闭环1序号与确认标识字节位置和已收到范围2超时与快速重传发现丢失后重新发送3滑动窗口允许多个未确认字节在途4拥塞控制根据网络状态调整发送速率6.2TCP51TCP与UDP选型可靠性、时延、顺序、开销和应用控制权决定协议选择没有绝对更好，只有是否匹配业务TCP文件、网页、事务等完整性优先业务UDP语音