第3章傳輸層及傳輸層協(xié)議袁津生主編主要內(nèi)容3.1傳輸層的基本概念3.2UDP協(xié)議3.3TCP協(xié)議主要內(nèi)容傳輸層是資源子網(wǎng)與通信子網(wǎng)的界面與橋梁，它完成通信子網(wǎng)中兩結(jié)點間的直接邏輯通信。本章將討論傳輸層的基本功能、傳輸層向應(yīng)用層提供的服務(wù)，以及實現(xiàn)這些服務(wù)的協(xié)議TCP（TransmissionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。3.1傳輸層的基本概念傳輸層的功能傳輸層的功能是保證數(shù)據(jù)可靠地從發(fā)送結(jié)點發(fā)送到目標結(jié)點，傳輸層提供端到端的數(shù)據(jù)交換機制，傳輸層對應(yīng)用層提供可靠的傳輸服務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的目的地站點信息。傳輸層也稱為運輸層。傳輸層只存在于端開放系統(tǒng)中，是介于OSI參考模型的低3層通信子網(wǎng)系統(tǒng)和高3層之間的一層，是很重要的一層，因為它是源端到目的端對數(shù)據(jù)傳送進行控制從低到高的最后一層。傳輸層的位置傳輸層的基本功能連接管理。傳輸層要建立、維持和終止一個會話，就要對整個過程進行管理。流量控制。傳輸層定義了端到端用戶之間的流量控制。差錯檢測。對用戶請求的響應(yīng)。建立無連接或面向連接的通信。傳輸層提供的服務(wù)面向連接的通信保持數(shù)據(jù)的分發(fā)順序可靠服務(wù)流量控制多路復用擁塞避免進程標識一臺計算機中，不同的進程可以用進程號或進程標識惟一地標識出來。進程號又稱為端口號。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，標識一個進程必須同時使用IP地址和端口號。套接字（socket）就是用來表示一個IP地址與對應(yīng)的一個進程標識。一個IP地址為202.204.125.56的客戶端使用端口號1157，與一個IP地址為202.204.125.87、端口號為80的Web服務(wù)器建立TCP連接，那么標識客戶端的套接字為“202.204.125.56：1157”，標識服務(wù)器端的套接字為“202.204.125.87：80”。應(yīng)用進程通過套接字交換數(shù)據(jù)物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層TCP/UDP套接字服務(wù)進程物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層TCP/UDP套接字客戶進程因特網(wǎng)客戶端服務(wù)器端口號的分配方法

端口號取值范圍是0～65535之間的整數(shù)。熟知端口號：取值范圍0~1023，它是由IANA（TheInternetAssignedNumbersAuthority，因特網(wǎng)數(shù)字分配機構(gòu)）統(tǒng)一分配和控制的。注冊端口號：取值范圍：1024~49151，用戶根據(jù)需要可以在IANA進行注冊，以防止重復。臨時端口號：取值范圍：49152~65535，由運行在客戶機上的軟件隨機選取的。傳輸層與其它層次之間的關(guān)系3.2UDP協(xié)議UDP協(xié)議UDP協(xié)議全稱是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議簇中傳輸層的兩個重要的協(xié)議之一。它為應(yīng)用程序提供了一條訪問IP的無連接功能、面向事務(wù)、簡單不可靠傳送服務(wù)。UDP的設(shè)計允許應(yīng)用程序創(chuàng)建數(shù)據(jù)報，允許它們通過端口訪問應(yīng)用程序或進程，其基本作用是向IP分組增加了一個應(yīng)用程序的端口地址。UDP協(xié)議的主要特點

UDP是一個無連接的，不可靠的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)之前不需要在通信雙方之間建立連接，因此減少了協(xié)議開銷與傳輸時延。UDP信息包的標題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。UDP是一種面向報文的傳輸層協(xié)議。UDP數(shù)據(jù)報格式

UDP的報頭是一個具有固定8B的長度。源端口號和目的端口號，每個端口號各占16位（2B）。源端口號表示發(fā)送方進程端口號，目的端口號表示接收方進程端口號。UDP總長度占16位（2B），它定義了包括報頭在內(nèi)的UDP總長度。校驗和字段的長度為16位（2B）UDP的偽頭部偽首部源端口目的端口長度檢驗和UDP長度源IP地址目的IP地址017字節(jié)44112122222字節(jié)數(shù)據(jù)首部UDP用戶數(shù)據(jù)報

UDP的復用和分用UDP的應(yīng)用UDP協(xié)議適用于對傳輸數(shù)據(jù)的準確性要求不高、無須應(yīng)答并且通常一次只傳送少量數(shù)據(jù)的情況。UDP協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中無須建立邏輯連接，對數(shù)據(jù)報也不進行檢查，因而在傳輸數(shù)據(jù)方面，減少了網(wǎng)絡(luò)的往返來回、使速度和性能得到提升，并且UDP具有較好的實時性，效率高。UDP協(xié)議應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)游戲，視頻聊天，語音聊天UDP協(xié)議也是分發(fā)信息的一個理想?yún)f(xié)議。2.3TCP協(xié)議TCP協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議。在簡化的計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能。在TCP/IP協(xié)議族中，TCP層是位于IP層之上，應(yīng)用層之下的中間層。TCP協(xié)議為應(yīng)用進程提供可靠的、端到端的、面向連接的字節(jié)流通信的協(xié)議。TCP協(xié)議提供一種可靠的機制來保證數(shù)據(jù)完整、無損并且按順序到達。TCP的設(shè)計允許應(yīng)用程序創(chuàng)建數(shù)據(jù)報，并通過端口訪問應(yīng)用程序或進程。TCP協(xié)議的主要特點面向連接的傳輸服務(wù)支持字節(jié)流的傳輸支持全雙工服務(wù)支持可靠的傳輸服務(wù)TCP面向流的概念768H發(fā)送TCP報文段發(fā)送方接收方把字節(jié)寫入發(fā)送緩存從接收緩存讀取字節(jié)應(yīng)用進程應(yīng)用進程1230181716151419202145131211H109H加上TCP首部構(gòu)成TCP報文段TCPTCP字節(jié)流字節(jié)流H表示TCP

報文段的首部x表示序號為x

的數(shù)據(jù)字節(jié)TCP

連接TCP報文格式TCP首部20字節(jié)的固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FIN32bitSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充TCP數(shù)據(jù)部分TCP首部TCP報文段TCP報文格式端口號包括源端口號和目的端口號。每個端口號長度都是16位，分別表示發(fā)送方和接收方的端口號。序號字段占32位，是本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)部分第一個字節(jié)的序號。確認號字段占32位。只有當ACK標志為1時，確認號字段才有效。數(shù)據(jù)偏移又稱為頭部長度占4位。它指出TCP報文段的數(shù)據(jù)起始處距離TCP報文段的起始處有多遠。保留字段占6位，保留為今后使用，但目前應(yīng)置為0。TCP報文格式控制字段定義了6種不同的控制位或標志。內(nèi)容如下：緊急URG：當URG為1時，表明緊急指針字段有效。確認ACK：只有當ACK為1時，確認號字段才有效。推送PSH：接收TCP收到PSH為1的報文段，就盡快地交付接收應(yīng)用進程，而不再等到整個緩存都填滿了后再向上交付。復位RST：用來復位一條連接。同步SYN：用來建立連接，讓連接雙方同步序列號。終止FIN：用來釋放一個連接。當FIN為1時，表明此報文段的發(fā)送端的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放連接。TCP報文格式窗口字段占16位（2B），用來讓對方設(shè)置發(fā)送窗口的依據(jù)，單位為字節(jié)。校驗和占16位（2B）。校驗和字段檢驗的范圍包括TCP頭部和TCP數(shù)據(jù)這兩部分。緊急指針字段占16位，只有當URG為1時，表明緊急指針字段有效。選項字段占32位。該字段可包括最大報文段長度、窗口擴大因子、時間戳等選項。TCP連接建立與釋放TCP連接有三個階段，即：連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放。連接的管理就是使傳輸連接的建立和釋放都能正常地進行。TCP連接的建立都是采用客戶服務(wù)器方式。主動發(fā)起連接建立的應(yīng)用進程叫做客戶，被動等待連接建立的應(yīng)用進程叫做服務(wù)器。TCP建立連接階段連接的最初階段服務(wù)器端處于打開階段，而客戶端處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣要建立一個TCP連接需要經(jīng)過三次握手的過程。SYN=1,seq=xACK=1,seq=x+1,ack=y1客戶服務(wù)器SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x1TCP的連接釋放由于TCP連接是全雙工的，因此每個方向都必須單獨進行關(guān)閉。因此，需要4次握手。當一方完成它的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后就要發(fā)送一個FIN來終止這個方向的連接。只有當另一方也發(fā)送一個FIN時，才能全部關(guān)閉TCP的連接。FIN=1,seq=uACK=1,seq=v,ack=u1FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u1客戶服務(wù)器數(shù)據(jù)傳送ACK=1,seq=u+1,ack=w1TCP的定時器重傳定時器。為了控制丟失的或丟棄的報文段，TCP使用了處理報文段的確認的等待重傳時間的重傳定時器。堅持定時器。TCP為每一個連接使用一個堅持定時器。當發(fā)送方的TCP收到一個窗口大小為零的確認時，就需要啟動堅持定時器。保持定時器。又叫做激活定時器，它是用來防止在兩個TCP之間的連接處于長時期空閑。時間等待計時器。在連接終止期間使用的。TCP滑動窗口機制滑動窗口協(xié)議的基本原理就是在任意時刻，發(fā)送方都維持了一個連續(xù)的允許發(fā)送的字節(jié)流的序號，稱為發(fā)送窗口；同時，接收方也維持了一個連續(xù)的允許接收的字節(jié)流的序號，稱為接收窗口。發(fā)送窗口和接收窗口的序號的上下界不一定要一樣，甚至大小也可以不同。不同的滑動窗口協(xié)議窗口大小一般不同。發(fā)送方窗口內(nèi)的序列號代表了那些已經(jīng)被發(fā)送，但是還沒有被確認的字節(jié)，或者是那些可以被發(fā)送的字節(jié)。指針發(fā)送窗口縮小1002003004005006007008009001012013014015016017018011已發(fā)送并被確認可發(fā)送不可發(fā)送發(fā)送窗口前移900指針1002003004005006007008001012013014015016017018011不可發(fā)送已發(fā)送并被確認已發(fā)送但未被確認可發(fā)送指針收到確認即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011發(fā)送窗口可發(fā)送不可發(fā)送(a)發(fā)送窗口大小為500B(b)發(fā)送400B,收到確認200B，窗口大小不變，還可發(fā)送300B(c)

收到確認400B，窗口縮小400B，還可發(fā)送400B發(fā)送窗口和接收窗口

TCP滑動窗口用來暫存兩臺計算機間要傳送的數(shù)據(jù)分組。每臺運行TCP協(xié)議的計算機有兩個滑動窗口：一個用于數(shù)據(jù)發(fā)送，另一個用于數(shù)據(jù)接收。在全雙工工作時，有4個滑動窗口：發(fā)送端的發(fā)送窗口和接收窗口，接收端的接收窗口和發(fā)送窗口。停止等待協(xié)議(a)無差錯情況A發(fā)送

M1確認

M1B發(fā)送

M2發(fā)送

M3確認

M2確認

M3A發(fā)送

M1B超時重傳

M1發(fā)送

M2確認

M1丟棄有差錯的報文(b)超時重傳tttt后退n協(xié)議選擇重發(fā)協(xié)議TCP協(xié)議的流量控制

所謂流量控制就是管理發(fā)送端和接收端之間的流量，以免會產(chǎn)生發(fā)送過快導致接收端溢出，或者因接收端處理太快而浪費時間。換句話說就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收，也不要使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。利用滑動窗口機制可以很方便地在TCP連接上實現(xiàn)對發(fā)送方的流量控制。共有三種情況，窗口擴大，收縮和合攏。擴大：接收方通知接收窗口擴大，右側(cè)邊界右移收縮：接收方通知接收窗口縮小，右側(cè)邊界左移合攏：接收方通知接收窗口為零，左右邊界合攏利用滑動窗口實現(xiàn)流量控制seq=1,DATAseq=201,DATAseq=401,DATAseq=301,DATAseq=101,DATAseq=201,DATAseq=501,DATAACK=1,ack=201,rwnd=300ACK=1,ack=601,rwnd=0ACK=1,ack=501,rwnd=100AB允許A發(fā)送序號201至500共300字節(jié)A發(fā)送了序號101至200，還能發(fā)送200字節(jié)A發(fā)送了序號301至400，還能再發(fā)送100字節(jié)新數(shù)據(jù)A發(fā)送了序號1至100，還能發(fā)送300字節(jié)A發(fā)送了序號401至500，不能再發(fā)送新數(shù)據(jù)了A超時重傳舊的數(shù)據(jù)，但不能發(fā)送新的數(shù)據(jù)允許A發(fā)送序號501至600共100字節(jié)A發(fā)送了序號501至600，不能再發(fā)送了不允許A再發(fā)送（到序號600為止的數(shù)據(jù)都收到了）丟失TCP的差錯控制

TCP的差錯控制是通過差錯檢測、確認與重傳來實現(xiàn)的。差錯檢測。在TCP協(xié)議中使用的是校驗和。確認。TCP在接到數(shù)據(jù)段后要對其進行校驗，并且向發(fā)送方反饋確認消息。TCP協(xié)議的