第七章

運(yùn)輸層PrincipleandApplicationofComputerNetwork課件制作：章全信息管理系第七章運(yùn)輸層PrincipleandApplicationofComputerNetwork本章重點(diǎn)（一）（二）（三）運(yùn)輸層的作用及兩個(gè)主要協(xié)議UDP結(jié)構(gòu)與應(yīng)用TCP服務(wù)、確認(rèn)機(jī)制、報(bào)文格式及連接管理（四）TCP可靠傳輸機(jī)制與實(shí)現(xiàn)第七章運(yùn)輸層PrincipleandApplicationofComputerNetwork本章重點(diǎn)（五）（六）TCP流量控制TCP擁塞控制第一節(jié)運(yùn)輸層概述ChaptersandSections本章章節(jié)第二節(jié)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP第四節(jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟淼谖骞?jié)TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)ChaptersandSections本章章節(jié)第六節(jié)

TCP流量控制第七節(jié)TCP擁塞控制PART1運(yùn)輸層概述第一節(jié)運(yùn)輸層概述從通信和信息處理的角度看，運(yùn)輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時(shí)也是用戶(hù)功能中的最低層。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分中的兩臺(tái)主機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)的核心部分的功能進(jìn)行端到端的通信時(shí)，只有主機(jī)的協(xié)議棧才有運(yùn)輸層，而網(wǎng)絡(luò)核心部分中的路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)都只用到下三層的功能。從IP層來(lái)說(shuō)，通信的兩端是兩臺(tái)主機(jī)。IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部明確地標(biāo)志了這兩臺(tái)主機(jī)的IP地址。但“兩臺(tái)主機(jī)之間的通信”這種說(shuō)法還不夠清楚。這是因?yàn)?，真正進(jìn)行通信的實(shí)體是在主機(jī)中的進(jìn)程，是這臺(tái)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程和另一臺(tái)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程在交換數(shù)據(jù)（即通信）。因此嚴(yán)格地講，兩臺(tái)主機(jī)進(jìn)行通信就是兩臺(tái)主機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)程互相通信。IP協(xié)議雖然能把分組送到目的主機(jī)，但是這個(gè)分組還停留在主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層而沒(méi)有交付主機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)程。從運(yùn)輸層的角度看，通信的真正端點(diǎn)并不是主機(jī)而是主機(jī)中的進(jìn)程。也就是說(shuō)，端到端的通信是應(yīng)用進(jìn)程之間的通信。第一節(jié)運(yùn)輸層概述一、運(yùn)輸層的基本功能網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層與物理層實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，但是數(shù)據(jù)通信不是組建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最終目的。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)活動(dòng)是實(shí)現(xiàn)分布在不同地理位置的主機(jī)之間的進(jìn)程通信，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。運(yùn)輸層的主要功能是要實(shí)現(xiàn)分布式進(jìn)程通信。因此，運(yùn)輸層是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。圖7-1給出了傳輸層基本功能的示意圖。圖7-1傳輸層的基本功能第一節(jié)運(yùn)輸層概述二、運(yùn)輸層的兩個(gè)主要協(xié)議TCP/IP模型運(yùn)輸層的兩個(gè)主要協(xié)議分別是UDP和TCP，它們都是Internet的正式標(biāo)準(zhǔn)。（1）UDP（UserDatagramProtocol，用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。（2）TCP（TransmissionControlProtocol，傳輸控制協(xié)議）。UDP和TCP在協(xié)議模型中的位置如圖7-2所示。圖7-2TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的運(yùn)輸層協(xié)議第一節(jié)運(yùn)輸層概述（一）UDP及其服務(wù)()UDP是一種提供最少服務(wù)的輕量級(jí)運(yùn)輸層協(xié)議。UDP是無(wú)連接的，因此在通信之前不需要建立連接。UDP提供了一種不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它不保證報(bào)文一定能到達(dá)接收進(jìn)程，而且報(bào)文到達(dá)接收進(jìn)程的順序也可能與發(fā)送時(shí)的順序不同，這一點(diǎn)與IP協(xié)議是類(lèi)似的。（二）TCP及其服務(wù)TCP提供面向連接的、可靠數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制等服務(wù)。（1）面向連接。（2）可靠數(shù)據(jù)傳輸（3）擁塞控制服務(wù)第一節(jié)運(yùn)輸層概述（三）常用的TCP和UDP應(yīng)用表7-1給出了使用UDP或TCP的常用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例。對(duì)帶寬要求不高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用屬于彈性服務(wù)（Elasticalservice）。對(duì)時(shí)延不敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延會(huì)影響用戶(hù)的使用體驗(yàn)，但不會(huì)對(duì)應(yīng)用造成有害影響，這類(lèi)應(yīng)用更關(guān)注的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，例如文件傳輸。而?duì)時(shí)延敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，通常允許有少量的數(shù)據(jù)包丟失，例如在多媒體通信中，偶爾的丟包只會(huì)對(duì)音/視頻的播放造成偶爾的干擾，而且通?？梢杂眉夹g(shù)手段將這些丟包部分或全部隱藏起來(lái)。表7-1使用UDP或TCP的常用應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)運(yùn)輸層概述三、應(yīng)用進(jìn)程、端口、套接字與TCP連接運(yùn)輸層端口與套接字是運(yùn)輸層一個(gè)重要的概念。圖7-3給出了應(yīng)用進(jìn)程、套接字與IP地址關(guān)系的示意圖。理解應(yīng)用進(jìn)程、運(yùn)輸層端口與套接字的關(guān)系，需要注意以下問(wèn)題。（1）應(yīng)用進(jìn)程、運(yùn)輸層協(xié)議與本地主機(jī)操作系統(tǒng)的關(guān)系（2）進(jìn)程通信、運(yùn)輸層端口號(hào)與網(wǎng)絡(luò)層IP地址的關(guān)系（3）套接字與TCP連接圖7-3應(yīng)用進(jìn)程、套接字與IP地址的關(guān)系第一節(jié)運(yùn)輸層概述運(yùn)輸層還必須要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是進(jìn)程標(biāo)識(shí)。在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，不同進(jìn)程需要用進(jìn)程號(hào)（ProcessID）唯一地標(biāo)識(shí)。進(jìn)程號(hào)也稱(chēng)為端口號(hào)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程必須同時(shí)使用IP地址與端口號(hào)。套接字（Socket）就是由IP地址與對(duì)應(yīng)的端口號(hào)（IP地址：端口號(hào)）組成。具體表示為：套接字（Socket）=（IP地址:端口號(hào)）

（7-1）例如，一個(gè)IP地址為的客戶(hù)端使用30022端口號(hào)，與一個(gè)IP地址為且端口號(hào)為80的Web服務(wù)器建立TCP連接，那么標(biāo)識(shí)客戶(hù)端的套接字為（:30022），標(biāo)識(shí)服務(wù)器端的套接字為（:80）。從上面可以看出，每一條TCP連接唯一地被通信兩端的兩個(gè)端點(diǎn)（即兩個(gè)套接字）所確定，因此TCP連接可具體表示為：TCP連接::={socket1，socket2}={(IP1:port1)，(IP2:port2)}（7-2）這里IP1和IP2分別是兩個(gè)端點(diǎn)主機(jī)的地址，而port1和port2分別是兩個(gè)端點(diǎn)主機(jī)中的端口號(hào)。TCP連接的兩個(gè)套接字就是socket1和socket2?？梢?jiàn)套接字socket是個(gè)很抽象的概念。第一節(jié)運(yùn)輸層概述四、分布式進(jìn)程標(biāo)識(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，應(yīng)用進(jìn)程是分布在多臺(tái)不同的主機(jī)之上進(jìn)行通信的，因此分布式進(jìn)程通信首先要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：進(jìn)程標(biāo)識(shí)和多重協(xié)議的識(shí)別。（一）進(jìn)程標(biāo)識(shí)（1）進(jìn)程標(biāo)識(shí)的基本方法（2）端口號(hào)的分配方法第一節(jié)運(yùn)輸層概述在TCP/IP協(xié)議中，端口號(hào)采用16位2進(jìn)制數(shù)表示，其數(shù)值取0~65535之間的整數(shù)。互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)通信是采用客戶(hù)-服務(wù)器方式?？蛻?hù)端在發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，必須先知道對(duì)方服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)。因此運(yùn)輸層的端口號(hào)分為下面的兩大類(lèi)。①服務(wù)器端使用的端口號(hào)服務(wù)器端使用的端口號(hào)分為兩類(lèi)，最重要的一類(lèi)叫做熟知端口號(hào)（wellknownportnumber）或系統(tǒng)端口號(hào)，數(shù)值為0-1023。另一類(lèi)叫做登記端口號(hào)，數(shù)值為1024~49151。這類(lèi)端口號(hào)是為沒(méi)有熟知端口號(hào)的應(yīng)用程序使用的。使用這類(lèi)端口號(hào)必須在IANA按照規(guī)定的手續(xù)登記，以防止重復(fù)。表7-2常用的熟知端口第一節(jié)運(yùn)輸層概述②客戶(hù)端使用的端口號(hào)客戶(hù)端使用的端口號(hào)數(shù)值為49152~65535。由于這類(lèi)端口號(hào)僅在客戶(hù)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)才動(dòng)態(tài)選擇，因此又叫做臨時(shí)端口號(hào)。這類(lèi)端口號(hào)留給客戶(hù)進(jìn)程選擇暫時(shí)使用。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶(hù)進(jìn)程的報(bào)文時(shí)，就知道了客戶(hù)進(jìn)程所使用的端口號(hào)，因而可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶(hù)進(jìn)程。通信結(jié)束后，剛才已使用過(guò)的客戶(hù)端口號(hào)就不復(fù)存在，這個(gè)端口號(hào)就可以供其他客戶(hù)進(jìn)程使用。第一節(jié)運(yùn)輸層概述（二）多重協(xié)議的識(shí)別實(shí)現(xiàn)分布式進(jìn)程通信要解決的另一個(gè)重要問(wèn)題是多重協(xié)議的識(shí)別。網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)主機(jī)要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信，就必須事先約定好使用的運(yùn)輸層協(xié)議類(lèi)型。如果主機(jī)的傳輸層使用TCP，另一臺(tái)主機(jī)的傳輸層使用UDP，由于兩種協(xié)議的報(bào)文格式、端口號(hào)分配的規(guī)定，以及協(xié)議執(zhí)行過(guò)程都不相同，因而使得兩個(gè)進(jìn)程無(wú)法正常地交換數(shù)據(jù)。因此，兩臺(tái)主機(jī)必須在通信之前就確定都采用TCP，還是都采用UDP。圖7-4進(jìn)程標(biāo)識(shí)方法第一節(jié)運(yùn)輸層概述五、運(yùn)輸層的多路復(fù)用與多路分用一臺(tái)運(yùn)行TCP/IP協(xié)議的主機(jī)可能同時(shí)運(yùn)行不同的應(yīng)用程序。如果客戶(hù)和服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行4個(gè)應(yīng)用程序，分別是域名服務(wù)（DNS）、Web服務(wù)（HTTP）、電子郵件（SMTP）與網(wǎng)絡(luò)管理（SNMP）。其中，HTTP、SMTP使用TCP協(xié)議，DNS、SNMP使用UDP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議允許多個(gè)不同的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，同時(shí)使用同一個(gè)IP地址和物理鏈路來(lái)發(fā)送和收數(shù)據(jù)。圖7-5運(yùn)輸層多路復(fù)用與分用示意圖PART2用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP第二節(jié)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP一、UDP協(xié)議的主要特點(diǎn)設(shè)計(jì)UDP協(xié)議的主要原則是簡(jiǎn)潔、快捷。其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的運(yùn)輸層協(xié)議（2）UDP協(xié)議是一種面向報(bào)文的運(yùn)輸層協(xié)議.圖7-6描述了UDP協(xié)議對(duì)應(yīng)用程序提交數(shù)據(jù)的處理方式。圖7-6UDP對(duì)應(yīng)應(yīng)用程序提交數(shù)據(jù)的處理方式第二節(jié)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP二、UDP協(xié)議的結(jié)構(gòu)UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖7-7所示。其報(bào)文有固定的8B的報(bào)頭。UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)的報(bào)頭主要有以下字段。（1）端口號(hào)（2）長(zhǎng)度（3）校驗(yàn)和圖7-7UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)格式第二節(jié)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP三、UDP協(xié)議適用的范圍確定應(yīng)用程序在運(yùn)輸層是否采用UDP協(xié)議有以下三個(gè)考慮的原則。（1）視頻播放應(yīng)用（2）簡(jiǎn)短的交互式應(yīng)用（3）多播與廣播應(yīng)用當(dāng)然，任何事情都有兩面性。簡(jiǎn)潔、快速、高效是UDP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，但是由于它不能提供必需的差錯(cuò)控制機(jī)制，同時(shí)在擁塞嚴(yán)重時(shí)缺乏必要的控制與調(diào)節(jié)機(jī)制。這些問(wèn)題需要使用UDP的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者在應(yīng)用層設(shè)置必要的機(jī)制加以解決，UDP協(xié)議是一種適用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音與視頻傳輸?shù)倪\(yùn)輸層協(xié)議。第二節(jié)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP三、UDP協(xié)議適用的范圍確定應(yīng)用程序在運(yùn)輸層是否采用UDP協(xié)議有以下三個(gè)考慮的原則。（1）視頻播放應(yīng)用（2）簡(jiǎn)短的交互式應(yīng)用（3）多播與廣播應(yīng)用當(dāng)然，任何事情都有兩面性。簡(jiǎn)潔、快速、高效是UDP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，但是由于它不能提供必需的差錯(cuò)控制機(jī)制，同時(shí)在擁塞嚴(yán)重時(shí)缺乏必要的控制與調(diào)節(jié)機(jī)制。這些問(wèn)題需要使用UDP的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者在應(yīng)用層設(shè)置必要的機(jī)制加以解決，UDP協(xié)議是一種適用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音與視頻傳輸?shù)倪\(yùn)輸層協(xié)議。PART3傳輸控制協(xié)議TCP第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP一、TCP協(xié)議的主要特點(diǎn)（1）面向字節(jié)流的傳輸服務(wù)（2）發(fā)送和接收緩存（3）字節(jié)與數(shù)據(jù)段（4）全雙工服務(wù)（5）面向連接服務(wù)（6）可靠服務(wù)圖7-8TCP協(xié)議字節(jié)流傳輸過(guò)程第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP二、TCP字節(jié)編號(hào)與確認(rèn)機(jī)制（一）字節(jié)編號(hào)雖然TCP將字節(jié)流組裝成數(shù)據(jù)段之后發(fā)送，但TCP仍然只對(duì)字節(jié)流按字節(jié)進(jìn)行編號(hào)，而不是按數(shù)據(jù)段編號(hào)。為了標(biāo)識(shí)每個(gè)TCP數(shù)據(jù)段，TCP規(guī)定將每個(gè)數(shù)據(jù)段的第一個(gè)字節(jié)的編號(hào)作為該數(shù)據(jù)段的序號(hào)。例如，在建立TCP連接時(shí)，發(fā)送方選取的ISN為10000，并發(fā)送了6000B的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被組裝成5個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行傳輸，其中，前4個(gè)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為1000B，最后一個(gè)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為2000B，則每個(gè)數(shù)據(jù)段的序號(hào)及組成這個(gè)數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)據(jù)的編號(hào)范圍如表7-3所示。表7-3數(shù)據(jù)段序號(hào)及字節(jié)數(shù)據(jù)編號(hào)示例第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP（二）TCP確認(rèn)機(jī)制TCP提供可靠服務(wù)的前提條件是TCP的確認(rèn)機(jī)制。TCP的確認(rèn)機(jī)制的基本思想就是發(fā)送方發(fā)送的每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到接收方的確認(rèn)。但在實(shí)現(xiàn)時(shí)，TCP采用累計(jì)確認(rèn)方式，即接收方對(duì)正確接收的、按序到達(dá)的連續(xù)字節(jié)流只要確認(rèn)最后一個(gè)字節(jié)即可。接收方在確認(rèn)時(shí)，確認(rèn)號(hào)是數(shù)據(jù)段的最后一個(gè)字節(jié)的編號(hào)加1，表示該字節(jié)編號(hào)之前的所有數(shù)據(jù)均已正確接收，并指明期望接收下一個(gè)數(shù)據(jù)段的序號(hào)。為了提高效率，TCP的實(shí)現(xiàn)可以使用延遲確認(rèn)算法。該算法的基本思想是：TCP不必每收到一個(gè)報(bào)文就立即發(fā)回確認(rèn)，而是推遲一段時(shí)間，等收到一個(gè)以上連續(xù)的報(bào)文后，對(duì)最后一個(gè)按序到達(dá)的報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)即可。第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP三、TCP報(bào)文的結(jié)構(gòu)TCP實(shí)體之間傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU稱(chēng)為T(mén)CP報(bào)文，也稱(chēng)TCP報(bào)文段，其報(bào)文格式如圖7-9所示。TCP頭部由固定頭部和選項(xiàng)兩部分組成，其中，前面20B即前5行為固定頭部（淺灰色部分），后面為可選項(xiàng)（白色部分）。（1）源端口和目的端口（2）序號(hào)（3）確認(rèn)號(hào)（4）頭部長(zhǎng)度（5）保留（6）標(biāo)志（7）窗口（8）校驗(yàn)和（9）緊急指針（10）選項(xiàng)（11）填充圖7-9TCP報(bào)文格式第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP四、TCP連接管理（一）建立TCP連接TCP是面向連接的協(xié)議，建立TCP連接的過(guò)程被形象地稱(chēng)為三次握手過(guò)程，其過(guò)程及連接狀態(tài)變化如圖7-10所示，其中的Seq為序號(hào)，Ack為確認(rèn)號(hào)，[SYN]表示SYN標(biāo)志置位，[SYN，ACK]表示SYN和ACK標(biāo)志置位。圖7-10TCP的三次握手過(guò)程第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP建立TCP連接的三次握手過(guò)程說(shuō)明如下。第一次握手：當(dāng)客戶(hù)端打算與服務(wù)器端建立TCP連接時(shí)，就主動(dòng)發(fā)送標(biāo)志位SYN置1的TCP報(bào)文給服務(wù)器端以請(qǐng)求建立TCP連接，其中，報(bào)文中的序號(hào)字段Seq=X。TCP規(guī)定，SYN標(biāo)志置1的TCP報(bào)文不能攜帶數(shù)據(jù)，但要消耗掉一個(gè)序號(hào)。這時(shí)，客戶(hù)端的TCP進(jìn)程將從CLOSED狀態(tài)轉(zhuǎn)到SYN_SENT狀態(tài)。第二次握手：服務(wù)器端接收到連接請(qǐng)求報(bào)文后，如同意建立連接，則選擇自己的序號(hào)Seq=Y，并向客戶(hù)端返回標(biāo)志位SYN和ACK均置1的確認(rèn)報(bào)文，其中，確認(rèn)號(hào)Ack=X+1。這時(shí)TCP服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)入到SYN_RCVD狀態(tài)。第三次握手：客戶(hù)端收到確認(rèn)報(bào)文后就表明本端的TCP連接已經(jīng)建立，TCP進(jìn)程進(jìn)入到ESTABLISHED狀態(tài)。此時(shí)，客戶(hù)端的應(yīng)用進(jìn)程就可以利用此連接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，但此時(shí)仍然需要向服務(wù)器發(fā)出確認(rèn)報(bào)文，該確認(rèn)報(bào)文可以稍帶在用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文中一并發(fā)送給服務(wù)器端，報(bào)文中的序號(hào)Seq=X+1，確認(rèn)號(hào)Ack=Y+1，標(biāo)志位ACK置1。TCP規(guī)定ACK標(biāo)志置1的TCP確認(rèn)報(bào)文可以攜帶數(shù)據(jù)，但如果不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號(hào)。服務(wù)器端收到客戶(hù)端的確認(rèn)報(bào)文后，也進(jìn)入到ESTABLISHED狀態(tài)，并通知其上層應(yīng)用進(jìn)程，自此，雙方的TCP連接建立成功。為什么客戶(hù)端最后還要再發(fā)送一次確認(rèn)呢？這主要是為了防止已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段突然又傳送到了服務(wù)器端，因?yàn)榉?wù)器端誤認(rèn)為這是有效的請(qǐng)求連接報(bào)文，因而產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，采用三次握手的機(jī)制，避免這類(lèi)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP（二）釋放TCP連接數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，通信的任意一方都可以釋放TCP連接。假設(shè)客戶(hù)端應(yīng)用進(jìn)程先發(fā)出連接釋放請(qǐng)求報(bào)文，主動(dòng)請(qǐng)求關(guān)閉TCP連接，并停止發(fā)送數(shù)據(jù)。釋放TCP連接的過(guò)程被形象地稱(chēng)為四次揮手。具體過(guò)程及TCP進(jìn)程的連接狀態(tài)變化如圖7-11所示。圖7-11TCP釋放連接時(shí)的四次揮手過(guò)程第三節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP（三）重置TCP連接前面所介紹的是應(yīng)用程序傳輸完數(shù)據(jù)之后正常地關(guān)閉連接，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致中途需要突然關(guān)閉TCP連接，TCP為此提供了重置措施。要重置一個(gè)TCP連接，只要發(fā)送一個(gè)標(biāo)志RST置1的TCP報(bào)文即可。對(duì)方收到RST標(biāo)志置1的報(bào)文時(shí)就立即退出TCP連接。連接雙方立即停止數(shù)據(jù)傳輸并釋放這一連接所占用的緩存等系統(tǒng)資源。異常的突然重置可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。以下三種情況會(huì)重置TCP連接。（1）一方的TCP請(qǐng)求連接到一個(gè)并不存在的端口。對(duì)方就會(huì)發(fā)送RST報(bào)文來(lái)拒絕該請(qǐng)求。（2）一方的TCP由于異常情況（如主機(jī)崩潰）而突然退出連接。這時(shí)它必須先釋放連接，然后重建TCP連接（3）一方的TCP發(fā)現(xiàn)另一方的TCP長(zhǎng)時(shí)間空閑。為了節(jié)省系統(tǒng)資源，它可以發(fā)送RST報(bào)文來(lái)撤銷(xiāo)這個(gè)TCP連接。PART4可靠傳輸?shù)墓ぷ髟淼谒墓?jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟鞹CP發(fā)送的報(bào)文段是交給網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議傳送的。但前面講到IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的是盡最大努力交付的服務(wù)。也就是說(shuō)，TCP下面的網(wǎng)絡(luò)所提供的是不可靠的傳輸。因此，TCP必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┎拍苁沟脙蓚€(gè)運(yùn)輸層之間的通信變得可靠。理想的傳輸條件有以下幾個(gè)特點(diǎn)（1）傳輸信道數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)。（2）不管發(fā)送方以多快的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方總是來(lái)得及處理收到的數(shù)據(jù)。第四節(jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟硪?、停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議是最簡(jiǎn)單但也是最基礎(chǔ)的可靠傳輸協(xié)議。停止等待的基本思想就是每發(fā)送完一個(gè)報(bào)文就停止發(fā)送，等待對(duì)方的確認(rèn)。在收到確認(rèn)后才能發(fā)送下一個(gè)報(bào)文。顯然，在這種環(huán)境中，每個(gè)報(bào)文都需要進(jìn)行編號(hào)。在報(bào)文的傳輸過(guò)程中，有4種可能的狀態(tài)：正常運(yùn)行、報(bào)文丟失、確認(rèn)丟失或確認(rèn)延遲。停止等待協(xié)議對(duì)這四種情況都采取了相依的措施，來(lái)保障可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。具體情況如圖7-12所示。圖7-12停止等待協(xié)議運(yùn)行可能出現(xiàn)的4個(gè)情況第四節(jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟矶?、連續(xù)ARQ協(xié)議停止等待協(xié)議雖然實(shí)現(xiàn)了可靠傳輸，但是缺點(diǎn)也很明細(xì)，通信效率非常低。為了提高傳輸效率，發(fā)送方可以不使用低效率的停止等待協(xié)議，而是采用流水線(xiàn)傳輸，如圖7-13所示。流水線(xiàn)傳輸就是發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多個(gè)分組，不必每發(fā)完一個(gè)分組就停頓下來(lái)等待對(duì)方的確認(rèn)。這樣可使信道上一直有數(shù)據(jù)不間斷地在傳送。顯然，這種傳輸方式可以獲得很高的信道利用率。圖7-13流水線(xiàn)傳輸模式第四節(jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟磉B續(xù)ARQ協(xié)議就是使用流水線(xiàn)傳輸方式。為了實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)傳輸，連續(xù)ARQ協(xié)議采用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)維護(hù)流水線(xiàn)傳輸方式。收發(fā)雙方以全雙工方式工作，在發(fā)送緩存和接收緩存中各開(kāi)辟一個(gè)空間作為發(fā)送窗口和接收窗口。圖7-14（a）表示發(fā)送方維持的發(fā)送窗口，發(fā)送窗口的意義在于：位于發(fā)送窗口中的5個(gè)分組均可以連續(xù)發(fā)送出去，而不需要等待接收方的確認(rèn)。因此，發(fā)送方就可以以流水線(xiàn)的方式一次性發(fā)送多個(gè)分組，從而提高了信道的利用率。圖7-14發(fā)送窗口第四節(jié)可靠傳輸?shù)墓ぷ髟磉B續(xù)ARQ協(xié)議規(guī)定，發(fā)送方每收到一個(gè)分組的確認(rèn)，就把發(fā)送窗口向前滑動(dòng)一個(gè)分組的位置。圖7-14（b）表示發(fā)送方收到了對(duì)第1個(gè)分組的確認(rèn)，于是把發(fā)送窗口向前移動(dòng)一個(gè)分組的位置。如果原來(lái)已經(jīng)發(fā)送了前5個(gè)分組，那么現(xiàn)在就可以發(fā)送窗口內(nèi)的第6個(gè)分組了。接收方一般都是采用累積確認(rèn)的方式。這就是說(shuō)，接收方不必對(duì)收到的分組逐個(gè)發(fā)送確認(rèn)，而是在收到幾個(gè)分組后，對(duì)按序到達(dá)的最后一個(gè)分組發(fā)送確認(rèn)，這就表示：到這個(gè)分組為止的所有分組都已正確收到了。累積確認(rèn)有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)，即使確認(rèn)丟失也不必重傳。但缺點(diǎn)是不能向發(fā)送方反映出接收方已經(jīng)正確收到的所有分組的信息。圖7-14發(fā)送窗口PART5TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)第五節(jié)TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)一、滑動(dòng)窗口機(jī)制在建立TCP連接時(shí)，通信雙方均通過(guò)TCP報(bào)頭中的窗口字段來(lái)告知對(duì)方本結(jié)點(diǎn)接收窗口的大小，發(fā)送方根據(jù)對(duì)方告知的窗口大小來(lái)動(dòng)態(tài)設(shè)定自己的發(fā)送窗口的大小，發(fā)送窗口必須小于或等于對(duì)方的接收窗口的大小。如圖7-15（a）所示，發(fā)送方根據(jù)接收方通知的窗口大?。僭O(shè)為500B）將自己的發(fā)送窗口設(shè)定為500，并假定每個(gè)TCP報(bào)文段長(zhǎng)度為100B，則發(fā)送窗口包含5個(gè)TCP報(bào)文段。圖中的三個(gè)指針（P1、P2和P3）將發(fā)送方要發(fā)送的9個(gè)TCP報(bào)文分成以下4個(gè)部分。（1）P1左側(cè)的是已發(fā)送且已收到確認(rèn)的報(bào)文。（2）位于P2與P1之間的為已經(jīng)發(fā)送但還未收到確認(rèn)的報(bào)文。（3）位于P3與P2之間的為允許發(fā)送但當(dāng)前還未發(fā)送的報(bào)文。P3-P2=可用窗口大小，或有效窗口大小。（4）P3右側(cè)的為還不可以發(fā)送的報(bào)文.圖7-15以字節(jié)為單位的滑動(dòng)窗口示例第五節(jié)TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)一、滑動(dòng)窗口機(jī)制在建立TCP連接時(shí)，通信雙方均通過(guò)TCP報(bào)頭中的窗口字段來(lái)告知對(duì)方本結(jié)點(diǎn)接收窗口的大小，發(fā)送方根據(jù)對(duì)方告知的窗口大小來(lái)動(dòng)態(tài)設(shè)定自己的發(fā)送窗口的大小，發(fā)送窗口必須小于或等于對(duì)方的接收窗口的大小。如圖7-15（a）所示，發(fā)送方根據(jù)接收方通知的窗口大?。僭O(shè)為500B）將自己的發(fā)送窗口設(shè)定為500，并假定每個(gè)TCP報(bào)文段長(zhǎng)度為100B，則發(fā)送窗口包含5個(gè)TCP報(bào)文段。圖中的三個(gè)指針（P1、P2和P3）將發(fā)送方要發(fā)送的9個(gè)TCP報(bào)文分成以下4個(gè)部分。（1）P1左側(cè)的是已發(fā)送且已收到確認(rèn)的報(bào)文。（2）位于P2與P1之間的為已經(jīng)發(fā)送但還未收到確認(rèn)的報(bào)文。（3）位于P3與P2之間的為允許發(fā)送但當(dāng)前還未發(fā)送的報(bào)文。P3-P2=可用窗口大小，或有效窗口大小。（4）P3右側(cè)的為還不可以發(fā)送的報(bào)文.圖7-15以字節(jié)為單位的滑動(dòng)窗口示例第五節(jié)TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)二、超時(shí)重傳機(jī)制TCP超時(shí)重傳機(jī)制是為了進(jìn)行差錯(cuò)控制，是TCP實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要措施。TCP要求發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)報(bào)文都要保存一份該報(bào)文的副本，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)重傳定時(shí)器（RetransmissionTimer，RT）并等待確認(rèn)信息。接收端成功接收?qǐng)?bào)文后就返回一個(gè)確認(rèn)信息。RT設(shè)定了一個(gè)超時(shí)重傳時(shí)間（RetransmissionTimeOut，RTO），若在RTO超時(shí)前報(bào)文仍未被確認(rèn)，TCP就認(rèn)為該報(bào)文已丟失或損壞，需要重傳該報(bào)文。超時(shí)重傳時(shí)間RTO是影響超時(shí)重傳機(jī)制協(xié)議效率的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。RTO的值被設(shè)置過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)協(xié)議造成不利影響。如果RTO設(shè)置過(guò)大將會(huì)使發(fā)送端經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的等待才能發(fā)現(xiàn)報(bào)文丟失，降低了TCP連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?；另一方面，若RTO過(guò)小，發(fā)送端盡管可以很快地檢測(cè)出報(bào)文的丟失，但也可能將一些延遲大的報(bào)文誤認(rèn)為是丟失，造成不必要的重傳，浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源。PART6TCP流量控制第六節(jié)TCP流量控制所謂流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要過(guò)快，讓接收方來(lái)得及接收。利用滑動(dòng)窗口機(jī)制可以很方便地在TCP連接上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送方的流量控制。一、滑動(dòng)窗口與流量控制TCP使用可變的滑動(dòng)窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。除了在建立TCP連接時(shí)，通信雙方相互通過(guò)TCP報(bào)文中的窗口字段來(lái)告知對(duì)方本結(jié)點(diǎn)的接收窗口大小。在通信的過(guò)程中，接收方還會(huì)使用TCP確認(rèn)報(bào)文中的窗口字段來(lái)動(dòng)態(tài)地向發(fā)送方反饋本結(jié)點(diǎn)的接收窗口大小，發(fā)送方則據(jù)此對(duì)發(fā)送窗口的大小在向前滑動(dòng)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之等于接收方反饋的窗口大小，從而調(diào)節(jié)了發(fā)送數(shù)據(jù)的流量，以適應(yīng)接收方的接收能力。圖7-16示例了可變的滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制的過(guò)程。圖7-16利用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制第六節(jié)TCP流量控制二、零窗口與持續(xù)定時(shí)器當(dāng)接收方的接收緩存已經(jīng)飽和，接收方可以使用大小為0的接收窗口來(lái)通知發(fā)送方停止發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收緩存又有空間后，再用一個(gè)非零接收窗口激活發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，零窗口可能帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題。例如，接收方發(fā)出了一個(gè)零窗口，發(fā)送方將發(fā)送窗口大小調(diào)整為0，暫停發(fā)送。一段時(shí)間后，接收方緩存有空間了，接收方發(fā)送一個(gè)非零窗口的報(bào)文來(lái)激活發(fā)送方。但不幸的是這個(gè)非零窗口的報(bào)文丟失了，發(fā)送方和接收方將都處于等待對(duì)方的狀態(tài)，從而導(dǎo)致了死鎖。為了解決這個(gè)問(wèn)題，TCP為每一個(gè)連接設(shè)置一個(gè)持續(xù)定時(shí)器。第六節(jié)TCP流量控制三、TCP傳輸效率應(yīng)用進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳送到TCP的發(fā)送緩存后，剩下的發(fā)送任務(wù)就由TCP來(lái)控制了。TCP可以采用以下三種控制機(jī)制來(lái)控制發(fā)送TCP報(bào)文段的時(shí)機(jī)。（1）TCP維持一個(gè)變量，它等于最大報(bào)文段長(zhǎng)度MSS。只要緩存中存放的數(shù)據(jù)達(dá)到MSS字節(jié)時(shí)，就組裝成一個(gè)TCP報(bào)文段發(fā)送出去（2）發(fā)送方的應(yīng)用進(jìn)程指明要求立即發(fā)送報(bào)文段，即TCP支持的PUSH操作，也就是標(biāo)志位PSH置1的報(bào)文。（3）發(fā)送方維持一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器到時(shí)后，就把當(dāng)前已有的緩存數(shù)據(jù)裝入報(bào)文段（但長(zhǎng)度不能超過(guò)MSS）發(fā)送出去。第六節(jié)TCP流量控制三、TCP傳輸效率應(yīng)用進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳送到TCP的發(fā)送緩存后，剩下的發(fā)送任務(wù)就由TCP來(lái)控制了。TCP可以采用以下三種控制機(jī)制來(lái)控制發(fā)送TCP報(bào)文段的時(shí)機(jī)。（1）TCP維持一個(gè)變量，它等于最大報(bào)文段長(zhǎng)度MSS。只要緩存中存放的數(shù)據(jù)達(dá)到MSS字節(jié)時(shí)，就組裝成一個(gè)TCP報(bào)文段發(fā)送出去（2）發(fā)送方的應(yīng)用進(jìn)程指明要求立即發(fā)送報(bào)文段，即TCP支持的PUSH操作，也就是標(biāo)志位PSH置1的報(bào)文。（3）發(fā)送方維持一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器到時(shí)后，就把當(dāng)前已有的緩存數(shù)據(jù)裝入報(bào)文段（但長(zhǎng)度不能超過(guò)MSS）發(fā)送出去。PART7TCP擁塞控制第七節(jié)TCP擁塞控制一、擁塞控制的基本原理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬、交換結(jié)點(diǎn)中的緩存和路由器等，都是網(wǎng)絡(luò)的資源。在某段時(shí)間若對(duì)網(wǎng)絡(luò)中某一資源的需求超過(guò)了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)變壞。這種情況就叫做擁塞。就像現(xiàn)實(shí)生活中城市道路擁堵一樣，當(dāng)汽車(chē)的流量超過(guò)馬路設(shè)計(jì)的最大流量時(shí)，道路就會(huì)出現(xiàn)擁堵。擁塞控制就是防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不至于過(guò)載，從而減小擁塞的產(chǎn)生概率。擁塞控制是一個(gè)全局性的過(guò)程，它涉及網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器和主機(jī)，以及與降低網(wǎng)絡(luò)傳輸性能有關(guān)的所有因素，擁塞控制所要做的就是使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)的承受能力相適應(yīng)。擁塞控制與流量控制是兩個(gè)不同的概念。流量控制是指點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信量的控制，它只涉及發(fā)送端與接收端，流量控制所要做的是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來(lái)得及接收和處理數(shù)據(jù)。第七節(jié)TCP擁塞控制在研究網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)的性能，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，另一個(gè)是端到端時(shí)延，它們與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載代表單位時(shí)間內(nèi)輸入到網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)，吞吐量則代表單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)輸出的分組數(shù)。吞吐量、端到端時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載之間的關(guān)系如圖7-17所示。圖7-17吞吐量、時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系第七節(jié)TCP擁塞控制二、TCP擁塞控制策略TCP的擁塞控制策略屬于閉環(huán)控制策略，包括反饋和控制兩個(gè)環(huán)節(jié)。反饋機(jī)制要求發(fā)送方發(fā)現(xiàn)擁塞，可由交換結(jié)點(diǎn)直接報(bào)告，也可以是間接地由發(fā)送方從本地觀(guān)察到分組延遲或丟失等情況來(lái)推斷。源結(jié)點(diǎn)擁塞的控制手段是源抑制，即降低發(fā)送流量。這一點(diǎn)與流量容有點(diǎn)兒相似，但仍與流量控制有本質(zhì)區(qū)別。TCP推薦使用以下幾種控制策略：慢啟動(dòng)、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)。使用這些策略的前提是認(rèn)為絕大多數(shù)報(bào)文丟失都是由擁塞所致，因?yàn)樵谀壳暗耐ㄐ偶夹g(shù)條件下，由于通信線(xiàn)路問(wèn)題引起的傳輸差錯(cuò)面造成報(bào)文丟棄的概率已經(jīng)很小了。第七節(jié)TCP擁塞控制（一）慢啟動(dòng)與擁塞避免慢啟動(dòng)和擁塞避免是較早提出的擁塞控制策略，TCP通過(guò)報(bào)文段的超時(shí)重傳，或者接收到ICMP的源抑制報(bào)文來(lái)發(fā)現(xiàn)擁塞。為了進(jìn)行擁塞控制，發(fā)送方的TCP又設(shè)置了一個(gè)叫做擁塞窗口cwnd的狀態(tài)變量，擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地變化，發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口，另外考慮到接收方的接收能力，發(fā)送窗口還可能小于擁塞窗口，發(fā)送窗口的值按以下公式獲得：swnd=min(cwnd,rwnd)（7-3）公式中，變量sw