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计算机网络基础 Ⅲ Week 04 目录 1 运输层协议概述 1.1 进程之间的通信 1.2 运输层的两个主要协议 1.3 运输层的端口 2 用户数据报协议UDP 2.1 UDP 概述 2.2 UDP 的首部格式 目录 3 传输控制协议TCP 概述 3.1 TCP 最主要的特点 3.2 TCP 的连接 4 可靠传输的工作原理 4.1 停止等待协议 4.2 连续ARQ 协议 5 TCP 报文段的首部格式 目录 6 TCP 可靠传输的实现 6.1 以字节为单位的滑动窗口 6.2 超时重传时间的选择 7 TCP的流量控制 7.1 利用滑动窗口实现流量控制 7.2 必须考虑传输效率 目录 8 TCP 的拥塞控制 8.1 拥塞控制的一般原理 8.2 几种拥塞控制方法 9 TCP 的运输连接管理 9.1 TCP 的连接建立 9.2 TCP 的连接释放 进程之间的通信 • 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。 • 当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的 功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主 机的协议栈才有运输层，而网络核心部分中的路由器在 转发分组时都只用到下三层的功能。 进程之间的通信 运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信 应用进程之间的通信 • 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。 • 应用进程之间的通信又称为端到端的通信。 • 运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。 • 应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层， 再往下就共用网络层提供的服务。 • “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。 运输层协议和网络层协议的主要区别 运输层的主要功能 • 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络 层是为主机之间提供逻辑通信）。 • 运输层还要对收到的报文进行差错检测。 • 运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的TCP 和无连接的UDP。 两种不同的运输协议 • 运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络 拓扑、所采用的路由选择协议等），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，尽管下面的网络 是不可靠的（只提供尽最大努力服务），但这种逻辑通 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 是一条不可靠信道。 运输层的两个主要协议 TCP/IP 的运输层有两个不同的协议： (1) 用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol) TCP 与UDP • 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协 议数据单元TPDU (Transport Protocol Data Unit)。 • TCP 传送的数据单位协议是TCP 报文段(segment) • UDP 传送的数据单位协议是UDP 报文或用户数据报。 TCP/IP 体系中的运输层协议 TCP 与UDP • UDP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，不需要给出任何确认。虽然UDP不 提供可靠交付，但在某些情况下UDP是一种最有效的工 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。 还要强调两点 • 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。 运输层的端口 • 运行在计算机中的进程是用进程标识符来标志的。 • 运行在应用层的各种应用进程却不应当让计算机操作系 统指派它的进程标识符。这是因为在因特网上使用的计 算机的操作系统种类很多，而不同的操作系统又使用不 同格式的进程标识符。 • 为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相 通信，就必须用统一的方法对TCP/IP 体系的应用进程进 行标志。 需要解决的问题 • 由于进程的创建和撤销都是动态的，发送方几乎无法识 别其他机器上的进程。 • 有时我们会改换接收报文的进程，但并不需要通知所有 发送方。 • 我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点，而 不需要知道实现这个功能的进程。 端口号(protocol port number) • 解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号 (protocol port number)，或通常简称为端口(port)。 • 虽然通信的终点是应用进程，但我们可以把端口想象是 通信的终点，因为我们只要把要传送的报文交到目的主 机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即最后交付 目的进程）就由TCP 来完成。 软件端口与硬件端口 • 在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口。 • 路由器或交换机上的端口是硬件端口。 • 硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口，而软件端口 是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一 种地址。 TCP 的端口 • 端口用一个16位端口号进行标志。 • 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。在因特网中不同计算机的相同端 口号是没有联系的。 三类端口 • 熟知端口：数值一般为0~1023。 • 登记端口号：数值为1024~49151，为没有熟知端口号的 应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在”互联网 编号分配机构”IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 登记，以防止重复。 • 客户端口号或短暂端口号：数值为49152~65535，留给 客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的 报文时就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结 束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。 常见端口号 TCP 21端口：FTP 文件传输服务 TCP 23端口：TELNET 终端仿真服务 TCP 25端口：SMTP 简单邮件传输服务 UDP 53端口：DNS 域名解析服务 TCP 80端口：HTTP 超文本传输服务 TCP 110端口：POP3 “邮局协议版本3”使用的端口 TCP 443端口：HTTPS 加密的超文本传输服务 TCP 1521端口：Oracle数据库服务 TCP 1863端口：MSN Messenger的文件传输功能所使用的端口 TCP 3389端口：Microsoft RDP 微软远程桌面使用的端口 TCP 5631端口：Symantec pcAnywhere 远程控制数据传输时使用的端口 UDP 5632端口：Symantec pcAnywhere 主控端扫描被控端时使用的端口 TCP 5000端口：MS SQL Server使用的端口 UDP 8000端口：腾讯QQ 用户数据报协议UDP • UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能， 即端口的功能和差错检测的功能。 • 虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP在 某些方面有其特殊的优点。 UDP 的主要特点 • UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。 • UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也 不使用拥塞控制。 • UDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体 通信的要求。 • UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。 • UDP 的首部（不包括伪首部）开销小，只有8 个字节。 面向报文的UDP 发送方UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向 下交付IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也 不拆分，而是保留这些报文的边界。 应用层交给UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发 送一个报文。 接收方UDP 对IP 层交上来的UDP 用户数据报，在去除首部 后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整 的报文。 应用程序必须选择合适大小的报文。 面向报文的UDP UDP的首部格式 UDP的首部格式 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。 UDP的首部格式 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。 传输控制协议TCP • • • • • • TCP 是面向连接的运输层协议。 每一条TCP 连接只能有两个端点(endpoint) 每一条TCP 连接只能是点对点的（一对一）。 TCP 提供可靠交付的服务。 TCP 提供全双工通信。 面向字节流。 理解TCP • 所谓面向连接的，是指在彼此通信前要先建立连接。同 时这种点对点的连接表明了TCP不支持多播和广播。 • 所谓可靠的，是指TCP有一堆保证数据传输准确的机制。 • 所谓字节流，是指TCP接收端并不知道发送端每次向该 连接写入了多少数据，只关心通过限制能从连接中最大 字节数。 TCP面向流的概念 应当注意 • TCP 连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。 • TCP 对应用进程一次把多长的报文发送到TCP 的缓存中 是不关心的。 • TCP 根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决 定一个报文段应包含多少个字节（UDP 发送的报文长度 是应用进程给出的）。 • TCP 可把太长的数据块划分短一些再传送。TCP 也可等 待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。 TCP 的连接 • TCP 把连接作为最基本的抽象。 • 每一条TCP 连接有两个端点。 • TCP 连接的端点不是主机，不是主机的IP 地址，不是应 用进程，也不是运输层的协议端口。TCP 连接的端点叫 做套接字(socket)或插口。 • 端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了套接字。 套接字(socket) 每一条TCP 连接唯一地被通信两端的两 个端点（即两个套接字）所确定。即： 可靠传输的工作原理 停止等待协议 请注意 • 在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副 本。 • 分组和确认分组都必须进行编号。 • 超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往 返时间更长一些。 确认丢失和确认迟到 可靠通信的实现 • 使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传 输网络上实现可靠的通信。 • 这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ (Automatic Repeat reQuest)。 • ARQ 表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求 发送方重传某个出错的分组。 TCP 报文段的首部格式 字段说明 • 16位源端口号：指建立连接（或发送数据）的端口号 • 16位目的端口号：指连接另一端（或接受数据）的端口 号 • 32位序号：发送的字节序号，如果是新建立的连接，则 第一个包的seq为0，否则为上一个数据包的确认序号。 同一个包中的序号和确认序号是不同的。 • 32位确认序号：等于接收到数据包的序号seq+数据包的 长度len。同时告诉对端，下一个数据包的开头字节序号。 • 4位首部长度：tcp包首部的长度。 字段说明 • URG：紧急指针有效。它使一端可以告诉另一端有些具 有某种方式的“紧急数据”已经放置在普通的数据流中。 • ACK：确认序号有效 • PSH：接收方应尽快将这个报文段交给应用层。发送方 使用PUSH标志通知接收方将所收到的数据全部提交给接 收进程。这里的数据包括与PUSH一起传送的数据以及接 收方TCP已经为接收进程收到的其他数据（还在TCP的缓 冲区中）。 • RST：重置连接 字段说明 SYN：同步信号，用于发起一个连接 FIN：发端完成发送任务，关闭连接 16位窗口大小：TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的 窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字 段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大 小是一个16 bit字段，因而窗口大小最大为65535字节。 16位校验和：检验和覆盖了整个的TCP报文段：TCP首部和 TCP数据。 16位紧急指针：只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧 急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧 急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另 一端发送紧急数据的一种方式。 字段说明 选项：部分可选配置，主要有以下几种： 每个选项的开始是1字节kind字段，说明选项的类型。kind字段 为0和1的选项仅占1个字节。其他的选项在kind字节后还有len 字节。它说明的长度是指总长度，包括kind字节和len字节。 TCP可靠性传输 为方便描述可靠传输原理，假定数据传输只在一个方向上 进行，即A发 TCP的滑动窗口是以字节为单位的。为了便于说明，字节编 号取得很小。先假定A收到B发来的确认报文字段，其中窗 口是20字节，而确认号是31字节。（表明B期望接收到的下 一个序号是31，序号30之前的数据已经收到了）。如图所 示。送数据，B给出确认 TCP可靠性传输 发送窗口表示：在没有收到B的确认的情况下，可以连续把 窗口内的数据发送出去。凡是已经发送过的数据，在未收 到确认之前都必须暂时保留，以便超时重传使用。 发送窗口有如下特点： 1）发送窗口里面的序号表示允许发送的序号（如 31~50） 2）发送窗口的位置由窗口的前沿和后沿的位置共同 确定。发送窗口的后沿可能不动（没有收到确认），或者 前移（收到新的确认）。发送窗口的前沿通常是不断的向 前移动，但也可能不动。 TCP可靠性传输 现在假定A发送了序号为31-41的数据，如上图所示，图中可以 看出要描述一个发送窗口的状态需要三个指针P1， P2， P3。 小于P1的是已发送并收到确认的部分，大于P3的是不允许发 送部分。 P3-P1 = A的发送窗口（又称为通知窗口） P2-P1 = 已发送但尚未收到确认的字节数 P3-P2 = 允许发送但尚未收到的字节数（又称为可用窗口或有 效窗口） TCP可靠性传输 B的接收窗口大小为20。在接收窗口外面，到30号为止 的数据均发送过确认并交付主机使用，因此B不再保留（之 前的数据）。 如图所示，B收到了32和33的数据。这些数据没有按序到达， 因为序号为31的数据没有收到。由于B只能对按序到达的数 据中的最高序号给出确认，因此B的发送的确认号仍然是31， 而不能是32或33。 TCP可靠性传输 现在假定B收到序号为33的数据并把序号为31-33的数据交付给主机，然后B删 除这些数据。接着把接收窗口向前移动3个序号，同时给A发出确认。其窗口值 仍未20，但确认号34,表明B已经接收到序号33为止的数据。而B收到的37 38 40 的数据没有按序到达，先暂存在接收窗口中。 如果按照以上的方式进行发送数据。当发送窗口已满，可用窗口减小到0， 因此发送停止。如果发送窗口内所有数据都正确到达B,而发出的确认由于网络 问题没 有到达A，为保证传输，此时A只能认为B还没有收到这部分数据。于是 A经过一段时间过（由超时计时器控制）重传这部分数据，直到收到B的确认 为止。 利用滑动窗口实现流量控制 • 如果发送方把数据发送得过快，接收方可能会来不及接 收，这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送 方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。 • 利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发 送方的流量控制。 必须考虑传输速率 可以用不同的机制来控制TCP报文段的发送时机。如： • TCP维持一个变量，它等于最大报文段长度MSS。只要缓 存中存放的数据达到MSS字节时，就组装成一个TCP报文 段发送出去。 • 由发送方的应用进程指明要求发送报文段，即TCP支持 的推送( push )操作。 • 发送方的一个计时器期限到了，这时就把已有的缓存数 据装入报文段(但长度不能超过MSS)发送出去。 拥塞控制 • 拥塞：即对资源的需求超过了可用的资源。若网络中许 多资源同时供应不足，网络的性能就要明显变坏，整个 网络的吞吐量随之负荷的增大而下降。 • 拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使 网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都 有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制 是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以 及与降低网络传输性能有关的所有因素。 • 流量控制：指点对点通信量的控制，是端到端正的问题。 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以 便使接收端来得及接收。 拥塞控制代价 • 需要获得网络内部流量分布的信息。 • 在实施拥塞控制之前，还需要在结点之间交换信息和各 种命令，以便选择控制的策略和实施控制。这样就产生 了额外的开销。 • 拥塞控制还需要将一些资源分配给各个用户单独使用， 使得网络资源不能更好地实现共享。 几种拥塞控制方法 慢开始和拥塞避免： • 发送方维持一个拥塞窗口 cwnd ( congestion window )的 状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并 且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞。 • 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞， 拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。 但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注 入到网络中的分组数。 慢开始算法 慢开始算法：当主机开始发送数据时，如果立即所大量数 据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现 在并不清楚网络的负荷情况。因此，较好的方法是 先探测 一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到 大逐渐增大拥塞窗口数值。通常在刚刚开始发送报文段时， 先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而 在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至 多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞 窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。 拥塞避免算法 • 让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间 RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样 拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥 塞窗口增长速率缓慢得多。 • 无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判 断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认），就要把 慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的 一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置 为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少 主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有 足够时间把队列中积压的分组处理完毕。 拥塞避免算法 快重传和快恢复 • 如果发送方设置的超时计时器时限已到但还没有收到确 认，那么很可能是网络出现了拥塞，致使报文段在网络 中的某处被丢弃。这时，TCP马上把拥塞窗口 cwnd 减小 到1，并执行慢开始算法，同时把慢开始门限值ssthresh 减半。这是不使用快重传的情况。 • 快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后 就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文 段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时才进行捎 带确认。 快重传 快重传 接收方收到了M1和M2后都分别发出了确认。现在假定接 收方没有收到M3但接着收到了M4。显然，接收方不能确 认M4，因为M4是收到的失序报文段。根据 可靠传输原理， 接收方可以什么都不做，也可以在适当时机发送一次对M2 的确认。但按照快重传算法的规定，接收方应及时发送对 M2的重复确认，这样做可以让 发送方及早知道报文段M3 没有到达接收方。发送方接着发送了M5和M6。接收方收 到这两个报文后，也还要再次发出对M2的重复确认。这样， 发送方共收到了 接收方的四个对M2的确认，其中后三个 都是重复确认。快重传算法还规定，发送方只要一连收到 三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段M3， 而不必继续等待M3设置的重传计时器到期。由于发送方尽 早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个 网络吞吐量提高约20%。 快恢复 • 当发送方连续收到三个重复确认，就执行“乘法减小”算 法，把慢开始门限ssthresh减半。这是为了预防网络发生 拥塞。请注意：接下去不执行慢开始算法。 • 由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此与 慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口 cwnd现在不设置为1），而是把cwnd值设置为慢开始门 限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法 （“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。 快恢复 运输连接管理 主动建立连接 被动建立连接 主动关闭连接 被动关闭连接 建立连接 关闭连接