計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理：第六章 傳輸層

1、第六章 傳輸層主要內(nèi)容傳輸服務(wù)傳輸協(xié)議的要素一個簡單的傳輸協(xié)議Internet傳輸協(xié)議-UDPInternet傳輸協(xié)議-TCP6.1傳輸服務(wù)一、向上層提供的服務(wù)傳輸層的最終目標(biāo)是向它的用戶提供高效的、可靠的和性價比合理的服務(wù)。傳輸實(shí)體：完成傳輸層功能的硬軟件，可能位于操作系統(tǒng)的內(nèi)核，或者在一個獨(dú)立的用戶進(jìn)程中，或者以一個連接庫的形式被綁定到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中。一、向上層提供的服務(wù)傳輸層向上層提供兩種服務(wù)面向連接的傳輸服務(wù)：連接建立，數(shù)據(jù)傳輸，連接釋放無連接的傳輸服務(wù)引入傳輸層的原因消除網(wǎng)絡(luò)層的不可靠性；網(wǎng)絡(luò)層是網(wǎng)絡(luò)承運(yùn)商控制的，傳輸層是用戶控制的。提供從源端主機(jī)到目的端主機(jī)的可靠的、與實(shí)際使用的網(wǎng)絡(luò)無

2、關(guān)的信息傳輸。即應(yīng)用開發(fā)人員可以根據(jù)一組標(biāo)準(zhǔn)的傳輸層的服務(wù)原語編寫代碼，可以運(yùn)行在各種不同的網(wǎng)絡(luò)上，不用處理不同的子網(wǎng)接口。二、傳輸服務(wù)原語（Transport Service Primitives）傳輸用戶（應(yīng)用程序）通過傳輸服務(wù)原語訪問傳輸服務(wù)。一個簡單傳輸服務(wù)的原語二、傳輸服務(wù)原語（2）傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU二、傳輸服務(wù)原語（3）不需要連接的時候，傳輸層的實(shí)體必須將它釋放，釋放連接的方式有兩種不對稱方式：任何一方都可以關(guān)閉雙向連接；對稱方式：每個方向的連接單獨(dú)關(guān)閉，雙方都執(zhí)行DISCONNECT才能關(guān)閉整條連接。三、Berkeley Sockets(伯克利套接字）在UNIX中使用的T

3、CP socket原語。被廣泛應(yīng)用于Internet程序設(shè)計(jì)中。伯克利套接字應(yīng)用舉例 （1）一個服務(wù)程序和幾個遠(yuǎn)程客戶程序利用面向連接的傳輸層服務(wù)完成通信。建立連接服務(wù)器程序調(diào)用socket創(chuàng)建一個新的套接字，并在傳輸層實(shí)體中分配表空間，此調(diào)用的參數(shù)規(guī)定了以后將會用到的地址格式、期望的服務(wù)類型，以及所用的協(xié)議。返回一個文件描述符用于以后調(diào)用中使用該套接字；調(diào)用bind將一個地址賦予該套接字，使得遠(yuǎn)程客戶程序能訪問該服務(wù)程序；伯克利套接字應(yīng)用舉例 （1）調(diào)用listen分配數(shù)據(jù)空間，以便存儲多個用戶的連接建立請求；調(diào)用accept將服務(wù)程序阻塞起來，等待接收客戶程序發(fā)來的連接請求。當(dāng)傳輸層實(shí)體接

4、收到建立連接的TPDU時，新創(chuàng)建一個和原來的套接字相同屬性的套接字并返回其文件描述符。服務(wù)程序創(chuàng)建一個子進(jìn)程處理此次連接，然后繼續(xù)等待發(fā)往原來套接字的連接請求。伯克利套接字應(yīng)用舉例 （2）客戶端程序調(diào)用socket創(chuàng)建一個新的套接字，并在傳輸層實(shí)體中分配表空間，返回一個文件描述符用于在以后的調(diào)用中使用該套接字；不必調(diào)用bind，因?yàn)榉?wù)器不關(guān)心客戶程序的地址調(diào)用connect阻塞客戶程序，傳輸層實(shí)體開始建立連接，當(dāng)連接建立完成時，取消阻塞；數(shù)據(jù)傳輸雙方使用send和receive完成數(shù)據(jù)的全雙工發(fā)送。釋放連接每一方使用close原語單獨(dú)釋放連接。四、套接子程序設(shè)計(jì)的例子 -Intenet文件服

5、務(wù)器（自學(xué)）傳輸服務(wù)是通過建立連接的兩個傳輸實(shí)體之間所用的傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。類似數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，必須解決差錯控制、分組順序、流量控制等問題。傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的四點(diǎn)區(qū)別:1.傳輸層需要顯式地給出目的端的地址。2.傳輸層初始連接復(fù)雜。見圖6-73.傳輸層源端和目的端之間的子網(wǎng)具有存儲能力。4.由于傳輸層管理大量動態(tài)變化的連接，所以和數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)緩沖和流量控制具有不同的處理方法。 6.2 傳輸服務(wù)的要素(a) Environment of the data link layer.(b) Environment of the transport layer.一、傳輸層編址（Addressi

6、ng）（1）當(dāng)一個應(yīng)用程序希望與一個遠(yuǎn)程應(yīng)用程序建立連接時，它必須指定是與哪個應(yīng)用程序相連。即定義遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的傳輸服務(wù)訪問點(diǎn)TSAP（Transport Service Access Point），將應(yīng)用進(jìn)程與這些TSAP相連。在Internet中，TSAP為（IP address, local port）；一、傳輸層編址（Addressing）（2）采用的連接方案如下：主機(jī)2上的時間服務(wù)進(jìn)程將自己關(guān)聯(lián)到1522號TSAP上，等待即將到來的請求。主機(jī)1上的一個應(yīng)用進(jìn)程想找出當(dāng)天的時間，發(fā)CONNECT請求，同時指定源地址為1208號TSAP和目的地址為1522號。這個動作最終導(dǎo)致在主機(jī)1的應(yīng)

7、用進(jìn)程和主機(jī)2的服務(wù)器1之間建立一個傳輸連接。然后主機(jī)1上應(yīng)用進(jìn)程發(fā)送一個請求，希望知道當(dāng)前的時間。時間服務(wù)器進(jìn)程用當(dāng)前的時間作為響應(yīng)然后傳輸連接釋放。一、傳輸層編址（Addressing）（3）問題是：主機(jī)1上的應(yīng)用進(jìn)程如何知道時間服務(wù)器是連接到1522號TSAP上的呢？即遠(yuǎn)方客戶程序如何獲得服務(wù)程序的TSAP？預(yù)先約定、廣為人知的，象telnet這些固定的服務(wù)是（IP地址，端口23）；數(shù)值范圍01023一、傳輸層編址（Addressing）（3）不能提前預(yù)知的TSAP地址，或一臺機(jī)器上有大量潛在的服務(wù)器進(jìn)程但大多數(shù)服務(wù)器的進(jìn)程有很少被使用，讓每個服務(wù)器進(jìn)程都主動地、全天候地監(jiān)聽一個TSAP

8、地址非常浪費(fèi)使用初始連接協(xié)議（initial connection protocol）為遠(yuǎn)程用戶提供多個服務(wù)的機(jī)器上使用一個稱為進(jìn)程服務(wù)器（process server）的進(jìn)程(inetd)同時在一組端口上監(jiān)聽；以等待外來的連接請求。遠(yuǎn)方客戶程序向它實(shí)際想訪問的服務(wù)程序的TSAP發(fā)出連接建立請求；如果沒有服務(wù)程序在此TSAP上監(jiān)聽，則遠(yuǎn)方客戶和進(jìn)程服務(wù)器建立連接；進(jìn)程服務(wù)器啟動與該請求的對應(yīng)的服務(wù)進(jìn)程，并使該進(jìn)程繼承和遠(yuǎn)程客戶的連接；遠(yuǎn)方客戶程序與所希望的服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)程服務(wù)器返回繼續(xù)監(jiān)聽；How a user process in host 1 establishes a conn

9、ection with a time-of-day server in host 2.一、傳輸層編址（Addressing）（4）在許多情形下還有一些服務(wù)必須獨(dú)立于進(jìn)程服務(wù)器而存在時，采用名字服務(wù)器（name server）或目錄服務(wù)器（directory server）的特殊進(jìn)程。一個特殊的進(jìn)程稱為名字服務(wù)器或目錄服務(wù)器（TSAP眾所周知）；用戶與名字服務(wù)器建立連接，然后發(fā)送一條消息，指定需要服務(wù)的名稱，名字服務(wù)器送回相應(yīng)的TSAP地址，后釋放與名字服務(wù)器的連接；與服務(wù)進(jìn)程建立連接。注意：當(dāng)創(chuàng)建一個新的服務(wù)時，必須向名字服務(wù)器注冊，給出它的服務(wù)名稱及其TSAP地址二、建立連接 （1）網(wǎng)絡(luò)可能

10、丟失、重復(fù)包，特別是延遲重復(fù)包（delayed duplicates）的存在，導(dǎo)致傳輸層建立連接的復(fù)雜性。非常擁塞的子網(wǎng)，導(dǎo)致確認(rèn)分組無法到達(dá)發(fā)送方，發(fā)送方發(fā)送重復(fù)分組，由于受到子網(wǎng)擁塞的影響。銀行的例子。對付這一問題的方法：1、使用一次性傳輸?shù)刂罚?、發(fā)起方為每個連接分配一個連接標(biāo)識符，即序號，序號增一，當(dāng)一個連接請求到來時，察看記錄表，看是否已用過，需要每個傳輸層實(shí)體無限期地維護(hù)一定數(shù)量的歷史信息二、建立連接 （2）解決延遲重復(fù)包的關(guān)鍵是丟棄過時的包，必須不允許分組在子網(wǎng)中生存無限長的時間，如果我們能確保沒有一個分組的生存期會超過某個已知的時間闞值，問題就好控制了。分組生存期的限定方法受限

11、制的子網(wǎng)設(shè)計(jì)在每個分組中放置一個跳計(jì)數(shù)器分每個分組打時間戳如果一個分組被發(fā)送出去之后，我們等待T秒時間，那么我們可以確信分組的所有痕跡都沒有了。機(jī)器崩潰后丟失所有內(nèi)存的問題，由Tomlinsong的方法解決，基本思路是確保兩個編號相同的TPDU不會永遠(yuǎn)同時有效二、建立連接（3）三次握手方案解決連接的建立A 發(fā)出序號為X的CR TPDU；B 發(fā)出序號為Y的CC TPDU并確認(rèn)A的序號為X的CR TPDU；A 發(fā)出序號為X的第一個數(shù)據(jù)TPDU，并確認(rèn)B的序號為Y的CR TPDU。Fig. 6-11 三、釋放連接 (1)兩種連接釋放方法非對稱式：一方釋放連接，整個連接斷開，存在丟失數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)；傳輸層

12、連接的釋放 (2)對稱式：由于兩軍問題（two-army problem）的存在，可以證明不存在安全的通過N次握手實(shí)現(xiàn)對稱式連接釋放的方法；但是在實(shí)際的通信過程中，使用三次握手 + 定時器的方法釋放連接在絕大多數(shù)情況下是成功的。四、流控制和緩存（Flow Control and Buffering）流控：傳輸層利用可變滑動窗口協(xié)議來實(shí)現(xiàn)流控。所謂可變滑動窗口協(xié)議，是指發(fā)送方的發(fā)送窗口大小是由接收方根據(jù)自己的實(shí)際緩存情況給出的。為了避免控制TPDU丟失導(dǎo)致死鎖，主機(jī)應(yīng)該周期性的發(fā)送TPDU。Fig. 6-16五、多路復(fù)用（Multiplexing）向上多路復(fù)用和向下多路復(fù)用(a) Upward

13、multiplexing. (b) Downward multiplexing.6.3一個簡單的傳輸協(xié)議（自學(xué)）6.4Internet傳輸協(xié)議-UDP（1）Internet的傳輸層有兩個協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）提供面向連接的、可靠的、端到端的、基于字節(jié)流的傳輸協(xié)議；用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP（User Data Protocol）無連接的端到端傳輸協(xié)議；一、UDP介紹UDP為應(yīng)用程序提供了一種方法來發(fā)送經(jīng)過封裝的IP數(shù)據(jù)報(bào)，不必建立連接。UDP不考慮流控、錯誤控制，不確認(rèn)。使用UDP的上層協(xié)議:RIP，路由信息周期發(fā)送DNS，避免TCP連接

14、建立延遲SNMP，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，網(wǎng)管也要運(yùn)行。網(wǎng)管信息帶內(nèi)（in-band）傳輸，用UDP比用可靠的、具有擁塞控制的TCP效果要好。對于要求高可靠的上層協(xié)議，可靠性由上層提供。二、遠(yuǎn)過程調(diào)用（1）允許本地的程序調(diào)用遠(yuǎn)程主機(jī)上的過程。稱為RPC當(dāng)機(jī)器1上的進(jìn)程調(diào)用機(jī)器2上的一個進(jìn)程的時候，機(jī)器1上的調(diào)用進(jìn)程被掛起，而機(jī)器2上被調(diào)用的過程則開始執(zhí)行。參數(shù)信息從調(diào)用方傳輸?shù)奖徽{(diào)用方，而過程的執(zhí)行結(jié)果則從反方向傳遞回來。所有消息傳遞對用戶都不可見。RPC實(shí)現(xiàn)的思想：為了調(diào)用一個遠(yuǎn)過程，客戶程序必須綁定一個小的庫過程，這個小的庫過程稱為客戶存根，它位于客戶地址空間中，但是代表了服務(wù)器過程。類似服務(wù)器需要

15、一個稱為服務(wù)器存根的過程。二、遠(yuǎn)過程調(diào)用（2）執(zhí)行RPC過程中的實(shí)際步驟三、實(shí)時傳輸協(xié)議（1）客戶-服務(wù)器RPC是UDP被廣泛應(yīng)用的一個領(lǐng)域，另一個領(lǐng)域是實(shí)時多媒體應(yīng)用。人們制定一個通用的實(shí)時傳輸協(xié)議RTP。見下圖RTP是一個在應(yīng)用層上的傳輸協(xié)議。(a) The position of RTP in the protocol stack. (b) Packet nesting.6.5Internet傳輸協(xié)議-TCP（1）一、TCP介紹面向連接的、可靠的、端到端的、基于字節(jié)流的傳輸協(xié)議；RFC 793，1122，1323，2018，2581等。TCP傳輸實(shí)體接受本地進(jìn)程的用戶數(shù)據(jù)流，并且將它們分

16、割成不超過64KB（通常不超過1460）的分片，然后以單獨(dú)的IP數(shù)據(jù)報(bào)的形式發(fā)送每一個分片。當(dāng)包含TCP數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)一個機(jī)器的時候，被遞交給TCP傳輸實(shí)體，然后再重構(gòu)原始的字節(jié)流。二、TCP服務(wù)模型應(yīng)用程序訪問TCP服務(wù)是通過在收發(fā)雙方創(chuàng)建套接字來實(shí)現(xiàn)的；套接字的地址是用（IP地址，主機(jī)端口號）來表示的。端口有16位二進(jìn)制組成，1024以下的端口號被稱為知名端口，如FTP/21，TELNET/23；每條連接用(套接字1，套接字2)來表示，如果某一臺機(jī)器需要利用FTP服務(wù)器的應(yīng)用程序，那么他可以連接到服務(wù)器的21號端口，從而與他的FTP守護(hù)進(jìn)程建立聯(lián)系。為了減少內(nèi)存中的對各個端口的守護(hù)進(jìn)程，

17、通常(UNIX)的做法是讓一個守護(hù)進(jìn)程同時關(guān)聯(lián)到多個端口上。TCP連接時全雙工的，是點(diǎn)到點(diǎn)的；TCP不支持多播（multicast）和廣播（broadcast）TCP連接是基于字節(jié)流的，而非消息流，消息的邊界在端到端的傳輸中不能得到保留； TCP的已被分配的端口PortProtocolUse21FTPFile transfer23TelnetRemote login25SMTPE-mail69TFTPTrivial File Transfer Protocol79FingerLookup info about a user80HTTPWorld Wide Web110POP-3Remote e

18、-mail access119NNTPUSENET news(a) 按單獨(dú)IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送的四個512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊(b) 在一次READ調(diào)用中傳遞給應(yīng)用程序的2048字節(jié)的數(shù)據(jù).二、TCP服務(wù)模型（2）對于應(yīng)用程序發(fā)來的數(shù)據(jù)，TCP可以立即發(fā)送，也可以緩存一段時間以便一次發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。為了強(qiáng)迫數(shù)據(jù)發(fā)送，可以使用PUSH標(biāo)記；對于緊急數(shù)據(jù)（urgent data），可以使用URGENT標(biāo)記。三、TCP 協(xié)議按字節(jié)分配序號，每個字節(jié)有一個32位的序號；傳輸實(shí)體之間使用段(segment)（TPDU）交換數(shù)據(jù)；每個段包含一個20字節(jié)的頭（選項(xiàng)部分另加）和隨后的0個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)。段的大小必須首先滿足

19、65535字節(jié)的IP包數(shù)據(jù)凈荷長度限制，還要滿足底層網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的最大傳輸單元（MTU）的限制，比如以太網(wǎng)的MTU為1500字節(jié)；TCP實(shí)體使用滑動窗口協(xié)議，確認(rèn)序號等于接收方希望接收的下一個序號。超時重傳四、TCP段頭 （1）四、TCP段頭 （2）源端口和目的端口：各16位；序號和確認(rèn)號：以字節(jié)為單位編號，各32位；TCP頭的長度：4位，長度單位為32位字，包含可選項(xiàng)域；6位的保留域；6位的標(biāo)識位：置1表示有效URG：和緊急指針配合使用，發(fā)送緊急數(shù)據(jù)；ACK：確認(rèn)號是否有效；PSH：指示發(fā)送方和接收方將數(shù)據(jù)不做緩存，立刻發(fā)送或接收；RST：由于不可恢復(fù)的錯誤重置連接；SYN：用于連接建立指示

20、；FIN：用于連接釋放指示四、TCP段頭 （3）窗口大?。河糜诨诳勺兓瑒哟翱诘牧骺?，指示發(fā)送方從確認(rèn)號開始可以再發(fā)送窗口大小的字節(jié)流；校驗(yàn)和：為增加可靠性，對TCP頭，數(shù)據(jù)和偽頭計(jì)算校驗(yàn)和；緊急指針：用來指示緊急數(shù)據(jù)在當(dāng)前數(shù)據(jù)段中的位置可選項(xiàng)域。五、TCP連接的建立 （1）三次握手建立連接服務(wù)器方執(zhí)行LISTEN和ACCEPT原語，被動監(jiān)聽；客戶方執(zhí)行connect原語，產(chǎn)生一個SYN為1和ACK為0的TCP段，表示連接請求；服務(wù)器方的傳輸實(shí)體接收到這個TCP段后，首先檢查是否有服務(wù)進(jìn)程在所請求的端口上監(jiān)聽，若沒有，回答RST置位的TCP段；若有服務(wù)進(jìn)程在所請求的端口上監(jiān)聽，該服務(wù)進(jìn)程可以決

21、定是否接受該請求。在接受后，發(fā)出一個SYN置1和ACK置1的TCP段表示連接確認(rèn)，并請求與對方的連接；發(fā)起方收到確認(rèn)后，發(fā)出一個SYN置0和ACK置1的TCP段表示給對方的連接確認(rèn)；若兩個主機(jī)同時試圖建立彼此間的連接，則只能建立一條連接。TCP Connection Establishment(a) TCP connection establishment in the normal case.(b) Call collision.6-31六、TCP連接的釋放TCP連接可堪稱一對單工連接，釋放過程對每個單工連接單獨(dú)釋放釋放連接時，發(fā)出FIN位置1的TCP段并啟動定時器，在收到確認(rèn)后關(guān)閉連接。若

22、無確認(rèn)并且超時，也關(guān)閉連接。八、TCP傳輸策略 （1）TCP的窗口管理機(jī)制基于確認(rèn)和可變窗口大?。淮翱诖笮?時，正常情況下，發(fā)送方不能再發(fā)TCP段，但有兩個例外緊急數(shù)據(jù)可以發(fā)送；為防止死鎖，發(fā)送方可以發(fā)送1字節(jié)的TCP段，以便讓接收方重新聲明確認(rèn)號和窗口大小。書上的例子的情況下，如何改進(jìn)傳輸層的性能？策略1：將確認(rèn)和窗口更新數(shù)據(jù)段延遲一段時間。發(fā)送方緩存應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，等到形成一個比較大的段再發(fā)出；在沒有可能進(jìn)行“捎帶”的情況下，接收方延遲發(fā)送確認(rèn)段；Window management in TCP.八、TCP傳輸策略 （1）八、TCP傳輸策略 （2）策略2：使用Nagle算法：當(dāng)應(yīng)用程序每次向傳輸實(shí)體發(fā)出一個字節(jié)時，傳