第五章傳輸層

第五章運輸層1、運輸層的協(xié)議概述2、用戶數據報協(xié)議UDP3、可靠傳輸的工作原理4、傳輸控制協(xié)議TCP第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務低層功能：運輸層以下各層完成面向網絡的系統(tǒng)間通信功能。高層功能：運輸層以上各層完成面向用戶的端系統(tǒng)兩端進程間通信功能。運輸層在體系結構中處于橋梁作用，它是面向通信的最高層。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務運輸層在層次體系結構中的地位應用層運輸層網絡層數據鏈路層物理層面向信息處理網絡功能面向通信用戶功能第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務1）端-端通信端系統(tǒng)兩端進程之間的通信稱為“端-端通信”。要求：實現與通信子網無關的透明傳輸，獲得不依賴于通信子網的服務質量（QoS）。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務1）端-端通信端-端通信運輸層運輸層AP3AP5通信子網第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務1）端-端通信運輸層向互相通信的進程提供端到端的可靠通信。AP3AP5AP2AP1AP6AP4網絡1網絡2主機A主機B第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務2）運輸層的功能與作用設置運輸層的必要性和作用：高層運輸層低層端系統(tǒng)中間結點低層端系統(tǒng)低層運輸層高層第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務2）運輸層的功能與作用運輸層功能：通過補充和完善低層網絡通信服務質量的差異和不足，向上層提供具有統(tǒng)一服務質量的、可靠的、端-端的“透明”數據傳輸服務。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務2）運輸層的功能與作用運輸層任務：根據已知網絡服務質量，確定相應的傳送協(xié)議規(guī)格，達到最佳利用網絡通信資源向上層提供統(tǒng)一的傳送服務質量，使上層用戶具有通用的運輸層接口。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務2）運輸層的功能與作用運輸層的作用：向上層用戶屏蔽下層通信細節(jié)，使上層用戶“看到”的是兩端運輸層實體之間存在一條端-端的數據通路。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務3）運輸層與上下層的關系傳輸實體傳輸實體主機ATSAP傳輸服務用戶傳輸協(xié)議應用層層接口層接口主機BNSAP應用層實體運輸層服務訪問點網絡層服務訪問點網際層運輸層第一節(jié)運輸層協(xié)議概述1、運輸層的作用與端-端數據傳送服務3）運輸層與上下層的關系運輸層中向應用層提供傳輸服務的是傳輸實體。使用傳輸服務的是傳輸服務用戶（即應用層中的應用實體），傳輸協(xié)議保證運輸層能夠向應用層提供傳輸服務。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述2、網絡服務質量運輸層要求的網絡服務質量參數：

QoS參數由傳輸服務用戶在建立連接請求時通過協(xié)商確定。源端給出希望值和最小可接受值，宿端給予肯定或新建議值或否定應答。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述2、網絡服務質量根據網絡QoS，將連接端系統(tǒng)的網絡分為三種類型：

A型網絡：能提供可接收的剩余差錯率，可忽略的丟失、重復和亂序概率，極少的網絡連接復位/重啟。如，多數局域網。

B型網絡：能提供可接收的剩余差錯率，可忽略的丟失、重復和亂序概率。但具有不可接受的傳輸失敗率和連接建立故障率（較好的數據服務和較差的連接服務）。如，X.25網。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述2、網絡服務質量根據網絡QoS，將連接端系統(tǒng)的網絡分為三種類型：

C型網絡：存在不可接收的剩余差錯率，有較多的丟失、重復和亂序發(fā)生。較多的網絡連接復位/重啟。如，提供無連接服務的廣域網、無線分組交換網。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述2、網絡服務質量運輸層使用不同的傳送協(xié)議類來匹配不同的網絡類型：

簡單類傳輸協(xié)議：只提供連接管理機制，無差錯控制、流控、排序功能。A型網絡

基本故障恢復類傳輸協(xié)議：無差錯控制、流控功能，但對網絡連接故障進行監(jiān)視。B型網絡

差錯與故障恢復類傳送協(xié)議：能恢復網絡連接的復位/

重啟引起的傳送故障，能處理、糾正數據的丟失、亂序等差錯，具有流控功能。C型網絡第一節(jié)運輸層協(xié)議概述3、運輸層的兩個主要協(xié)議

用戶數據報協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol):

在傳送數據之前不需要先建立連接，主機在運輸層收到UDP報文后，不需要給出確認。在一些情形下，

UDP是一種有效的工作方式

傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)：提供面向連接的服務。在傳送數據之前必須建立連接，數據傳送結束后要釋放連接。提供確認、流量控制、計時器以及連接管理，在提供可靠的、面向連接的運輸服務的同時，增加了許多開銷。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述3、運輸層的兩個主要協(xié)議應用應用層協(xié)議運輸層協(xié)議名字轉換DNSUDP文件傳送TFTPUDP路由選擇協(xié)議RIPUDPIP地址配置BOOTP,DHCPUDP網絡管理SNMPUDP遠程文件服務器NSPUDPIP電話專用協(xié)議UDP流式多媒體通信專用協(xié)議UDP電子郵件SMTPTCP遠程終端接入TELNETTCP萬維網HTTPTCP文件傳送FTPTCP第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口

UDP和TCP使用端口（port）與上層的應用進程進行通信。應用層的各種進程通過相應的端口與運輸實體進行交互。

TCP建立連接采用客戶服務器模式。主動發(fā)出建立連接的進程稱為客戶，被動等待建立連接的進程稱為服務器。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口運輸層與應用層的接口所設置端口是一個16位地址，并用端口號進行標識。端口號分為兩類：服務器端使用的端口號客戶端使用的端口號第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口服務器端的端口號分為兩類：熟知端口或系統(tǒng)端口號，數值為0~1023；登記端口號，數值為1024~49151

如：TELNET為23，FTP為21，SNMP為161，SMTP為25。IPUDPTCPRPCSNMPTFTPSMTPFTPTELNET11116169252123第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口客戶端的端口號：短暫端口號，數值為49152~65535；這類端口號留給客戶進程選擇暫時使用，通信結束后，剛使用過的端口號不復存在，可供其他客戶進程以后使用。第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口端口的基本工作方式如：AB端口49500端口49501IP=3IP=2C端口49500連接1連接2連接3端口25IP=5第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口

TCP使用“連接”作為最基本抽象。連接由它的兩個端點來標識。端點稱為插口（SOCKET），插口包括32位IP地址和16位端口號，共48位。在Internet中，運輸層通信的一對插口必須是唯一的。例如，一個連接的一對插口可以表示為（3，49500）和（5，25）第一節(jié)運輸層協(xié)議概述4、運輸層的端口

UDP使用“應用編程接口API”作為運輸層與應用層之間的接口的通用名稱。流行的API有兩類：一類BerkelySocket插口，另一類是運輸層接口TLI，由AT&T公司開發(fā)。第二節(jié)用戶數據報協(xié)議UDP

用戶數據報UDP的主要特點：面向無連接盡最大努力交付面向報文無擁塞控制支持一對一、一對多、多對一和多對多交互通信首部開銷小第二節(jié)用戶數據報協(xié)議UDP

用戶數據報UDP有兩個字段：數據字段首部字段：8個字節(jié)，4個字段。各字段意義如：偽首部長度檢驗和首部數據122222字節(jié)源端口目的端口UDP數據報44112字節(jié)源IP地址17UDP長度目的IP地址01、不需要運輸層協(xié)議的數據傳輸第三節(jié)可靠傳輸的工作原理兩臺計算機通過通信的簡化模型注：全雙工通信時：主機A與主機B具有發(fā)送和接收緩沖區(qū)。主機A主機B運輸層發(fā)送緩存接收緩存報文1、完全理想化的數據傳輸理想化的數據傳輸具備的假設條件：理想的傳輸信道，數據傳輸無差錯和丟失；無論發(fā)方以任何速率發(fā)送數據，收方能及時接收，并交給主機。即接收端向主機交付數據的速率永遠不低于發(fā)送端發(fā)送數據的速率，否則就會造成緩存溢出或報文丟失。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理2、具有簡單流量控制的運輸層協(xié)議假設取消第二個條件，即主機A向主機B傳輸數據是一條無差錯的理想信道。對于信道需要進行流量控制。

若希望收發(fā)雙方保持發(fā)送與接收的同步，由接收方接收到報文，交付主機后，給發(fā)送方發(fā)一信息，表示接收任務已經完成。結論：由收方控制發(fā)方的數據流。這是計算機網絡流量控制的一個基本方法。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理2、具有簡單流量控制的運輸層協(xié)議第三節(jié)可靠傳輸的工作原理ABAB時間送主機B送主機B送主機B送主機B送主機B送主機B不需要任何協(xié)議的數據傳輸具有簡單流量控制的協(xié)議3、實用的停止等待協(xié)議假設傳輸不可靠，且還需要對發(fā)送端進行流量控制。報文傳輸的幾種情形：正常情況：循環(huán)冗余校驗CRC，收方發(fā)送確認ACK。報文出錯：收方發(fā)送否認NAK，發(fā)方重發(fā)出錯。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理3、實用的停止等待協(xié)議數據傳輸的幾種情形：報文丟失：死鎖，發(fā)送方依據超時定時器的重發(fā)時間tout，若收不到接收方的應答時，發(fā)方將重發(fā)該。應答丟失：按超時重發(fā)會引起重復，發(fā)方對于發(fā)送的報文增加序號，若序號相同，則接收方丟棄該報文，并向發(fā)送方發(fā)出應答。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理3、實用的停止等待協(xié)議第三節(jié)可靠傳輸的工作原理時間AB送主機送主機（1）正常情形DATA0DATA1ACKACK（2）數據出錯AB送主機DATA0DATA0NAKACK出錯重傳3、實用的停止等待協(xié)議第三節(jié)可靠傳輸的工作原理重傳重傳AB送主機（3）數據丟失DATA0DATA0ACKtout丟失（4）確認丟失AB送主機丟棄DATA0DATA0ACKACK丟失tout3、實用的停止等待協(xié)議循環(huán)冗余校驗CRC方法：G（x）由協(xié)議規(guī)定。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理發(fā)送數據f（x）生成多項式G（x）實際發(fā)送：數據字段校驗字段+發(fā)送數據f’（x）生成多項式G（x）R’（x）R（X）接收正確R’（x）R（X）接收出錯其中k為G（X）的最高冪值4、停止等待協(xié)議算法算法基本思路：發(fā)送端在發(fā)送完報文在其發(fā)送緩沖區(qū)保留此數據的副本。出錯可重發(fā)，接到ACK時清除該副本。發(fā)送端對出錯的數據的重發(fā)是自動進行的，這種差錯控制體制通常簡稱為ARQ，即自動重發(fā)請求。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理第三節(jié)可靠傳輸的工作原理5、停止等待協(xié)議的定量分析數據和確認的發(fā)送時間關系DATADATAACKtftouttptprtatptprtT數據的發(fā)送時間設置的重傳時間兩個成功發(fā)送的數據之間的最小時間間隔傳播時延處理時間確認發(fā)送時間第三節(jié)可靠傳輸的工作原理5、停止等待協(xié)議的定量分析停止等待協(xié)議ARQ的優(yōu)點：比較簡單，缺點：通信信道的利用率不高。為進一步改進：提出連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ。6、連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理工作原理：發(fā)送方連續(xù)發(fā)送數據，應答編號對應發(fā)送。差錯的控制方法有兩種：發(fā)送否認；不作響應。常用的是后一種，協(xié)議簡單。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理6、連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理應當注意：接收端只按序接收數據，從出錯開始重發(fā)，之后的正確的數據也必須丟棄。發(fā)送端每發(fā)送完一個數據時都要設置超時定時器，在該時間內未收到確認報文，重發(fā)報文。優(yōu)缺點：連續(xù)ARQ提高了效率，同時，重傳中存在降低效率的因素。當信道傳輸質量差且誤碼率高時，性能較差。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理6、連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理第三節(jié)可靠傳輸的工作原理ACK0ACK1NAK2ACK2ACK3發(fā)送端接收端重傳0152342345601523423456丟棄6、連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理第三節(jié)可靠傳輸的工作原理ACK0ACK1NAK2ACK2ACK3發(fā)送端接收端重傳0152342678901523426789丟棄ACK4ACK5ACK6第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念在使用連續(xù)ARQ協(xié)議時，存在問題：一個報文出錯需要重發(fā)很多報文需要對大量報文進行編號?？紤]采用窗口機制解決上述問題，即發(fā)送窗口與接收窗口。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念發(fā)送窗口用來對發(fā)送端進行流量控制，發(fā)送窗口的大小表示在沒有收到確認的情況下，最多可以發(fā)送的報文數目。接收窗口用來接收可以接收的報文，即發(fā)送序號落入接收窗口的報文，接收窗口外的報文一律丟棄。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念發(fā)送窗口：發(fā)送端在還沒有收到確認的情況下，最多可以發(fā)送的報文的數目。發(fā)送報文需要編碼，如，3比特可編碼0--7。窗口大小WT在其范圍之內。接收窗口：只有當接收的報文落在接收窗口，才允許將該報文收下。連續(xù)ARQ的接收窗口大小WR為1?；瑒哟翱趨f(xié)議：發(fā)送和接收窗口按規(guī)律向前滑動。思考：停止等待協(xié)議的WT和WR是多少？第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念01523467012…發(fā)送窗口WT允許發(fā)送5個報文不允許發(fā)送這些報文01523467012…發(fā)送窗口WT允許發(fā)送4個報文不允許發(fā)送這些報文已發(fā)送1報文第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念01523467012…發(fā)送窗口WT不允許發(fā)送這些報文已發(fā)送報文01523467012…發(fā)送窗口WT不允許發(fā)送這些報文已發(fā)送允許發(fā)送3個報文已發(fā)送并已收到確認的報文第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念01523467012…不允許接收這些報文準備接收0號報文接收窗口WR01523467012…WR已收到不允許接收這些報文準備接收1號報文第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念01523467012…WR已收到不允許接收這些報文準備接收4號報文對于停止等待協(xié)議：WTWR==1第三節(jié)可靠傳輸的工作原理7、滑動窗口的概念考察滑動窗口最大值問題。當報文的發(fā)送序號所占用比特一定時，如WT=8

，發(fā)送端發(fā)送完0~7號報文，發(fā)送窗口已滿，并且每個報文正確到達接收端，而對于每個報文，接收端都發(fā)送出確認報文。所有確認報文正確到達發(fā)送端，發(fā)送端接著發(fā)送8個序號為0~7的報文，序號是循環(huán)使用的。所有確認報文都丟失了，由超時計時器控制時間后，發(fā)送端重傳8個舊的原序號為0~7的報文。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理5、選擇重傳ARQ協(xié)議

為提高信道利用率，只重傳出錯的報文或超時的報文。策略：加大接收窗口，以便接收發(fā)送序號不連續(xù)但處于接收窗口中的報文。等到所缺序號報文收到后一起交給主機。第三節(jié)可靠傳輸的工作原理5、選擇重傳ARQ協(xié)議

對于選擇重傳ARQ協(xié)議，接收窗口不應該大于發(fā)送窗口。若用n比特進行編號，則可以證明，接收窗口的最大值必須滿足：

WR2n/2當接收窗口WR為最大值時，

WT=WR=2n/2。如當n=3時，WT=WR=4。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP1、TCP主要特點面向連接每條連接只能有兩個端點提供可靠交付服務提供全雙工通信面向字節(jié)流第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP2、TCP報文段格式數據緊急指針檢驗和TCP首部TCP數據IP首部IP數據源端口號目的端口號發(fā)送序號確認序號數據偏移IP分組選項窗口尺寸保留TCP首部TCP報文段第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP

源/目的端口號：16位，同源/目的IP地址組成傳送連接標識。發(fā)送序號：32位，數據部分第一個字節(jié)的序號。確認序號：32位，期望收到下一個TCP報文段中第一個數據字節(jié)的序號。數據偏移：4位，數據部分的開始位置（TCP

首部長度），以4字節(jié)為單位。窗口尺寸：16位，通知對方在未收到確認時，允許發(fā)送數據的最多字節(jié)數。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP

檢驗和：16位，對包括數據部分的校驗。緊急指針：16位，指出數據部分中“緊急數據”末字節(jié)的位置。選項：目前僅一種選項：最大段尺寸，字節(jié)為單位。雙方傳輸實體協(xié)商采用的最大段尺寸值，默認值536字節(jié)。緊急比特URG：置1表示此報文段到達宿段傳輸層后，不排隊等待，優(yōu)先上交。確認比特ACK：置1，“確認序號”字段才有意義。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP

急迫比特PSH：置1，宿端運輸層不必等待緩沖區(qū)滿再上交，而是立即將此報文段連同已在緩沖區(qū)中的其它報文段上交。重置比特RST：置1，表示要求對方傳輸實體重新建立傳輸連接。同步比特SYN：置1，當ACK置0時，表示“連接請求”報文段；當ACK置1時，表示“連接響應”報文段；終結比特FIN：置1，表示“釋放連接請求”。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制取發(fā)送窗口WT=Min{通知窗口，擁塞窗口}

通知窗口：接收方根據接收能力，通知發(fā)送方，允許發(fā)送方連續(xù)發(fā)送的字節(jié)數。

通知窗口值寫入TCP報文段首部的“窗口尺寸”字段。初值由源、宿雙方傳輸實體在建立傳輸連接時協(xié)商確定。窗口大小可由接收方動態(tài)調整，發(fā)送方在未收到確認之前，最多可發(fā)送通知窗口限定的字節(jié)數。窗口大小以字節(jié)為單位。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制通知窗口=300字節(jié)已被確認未被確認不可發(fā)送尚未發(fā)送1001012002013004003014015005016001第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制例設初值WIN=400，每個報文段長100字節(jié)。SEQ=1SEQ=201ACK=201，WIN=300SEQ=301SEQ=401（重發(fā)）SEQ=201SEQ=101ACK=501，WIN=2001~1001~100101~200201~300101~200301~400401~500上交上交301~400401~500上交101~200301~400101~200101~200301~400401~500A接收方緩沖區(qū)400字節(jié)B第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制擁塞窗口：發(fā)送方根據網絡擁塞狀況確定出的可連續(xù)發(fā)送的字節(jié)數。說明：擁塞窗口調整策略是以發(fā)方出現“超時重發(fā)”作為“發(fā)生擁塞”的依據。其具體策略主要有：第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制初始置擁塞窗口=1KB，窗口門限=16KB；若擁塞窗口內數據成功發(fā)送完畢，收到確認，將擁塞窗口值加倍；當擁塞窗口超過門限后，若成功發(fā)送完窗口內的數據，將窗口值線性增值，每次1KB；出現擁塞，將擁塞窗口值降為1KB，將門限設置為出現擁塞時的窗口值的1/2。上述方法稱為：慢啟動，加速遞減，擁塞避免。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP3、TCP的流控機制281216128404624201620門限1擁塞窗口（KB）傳輸次數門限2超時發(fā)生第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP4、TCP的確認機制正常情況：發(fā)方收到確認，待積累的數據長度>W/2或>報文最大允許長度，進行發(fā)送；收方收到數據，待緩沖區(qū)已空閑1/2或緩沖區(qū)空閑部分>報文最大允許長度，發(fā)送確認。差錯情況：發(fā)方，超時重發(fā)；收方檢測有錯，丟棄；重復報文段，丟棄，發(fā)送確認；錯序報文段，要么丟棄，要么暫存。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP5、TCP的重發(fā)機制P()運輸層數據鏈路層T2T3T1

重發(fā)問題背景：對數據鏈路層，分布的方差小，可設Tout=T1。對運輸層，分布的方差大，若設Tout=T2，很多報文造成不必要的重發(fā)；若設Tout=T3，很多報文拖延了重發(fā)時間。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP5、TCP的重發(fā)機制重發(fā)時間的自適應算法：平均實驗估計T：測量報文段的往返時延M，作為樣本，

T新=?T舊+（1-）?M

（取=7/8）重發(fā)時間Tout：因特網早期作法：

Tout=?T（取=2）；改進作法：方差估計D新=?D舊+（1-）?|T-M|，

Tout=T+4?D第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP5、TCP的重發(fā)機制重發(fā)時間的自適應算法：測量樣本M

存在的問題：Tout(i-1)(i-1)ACKiACKitBA當出現超時，發(fā)方將重發(fā)報文。發(fā)方無法判斷ACKi是對哪個報文段的確認，從而無法計算往返時延M。第四節(jié)傳輸控制協(xié)議TCP5、TCP的重發(fā)機制重發(fā)時間的自適應算法：