白話計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)考研輔導(dǎo)-課件 【ch05】傳輸層

傳輸層第五章白話計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)考研輔導(dǎo)01傳輸層概述傳輸服務(wù)傳輸層概述傳輸層服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)很相似，既然如此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)又為何要分傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層呢？答案就是“可靠性”。網(wǎng)絡(luò)層并不提供可靠性，路由器可能丟失分組，用戶無法控制中間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用戶不能選擇性能更好的路由器或質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)鏈路，那么如何保證數(shù)據(jù)可以正常傳輸呢？就要添加一個(gè)傳輸層。傳輸層應(yīng)能檢測(cè)到各種問題，并采取補(bǔ)救措施，從而提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層要彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、設(shè)計(jì)方面的各種缺陷。傳輸層就是用于“填坑”的，將網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的“坑”填平。打個(gè)比方，傳輸層服務(wù)前，網(wǎng)絡(luò)是遍布坑的公路，傳輸層服務(wù)后，網(wǎng)絡(luò)是平坦的公路。再談?wù)劇暗蛢r(jià)格”這個(gè)關(guān)鍵詞。如果在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)層提供可靠性，會(huì)如何呢？如果由網(wǎng)絡(luò)層提供可靠性，就要在路由器上添加可靠性功能，路由器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性會(huì)極大地提高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀疽矔?huì)極大地提高，那就與電話通信網(wǎng)的成本差別不大了。傳輸層概述傳輸層概述可靠性由通信網(wǎng)承擔(dān)還是由端用戶的計(jì)算機(jī)承擔(dān)，二者在價(jià)格方面的差別太大了?？煽啃杂啥擞脩舻挠?jì)算機(jī)承擔(dān)，才能實(shí)現(xiàn)低成本的數(shù)據(jù)傳輸，低價(jià)格是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將其他通信技術(shù)淘汰的本質(zhì)原因。要想實(shí)現(xiàn)低價(jià)格，可靠性顯然由操作系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)更加合理，直接由操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)是非常自然的選擇。傳輸層封裝在端計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)內(nèi)。打個(gè)比方，網(wǎng)絡(luò)如同封裝在房間內(nèi)的電線，在裝修時(shí)已經(jīng)埋好了，只是在墻上留了許多插座，人們看到的是插座。將房子裝修好，在墻上預(yù)留插座，這是工程隊(duì)做的事；將洗衣機(jī)、電冰箱等電器接在插座上，使用洗衣機(jī)、電冰箱是用戶的事。傳輸層概述對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來說，“可靠性”的關(guān)鍵是什么？或者反過來說，造成數(shù)據(jù)傳輸不可靠的最主要原因是什么？是網(wǎng)絡(luò)擁塞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，路由器就會(huì)丟棄分組。因?yàn)橐鉀Q網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，所以傳輸層需要具有“調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”的功能。傳輸層在端計(jì)算機(jī)內(nèi)，而端計(jì)算機(jī)是無法控制中間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的，“調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”從何談起呢？主機(jī)控制不了外部的路由器，只能控制主機(jī)自己。如同生活中我們常說的一句話，“你改變不了外部環(huán)境，只能改變你自己?！痹诰W(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，主機(jī)“改變自我”恰恰是解決問題的關(guān)鍵。所謂的“調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”，就是指主機(jī)的“改變自我”，而不是指控制中間的路由器。主機(jī)如何“改變自我”呢？主機(jī)的傳輸層要能感知到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，能感知到當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，則少發(fā)數(shù)據(jù)，讓中間網(wǎng)絡(luò)盡快恢復(fù)傳輸能力；若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通暢，則多發(fā)數(shù)據(jù)。傳輸層概述傳輸層概述端口最常用的從進(jìn)程到進(jìn)程的通信模式是客戶端與服務(wù)器模式。我們這里說的客戶端與服務(wù)器都是指一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，而不是機(jī)器。客戶端是請(qǐng)求服務(wù)、主動(dòng)發(fā)起呼叫的進(jìn)程。服務(wù)器是提供服務(wù)、被動(dòng)等待的進(jìn)程。由客戶端呼叫服務(wù)器，絕不可能由服務(wù)器呼叫客戶端。傳輸層概述端口范圍劃分如圖5-1所示。01熟知端口，端口范圍是0～1023，由ICANN分配和控制。03動(dòng)態(tài)端口，端口范圍是49152～65535，既不用指派，也不需要注冊(cè)，可以由任何進(jìn)程使用。最初建議客戶端使用的臨時(shí)端口應(yīng)該在這個(gè)范圍內(nèi)，但許多程序員沒有遵守這個(gè)建議。02注冊(cè)端口，端口范圍是1024～49151，ICANN不分配也不控制，但必須在ICANN登記，以防止重復(fù)。通常被沒有熟知端口的應(yīng)用程序使用。傳輸層概述傳輸層概述當(dāng)一個(gè)實(shí)體接收來自多個(gè)源的輸入時(shí)，就稱為復(fù)用（多到一），而當(dāng)一個(gè)實(shí)體將數(shù)據(jù)交到多個(gè)源時(shí)，就稱為分用（一到多）。源點(diǎn)的傳輸層執(zhí)行的是復(fù)用，而終點(diǎn)的傳輸層執(zhí)行的是分用，如圖5-2所示。傳輸層概述針對(duì)應(yīng)用層的不同需求，傳輸層有兩個(gè)主要協(xié)議，即面向連接的傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）和無連接的用戶報(bào)文協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP），如圖5-3所示。02簡(jiǎn)單的UDP簡(jiǎn)單的UDPUDP是無連接、不可靠的傳輸層協(xié)議。它只在IP數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了很少的功能，即端口功能和校驗(yàn)和功能，其中校驗(yàn)和功能是可選的。UDP的缺點(diǎn)是不可靠；優(yōu)點(diǎn)是開銷小，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，這對(duì)某些實(shí)時(shí)應(yīng)用是很重要的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，其無須調(diào)整，不會(huì)降低發(fā)送速率。簡(jiǎn)單的UDPUDP報(bào)文格式如圖5-4所示?？傞L(zhǎng)度：16位，頭部加數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。校驗(yàn)和：16位，在下文介紹。UDP頭部的說明如下。源端口號(hào)：16位，標(biāo)識(shí)源端應(yīng)用進(jìn)程。目的端口號(hào)：16位，標(biāo)識(shí)目的端應(yīng)用進(jìn)程。簡(jiǎn)單的UDP簡(jiǎn)單的UDP如果不選擇UDP校驗(yàn)和功能，那么校驗(yàn)和全為0，否則，計(jì)算校驗(yàn)和。計(jì)算時(shí)包含三部分：偽頭部、頭部、數(shù)據(jù)。注意：在UDP中，計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)包含數(shù)據(jù)部分。偽頭部格式如圖5-5所示。03復(fù)雜的TCP復(fù)雜的TCPTCP是面向連接的、可靠的協(xié)議。TCP協(xié)議首先建立連接，然后傳輸數(shù)據(jù)，最后刪除連接。TCP協(xié)議中包含了GBN與SR兩種協(xié)議的思想，使用了校驗(yàn)和、累積確認(rèn)、超時(shí)-重傳等機(jī)制。TCP是最重要的傳輸層協(xié)議。一個(gè)TCP報(bào)文段分為TCP頭部和數(shù)據(jù)兩部分，TCP頭部的前20字節(jié)是固定的，后面有4n字節(jié)是根據(jù)需要而增加的選項(xiàng)（n是整數(shù)）。因此TCP頭部的最小長(zhǎng)度是20字節(jié)。而TCP的全部功能都體現(xiàn)在它頭部各字段上。復(fù)雜的TCPTCP報(bào)文段格式如圖5-7所示。復(fù)雜的TCP圖5-8中給出了TCP控制位的簡(jiǎn)要說明。04TCP差錯(cuò)控制TCP是可靠的傳輸層協(xié)議，就是說TCP向應(yīng)用層交付的是按順序的、沒有差錯(cuò)的、沒有丟失的數(shù)據(jù)。TCP通過三種機(jī)制進(jìn)行差錯(cuò)控制：校驗(yàn)和、確認(rèn)與超時(shí)-重傳。校驗(yàn)和TCP規(guī)定每個(gè)報(bào)文段都必須使用16位的校驗(yàn)和。TCP校驗(yàn)計(jì)算時(shí)包含三部分：偽頭部、頭部、數(shù)據(jù)，計(jì)算方法與UDP一樣。TCP差錯(cuò)控制確認(rèn)累積確認(rèn)ACKTCP差錯(cuò)控制TCP采用確認(rèn)的方式來證實(shí)收到報(bào)文段。接收方可以在合適的時(shí)候單獨(dú)發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段，也可以在自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)把確認(rèn)信息捎帶上。TCP使用肯定的累積確認(rèn)。先解釋“肯定”，ACK就是“肯定”的意思。就是只在正確的情況下才發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段。當(dāng)發(fā)生報(bào)文段丟棄、丟失、重復(fù)這些錯(cuò)誤時(shí)，就什么也不做，即“報(bào)喜不報(bào)憂”。TCP差錯(cuò)控制超時(shí)-重傳差錯(cuò)控制的核心就是超時(shí)-重傳機(jī)制。具體來說，就是每發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，就設(shè)置一個(gè)重傳計(jì)時(shí)器，如果重傳時(shí)間到，但還沒有收到確認(rèn)報(bào)文段，就要重傳這一報(bào)文段。怎么設(shè)置重傳計(jì)時(shí)器的值（RTO）是TCP中最復(fù)雜的事情之一?，F(xiàn)在我們只需要知道，對(duì)重傳計(jì)時(shí)器的值的估算要盡可能準(zhǔn)確，主教材中介紹的重傳計(jì)時(shí)器的值設(shè)置算法，大多讀者覺得不好理解，本書對(duì)其進(jìn)行如下解讀。05TCP流量控制TCP流量控制圖5-10是一個(gè)發(fā)送窗口的例子，TCP中的窗口大小以字節(jié)為單位。窗口傳輸?shù)膶?shí)際是一個(gè)個(gè)報(bào)文段，但控制窗口的變量是以字節(jié)為單位的。TCP只使用一個(gè)重傳計(jì)時(shí)器。為方便說明，字節(jié)序號(hào)取得很小。接收窗口在TCP中，在接收數(shù)據(jù)時(shí)涉及兩種變化。一是分配的接收緩沖區(qū)（緩存）的變化，二是接收窗口的變化。接收緩沖區(qū)和接收窗口都在滑動(dòng)，在理解的時(shí)候有一點(diǎn)困難。接收方會(huì)分配一段內(nèi)存空間作為接收緩沖區(qū)。通常情況下，接收方的接收緩沖區(qū)中包含已接收且確認(rèn)的數(shù)據(jù)，它們正在等待應(yīng)用進(jìn)程將它們拉取走，這里將其稱為未交付數(shù)據(jù)。TCP流量控制TCP流量控制來接收新數(shù)據(jù)的空間稱為接收窗口，如圖5-11所示。TCP流量控制接收方每次正確接收一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，發(fā)送對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)的確認(rèn)報(bào)文段，發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段后，接收窗口的后沿Rn就向前滑動(dòng)。正確接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收緩沖區(qū)內(nèi)，若應(yīng)用進(jìn)程不將其拉取走，隨著不斷接收新數(shù)據(jù)，接收窗口（可用的接收緩存）就會(huì)越來越小，直到為零。當(dāng)應(yīng)用進(jìn)程拉取走一些已接收數(shù)據(jù)，釋放了對(duì)應(yīng)的緩存空間時(shí)，接收窗口前沿向前滑動(dòng)。任何時(shí)刻，總有：rwnd（接收窗口大小）=接收緩沖區(qū)大小–未交付數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)TCP流量控制TCP通過滑動(dòng)窗口機(jī)制實(shí)現(xiàn)流量控制。我們先忽略差錯(cuò)、擁塞等其他因素，只簡(jiǎn)單討論一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸。圖5-12描述了一個(gè)例子，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器確認(rèn)。窗口的收縮TCP流量控制TCP協(xié)議強(qiáng)烈不建議進(jìn)行發(fā)送窗口的前沿收縮操作。但是，如果接收方通告的rwnd會(huì)導(dǎo)致發(fā)送窗口的前沿向后滑動(dòng)，那么發(fā)送窗口的前沿就會(huì)向后收縮。為了保證發(fā)送窗口不收縮，接收窗口就不允許收縮。接收窗口必須始終要保證：新前沿≥舊前沿。TCP流量控制見圖5-13，發(fā)送方最近一次收到通告，ackNo=206，rwnd=12，表示接收方已經(jīng)正確接收206號(hào)字節(jié)之前的數(shù)據(jù)，發(fā)送方就將發(fā)送窗口的后沿向前滑動(dòng)到206，前沿向前滑動(dòng)到206+12=218處。TCP流量控制零窗口與死鎖上文說，接收方通告rwnd時(shí)，要保證“新前沿≥舊前沿”。但是，TCP允許一個(gè)例外，就是rwnd=0。接收方用rwnd=0的報(bào)文段暫時(shí)關(guān)閉窗口，此刻，發(fā)送方實(shí)際并沒有收縮發(fā)送窗口，而是暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，直到新的rwnd通告到來。由發(fā)送方產(chǎn)生的糊涂窗口綜合征如果發(fā)送方TCP正在為一個(gè)產(chǎn)生數(shù)據(jù)很緩慢的應(yīng)用進(jìn)程服務(wù)，例如，一次產(chǎn)生1字節(jié)數(shù)據(jù)，就有可能產(chǎn)生糊涂窗口綜合征。解決方法是使用Nagle算法。由接收方產(chǎn)生的糊涂窗口綜合征如果接收方TCP正在為一個(gè)消耗數(shù)據(jù)很緩慢的應(yīng)用進(jìn)程服務(wù)，例如，一次消耗1字節(jié)數(shù)據(jù)，接收方每次發(fā)送rwnd=1的通告，就有可能產(chǎn)生糊涂窗口綜合征。解決方法是使用Nagle算法推遲確認(rèn)。TCP流量控制01Nagle算法步驟1：發(fā)送方TCP把它從應(yīng)用進(jìn)程收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送出去，即使只有1字節(jié)。03步驟3：重復(fù)步驟2。02步驟2：在發(fā)送一個(gè)報(bào)文段后，發(fā)送方TCP就在接收緩沖區(qū)中累積數(shù)據(jù)并等待，直至收到接收方發(fā)來的確認(rèn)，或者已積累了足夠的數(shù)據(jù)已達(dá)到報(bào)文段的最大長(zhǎng)度時(shí)，就立即發(fā)送一個(gè)報(bào)文段。TCP流量控制Nagle算法推遲確認(rèn)TCP流量控制報(bào)文段到達(dá)時(shí)，不立即發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段，接收方等待一段時(shí)間，直到輸入緩沖區(qū)中有足夠的空間（或者接收緩沖區(qū)中已有一個(gè)最長(zhǎng)報(bào)文段的空間，又或者接收緩沖區(qū)已有一半空閑的空間），就發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段。但推遲確認(rèn)等待時(shí)間不能超過500ms。06TCP擁塞控制TCP擁塞控制兩主機(jī)通過中間的一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，如圖5-14所示。正是因?yàn)橹虚g有網(wǎng)絡(luò)，就有了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。在談網(wǎng)絡(luò)擁塞之前，先回憶一下路由器的原理。TCP擁塞控制我們將數(shù)據(jù)傳輸比喻為流水，發(fā)送方如同水龍頭，中間水管如同傳輸網(wǎng)絡(luò)，接收方如同水桶，如圖5-15所示。多個(gè)水龍頭的水管網(wǎng)如圖5-16所示。擁塞窗口TCP擁塞控制上文討論過流量控制，流量控制是要保證接收方能順利接收數(shù)據(jù)。發(fā)送方能發(fā)送多少數(shù)據(jù)，由接收方接收能力決定。接收方通告一個(gè)接收窗口大?。╮wnd），是接收方的可用緩沖區(qū)空間，發(fā)送方的發(fā)送窗口大小不能大于rwnd?，F(xiàn)在，我們說的是中間傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。TCP中有一個(gè)控制變量，這個(gè)控制變量是根據(jù)中間傳輸網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)來調(diào)整的。擁塞窗口（CongestionWindow）大小（cwnd）根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度動(dòng)態(tài)地變化，發(fā)送窗口大小不能大于cwnd。超時(shí)上文已經(jīng)解釋過網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象，我們現(xiàn)在簡(jiǎn)單理解為：發(fā)送方的超時(shí)事件就表示中間傳輸網(wǎng)絡(luò)全部堵死了。3-ACK3-ACK也稱為“快重傳”（FastRetransmission），發(fā)送方發(fā)送2個(gè)段后，正常收到ACK，這個(gè)ACK是初始的ACK，重傳計(jì)時(shí)器清零。TCP擁塞控制TCP擁塞控制策略基于兩個(gè)階段：02擁塞避免（CongestionAvoidance，CA）階段。01慢啟動(dòng)（Slow-Start，SS）階段和。TCP擁塞控制TCP擁塞控制慢啟動(dòng)，指數(shù)增大擁塞窗口大小（cwnd）從1個(gè)最大報(bào)文段MSS開始。每收到一個(gè)ACK，擁塞窗口大小增加一個(gè)MSS。慢啟動(dòng)算法開始時(shí)，cwnd增大得很慢，但它是以指數(shù)形式增大的。擁塞避免，加法增大在擁塞避免階段，cwnd按加法形式增大。每次整個(gè)窗口的所有段都被確認(rèn)后，cwnd增加1。01擁塞控制策略的轉(zhuǎn)換通暢：無事件發(fā)生。擁塞避免階段持續(xù)，cwnd繼續(xù)按加法形式增大。03全擁塞：標(biāo)志事件是發(fā)送方超時(shí)。02半擁塞：標(biāo)志事件是發(fā)送方收到三個(gè)重復(fù)的ACK。TCP擁塞控制07TCP連接管理TCP連接管理TCP連接建立的過程稱為三次握手（Three-WayHandshaking），如圖5-24所示。服務(wù)器首先打開一個(gè)端口，端口處于監(jiān)聽?wèi)B(tài)，稱為被動(dòng)打開?？蛻舳税l(fā)起連接請(qǐng)求，連接到服務(wù)器打開的端口上，連接就建立了。TCP連接管理連接建立后，可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，如圖5-25所示?？蛻舳撕头?wù)器都可以發(fā)送數(shù)據(jù)和ACK。TCP連接使用了序號(hào)和確認(rèn)號(hào)的機(jī)制。序號(hào)TCP把要發(fā)送的數(shù)據(jù)都按字節(jié)編上號(hào)，兩個(gè)方向的序號(hào)是相互獨(dú)立的。序號(hào)并不是從0開始的，使用一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為初始序號(hào)，初始序號(hào)在建立連接的第1個(gè)SYN報(bào)文段中通告給對(duì)方。確認(rèn)號(hào)當(dāng)報(bào)文段中ACK置1時(shí)，報(bào)文的確認(rèn)號(hào)字段有效，TCP的確認(rèn)是累積確認(rèn)，確認(rèn)號(hào)字段值是完全接收到的數(shù)據(jù)的最后1字節(jié)的序號(hào)+1，表示此值前的數(shù)據(jù)已收到，期望接收的下一字節(jié)是