《計算機網(wǎng)絡概論》課件第5章

第5章傳輸層

傳輸層所使用的主要端口號傳輸服務和服務質量UDP協(xié)議的報文格式TCP協(xié)議的報文格式及連接傳輸管理TCP的流量控制與擁塞控制5.1傳輸層協(xié)議概述

5.1.1基本概念

傳輸層的任務是，利用網(wǎng)絡層的服務并結合其本身的功能，完成主機進程間的通信。傳輸層最終的目的是向用戶提供可靠、經(jīng)濟的數(shù)據(jù)傳送服務。

TCP/IP的傳輸層有兩個不同的協(xié)議：（1）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議

UDP (UserDatagramProtocol)（2）傳輸控制協(xié)議

TCP(TransmissionControlProtocol)

兩個對等傳輸實體在通信時傳送的數(shù)據(jù)單位叫作傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元

TPDU(TransportProtocolDataUnit)TCP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是

TCP報文段(segment)，而

UDP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是

UDP報文或用戶數(shù)據(jù)報。

5.1.2傳輸層的端口

端口是一種抽象的軟件結構，包括一些數(shù)據(jù)結構和I/O緩沖區(qū)。

端口是進程訪問傳輸服務的入口點

為了標識不同的端口，每個端口都擁有一個叫做端口號（portnumber）的整數(shù)標識符

5.1.2傳輸層的端口

TCP/IP將端口分為兩大類，一類是服務器端使用的端口號，一類是客戶端使用的端口號。

在服務器端使用的端口號又分為兩類，一類叫熟知端口或系統(tǒng)端口號，數(shù)值一般為0~1023另一類叫登記端口號，數(shù)值為1024~49151，為沒有熟知端口號的應用程序使用的。（2）客戶端口號或短暫端口號，數(shù)值為49152~65535，留給客戶進程選擇暫時使用。

5.2傳輸服務和服務質量

5.2.1傳輸服務

傳輸服務包括兩種類型：面向連接的傳輸服務和無連接的傳輸服務。

面向連接的傳輸包括3個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和釋放連接

傳輸層的服務質量（QusalityofService，QoS）可以用來衡量傳輸層的總體性能

衡量服務質量QoS的主要性能指標有：

（1）連接建立延遲

（2）連接建立失敗的概率。（3）吞吐率：（4）傳輸延遲：

5.2.2服務質量

（5）殘余誤碼率。（6）安全保護。（7）優(yōu)先級。（8）恢復功能

5.3.1UDP概述用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP提供無連接不可靠的用戶數(shù)據(jù)報傳輸服務。UDP是無連接的②UDP無連接狀態(tài)。較少的傳輸開銷。④無須對發(fā)送速率進行管理。5.3用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP各字段意義如下所述。源端口字段：發(fā)送端UDP端口，當不需要返回數(shù)據(jù)時，該域為０。目的端口字段：目的端口號。長度字段：UDP用戶數(shù)據(jù)報的總長度，以字節(jié)為單位，最小值為8（報頭長）。檢驗和字段：防止UDP用戶數(shù)據(jù)報在傳輸中出錯。

其中，?

協(xié)議（protocol）：含協(xié)議類型碼（“17”）。?

UDP長度：指ＵＤＰ用戶數(shù)據(jù)報的長度，不含偽報頭。?

填充域：目的在于使偽報頭長度為16比特的整數(shù)倍。5.4.2TCP報文格式

1．TCP報文段的首部5.4.3TCP連接傳輸管理

TCP連接傳輸管理使用三次握手協(xié)議來建立連接。其工作過程如下：

TCP協(xié)議在連接建立過程中要解決以下三個問題。（1）要使每一方能夠確知對方的存在。（2）要允許雙方協(xié)商一些參數(shù)（如最大報文段長度，最大窗口大小等）。（3）能夠對傳輸實體資源（如緩存大小，連接表中的項目等）進行分配。采用三次握手的目的是為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳送到了主機B所產(chǎn)生的錯誤。

TCP將單向地關閉這個連接。其過程如下

5.4.4TCP的流量控制與擁塞控制1．流量控制指讓發(fā)送方的發(fā)送速率能讓接收方來得及接收。TCP采用大小可變的滑動窗口進行流量控制。窗口大小的單位是字節(jié)。

TCP采用滑動窗口機制解決兩個重要問題：傳輸效率和流量控制。

5.4.4TCP的流量控制與擁塞控制TCP的滑動窗口在TCP報文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當前給對方設置的發(fā)送窗口數(shù)值的上限。發(fā)送窗口的大小在連接建立時由雙方商定。但在通信的過程中，接收端可根據(jù)自己的資源情況，隨時動態(tài)地調整對方的發(fā)送窗口上限值（可增大或減小）。為了在傳輸層進行擁塞控制，1999年公布的因特網(wǎng)建設標準定義了以下四種算法：慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復。

2．擁塞控制

TCP連接需要有以下兩個狀態(tài)變量：接收端窗口rwnd(receiverwindow)又稱為通知窗口(advertisedwindow)。擁塞窗口cwnd(congestionwindow)

2．擁塞控制

（1）設定慢啟動的門限窗口，并初始化擁塞窗口為1。（2）設定發(fā)送窗口發(fā)送窗口＝min[接收端窗口，擁塞窗口]（3）發(fā)送端收到了對所有發(fā)出報文段的確認，就在下一次發(fā)送時將擁塞窗口加倍。（4）當擁塞窗口>=門限窗口時，擁塞窗口按線性增長，否則，執(zhí)行擁塞避免算法。（5）如果出現(xiàn)超時，那么將超時處的窗口值大小的一半作為新的慢啟動門限窗口的值，同時擁塞窗口的大小變?yōu)?。（6）接著再循環(huán)進行。

1。面向字符型控制規(guī)程（3）面向字符型幀格式所帶來：數(shù)據(jù)透明傳輸問題。解決方法：使用轉義字符DLE(10H)即：

1）將每個獨立的控制字符都作為普通的數(shù)據(jù)字符對待

2）僅當控制字符緊隨在DLE之后時，才具有控制意義。

1。面向字符型控制規(guī)程面向字符型幀格式變成：DLESYNDLESYNDLESOH報頭DLESTX

正文DLE

ETX校驗碼DLEETO

3）如果在正文中也出現(xiàn)了DLE

ETX，把其轉化為DLE

DLE

ETX。

（3）控制序列和控制協(xié)議1）確認（ACK）控制序列

SYNSYNDLEACK2）否認（NAK）控制序列

SYNSYNDLENAK

（3）控制序列和控制協(xié)議3）詢問（ENQ）控制序列

SYNSYN站地址DLEENQ4）拆鏈（EOT）；

SYNSYN站地址DLEEOT

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

1）建立連接階段（建立收發(fā)關系）

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

2）數(shù)據(jù)傳輸階段

（4）面向字符型控制規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸過程

3）拆除連接階段（釋放收發(fā)關系）

（4）面向字符的（傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制信息都是某個字符集，例如ASCII中的一個），存在的弱點：

1）采用停止等待協(xié)議，收發(fā)雙方交替工作，通信線路的利用率低

2）通信設備必須使用同樣字符代替，不同的BSC協(xié)議要求使用不同的代碼。

3）只對數(shù)據(jù)部分進行了差錯控制，控制部分的差錯得不到檢測，可靠性差。

4）不易擴展，增加功能必須設定一個新得控制符。（1）定義面向比特型控制規(guī)程是靠約定比特模式（而不是靠使用特殊定義的字符）來定界幀的開始和結束。面向比特型控制規(guī)程的一個實例是：HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程）

2。面向比特型控制規(guī)程（2）HDLC適用于鏈路的兩種基本配置：

非平衡配置平衡配置。

非平衡配置的特點是由一個主站(primarystation)控制整個鏈路的工作。。

平衡配置特點是鏈路兩端的站為復合站，都可以發(fā)出命令和響應。

2。面向比特型控制規(guī)程

2。面向比特型控制規(guī)程HDLC幀結構各字段的意義數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送是以幀為單位的。（2）HDLC幀格式作用：表示一幀的開始和結束幀間的同步信號：當幀與幀之間不發(fā)送信息時，可連續(xù)地發(fā)送標志序列。透明傳輸解決方法：HDLC采用零比特填充法（使一幀中兩個F字段之間不會出現(xiàn)6個連續(xù)1）。

1）標志序列F（01111110）

0111111011011111001001100011110001111110011100101101111110起始標志插入0插入0結束標志例如：假設要發(fā)送的數(shù)據(jù)為1101111101001100011110001111110111001011，通過零比特填充法處理后，發(fā)往線路的信息為：

地址字段8個比特。非平衡方式時，地址字段寫入次站的地址。平衡方式時，地址字段寫入確認站的地址。2）地址字段

幀校驗序列FCS為16比特。采用的生成多項式為CRC－CCITT。校驗的范圍為地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特。3）幀校驗序列字段

根據(jù)控制字段的前兩比特的不同，HDLC幀可以劃分為三大類，即信息幀、監(jiān)督幀和無編號幀，其簡稱分別是I(Information)、S(Supervisory)和U(Unnumbered)。若控制字段的第1比特為0，則該幀為信息幀。比特2~4為發(fā)送序號N(S)，而比特6~8為接收序號N(R)。N(S)表示當前發(fā)送的信息幀的序號，而N(R)表示這個站所期望收到的幀的發(fā)送序號（該序號是由對方填入的）。在全雙工通信中，雙方各有一個N(S)和N(R)。 N(R)帶有確認的意思。表示序號為[N(R)-1](mod8)的幀以及在這以前的各幀都已經(jīng)正確收到了。N(R)可以用來進行捎帶確認。第5比特是P/F字段。主站將P比特置為1表示要求對方立即發(fā)送響應。對方確認幀若將F比特置為1表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。3．監(jiān)督幀 若控制字段的第1~2比特為10，則對應的幀即為監(jiān)督幀S。監(jiān)督幀共有四種，取決于第3~4比特的值(如圖3-11中標有S的二比特)。表3-1是這四種監(jiān)督幀的名稱和功能。（1）S=00，接收準備就緒（RR）幀，表示準備接收下一幀并確認序號為N(R)-1及其以前的各幀。（2）S=10，接收未就緒（RNR）幀，表示暫停接收下一幀數(shù)據(jù)，但確認序號為N(R)-1及其以前的各幀。（3）S=01，拒絕接收（REJ）幀，發(fā)送該REJ監(jiān)控幀的一方說明已經(jīng)確認序號為N(R)-1及其以前的各幀，但編號N(R)的幀有差錯，希望對方重發(fā)編號為N(R)及其以后的所有幀。（4）S=11，選擇接收（SREJ）幀，該幀的含義類似REJ幀，但希望對方僅僅重發(fā)第N(R)幀。

前三種用于連續(xù)ARQ協(xié)議中，最后一種用于選擇重傳ARQ協(xié)議中。監(jiān)督幀中不包含數(shù)據(jù)，所以總的長度只有48比特。不需要有發(fā)送序號N(S)。前兩種相當于確認幀ACK。REJ相當于NAK。

RR幀和RNR幀還具有流量控制的作用。5．無編號幀若控制字段的第1~2比特都是1時，這個幀就是無編號幀U。因為不存在N(S)和N(R)字段。3.2.2局域網(wǎng)的參考模型與協(xié)議標準局域網(wǎng)多采用廣播式傳輸，需要很好地解決多個設備對子信道的爭用問題局域網(wǎng)絡協(xié)議，一方面必須設法解決由于競爭所帶來的信息沖突問題；另一方面又要對通信協(xié)議中的一些功能進行相應的簡化。3.2.2局域網(wǎng)的參考模型與協(xié)議標準

一個局域網(wǎng)（LAN）通常由四個部分組成,分別是：服務器、工作站、通信設備和通信協(xié)議。在局域網(wǎng)中所有的通信處理功能是由網(wǎng)卡來實現(xiàn)的，但在物理上卻不明顯。有時為了擴展局域網(wǎng)絡的范圍還要引入路由器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關和通信服務器等網(wǎng)絡部件。3.2.3局域網(wǎng)的構成1.服務器

服務器是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心，它為網(wǎng)絡用戶提供服務并管理整個網(wǎng)絡，在其上運行的操作系統(tǒng)是網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。

服務器分為：文件服務器、打印服務器和通信服務器。2.客戶機

客戶機是指當一臺計算機連接到局域網(wǎng)上時，這臺計算機就成為局域網(wǎng)的一個客戶機?？蛻魴C是用戶和網(wǎng)絡的接口設備，用戶通過它可以與網(wǎng)絡交換信息，共享網(wǎng)絡資源?？蛻魴C通過網(wǎng)卡、通信介質以及通信設備連接到網(wǎng)絡服務器?？蛻魴C與服務器在網(wǎng)絡中的作用比較？

網(wǎng)絡通信設備是指連接服務器與工作站之間的物理線路（又稱傳輸媒體、或傳輸介質）或連接設備（包括有網(wǎng)絡適配器、集線器和交換機等）。

3.網(wǎng)絡通信設備

1．網(wǎng)絡適配器

網(wǎng)絡適配器NIC（NetworkInterfaceCard）也就是俗稱的網(wǎng)卡。網(wǎng)卡除了起到物理接口作用外，還有控制數(shù)據(jù)傳送的功能，網(wǎng)卡一方面負責接收網(wǎng)絡上傳過來的數(shù)據(jù)包，解包后，將數(shù)據(jù)通過主板上的總線傳輸給本地計算機；另一方面它將本地計算機上的數(shù)據(jù)打包后送入網(wǎng)絡。網(wǎng)卡還有串—并轉換功能。2．集線器

集線器又稱集中器，也就是俗稱的HUB。集線器是把來自不同的計算機網(wǎng)絡設備的電纜集中配置于一體，它是多個網(wǎng)絡電纜的中間轉接設備，象樹的主干一樣，集線器是各分枝的匯集點，是對網(wǎng)絡進行集中管理的主要設備。（3）交換機

交換機（Switch）大多數(shù)是工作在OSI的7層模型中的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層）的設備，作用是對封裝數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)，并減少沖突域、隔離廣播“風暴”。（3）交換機

交換機（Switch）的數(shù)據(jù)交換方式：直通方式（Cutthrough）：存儲轉發(fā)方式（Store&Forward）：③無碎片直通方式（FragmentFree）（4）路由器路由器（Router）是工作在OSI的7層模型中的第三層（網(wǎng)絡層）的網(wǎng)絡設備路由的主要作用是將不同的網(wǎng)段連接起來，或是將不同網(wǎng)絡操作系統(tǒng)上運行的不同協(xié)議進行轉換，以實現(xiàn)異構互通。4.通信協(xié)議

為了完成兩個計算機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換而必須遵守的一系列規(guī)則和約定稱為通信協(xié)議。在局域網(wǎng)絡中一般使用的通信協(xié)議有：

NetBEUI（用戶擴展接口）協(xié)議

IPX/SPX（網(wǎng)際交換/順序包交換）協(xié)議

TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）。

3.3以太網(wǎng)以太網(wǎng)（Ethernet）是由美國Xerox公司和Stanford大學聯(lián)合開發(fā)并于1975年提出的，目的是為了把辦公室工作站與昂貴的計算機資源連接起來，以便能從工作站上分享計算機資源和其他硬件設備。

一、以太網(wǎng)的兩個標準

1980年9月，Dec公司、Intel公司和施樂公司聯(lián)合提出了10Mbps的以太網(wǎng)第一個版本的DIXV1。1982年出第二版DIXV2，這個版本成為世界第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)約。1983年IEEE802委員會公布的802.3局域網(wǎng)絡協(xié)議（CSMA/CD），基本上和Ethernet技術規(guī)范一致，于是，Ethernet技術規(guī)范成為世界上第一個局域網(wǎng)的工業(yè)標準。兩個標準：DIX

EthernetV2

IEEE802.3以太網(wǎng)的兩個標準

局域網(wǎng)的層次結構：

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層

提出以太網(wǎng)基于下面的想法：要尋找一種最簡單的方法將一些相距較近的計算機互相連接起來，使它們可以很方便和很可靠地進行較高速率的數(shù)據(jù)通信。與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關。不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說是都透明的。只有在MAC子層才能看見所連接的是采用什么標準的局域網(wǎng)。CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測最初此協(xié)議的實現(xiàn)是在一根總線上完成的。為什么在總線上完成？簡單、可靠。且是無源器件。3.3.2以太網(wǎng)的介質訪問控制方式總線的特點：采用廣播通信，并采用每臺主機使用不同的地址。在幀中寫時接收站地址，此地址與某主機地址相同時，該主機接收數(shù)據(jù)。1、CSMA/CD協(xié)議為通信方便，以太網(wǎng)采取了兩種主要的措施：1。采用無連接方式2。以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。（為什么？）1、CSMA/CD協(xié)議因此，以太網(wǎng)提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。目的站收到錯幀丟棄，差錯由高層來決定。如：高層采用TCP協(xié)議，TCP發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)丟失，經(jīng)過一段時間后，TCP將這些數(shù)據(jù)重新傳遞給以太網(wǎng)。但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的數(shù)據(jù)幀，而是當作一個新的幀來發(fā)送。1、CSMA/CD協(xié)議以太網(wǎng)采用的介質訪問控制方式（MAC）是CSMA/CD。下面說明其要點：“多點接入”：多臺計算機通過一根總線連接?！拜d波監(jiān)聽”：指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否忙，忙則等待。如何檢測總線忙？1、CSMA/CD協(xié)議“碰撞檢測”（也稱沖突檢測）即計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上是否產(chǎn)生沖突。如何檢測沖突的產(chǎn)生呢？檢測沖突后，停止發(fā)送數(shù)據(jù)，但發(fā)送干攏串（Jam串）以加強沖突，目的告知整個網(wǎng)絡產(chǎn)生沖突。1、CSMA/CD協(xié)議在這種工作方式下為