1、1/34,第 15 讲 传输层(1),2/34,知识回顾,网络层内容回顾 因特网网际协议IP基本概念 因特网控制报文协议ICMP 路由算法及常见路由协议 VPN及NAT技术 IPV6技术,3/34,本讲内容,传输层概述 通信方式 端口 功能TCP/IP 体系中的传输层 TCP协议 UDP协议用户数据报协议 UDP UDP功能和特点 报文格式,4/34,传输层概述,从通信和信息处理的角度看，传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。,物理层,网络层,传输层,应用层,数据链路层,面向信息处理,面向通信,用户功能,网络功能,5/34,传输层的主要功能
2、,传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）。 传输层还要对收到的报文进行差错检测。 传输层有两种不同的传输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。,6/34,传输层服务质量,容错率保护性优先权回弹率,传输层服务质量就是指在传输两节点之间看到的某些传输连接的特征，是传输层性能的度量，反映了传输质量及服务的可用性，与网络层的QoS有一定的区别。 传输层是弥补网络层服务质量的缺陷，参数表如下 连接建立延迟 连接建立失败概率 吞吐量 传输延迟 残留差,传输层提供的逻辑通信,5 4 3 2 1,传输层提供应用进程间的逻辑通信,主机 A,主机 B,应用进程,应用
3、进程,路由器 1,路由器 2,AP1,LAN2,WAN,AP2,AP3,AP4,IP 层,LAN1,AP1,AP2,AP4,端口,端口,5 4 3 2 1,IP 协议的作用范围,传输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,8/34,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。 传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传输层，再往下就共用网络层提供的服务。 传输层提供应用进程间的逻辑通信。 “逻辑通信”的意思是：传输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个传输层之
4、间并没有一条水平方向的物理连接。,9/34,传输层协议和网络层协议的 主要区别,应用进程,应用进程,IP 协议的作用范围 （提供主机之间的逻辑通信）,TCP 和 UDP 协议的作用范围 （提供进程之间的逻辑通信）,因 特 网,10/34,传输层与其上下层之间的关系的 OSI 表示法,传输实体,传输实体,传输协议,传输层,层接口,传输服务用户 （应用层实体）,传输服务用户（应用层实体）,层接口,网络层 （或网际层）,应用层,主机 A,主机 B,传输层服务访问点 TSAP,网络层服务访问点 NSAP,传输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道,？,应 用 层,传 输 层,发 送 进 程,接 收 进
5、 程,接 收 进 程,数据,数据,全双工可靠信道,数据,数据,使用 TCP 协议,使用 UDP 协议,不可靠信道,发 送 进 程,12/34,TCP/IP 体系中的传输层,TCP/IP的传输层有两个不同的协议 用户数据报协议 UDP （User Datagram Protocol) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) 两个对等传输实体在通信时传送的数据单位叫作传输协议数据单元 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 UD
6、P 报文或用户数据报。,13/34,TCP/IP 体系中的传输层协议,TCP,UDP,IP,应用层,与各种网络接口,传输层,14/34,TCP 与 UDP,UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的传输层在收到 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、面向连接的传输服务，因此不可避免地增加了许多开销。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。,15/34,传输层与网络层的关系,传输层的 UDP 用户数据报与网
7、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 用户数据报是在传输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。 TCP 报文段是在传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传输层是否建立了 TCP 连接。,16/34,端口的概念,端口就是传输层服务访问点 TSAP。 端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给传输层，以及让传输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。 从这个意义上讲，端口是用来标志应用层的进程。,端口在进程之间
8、通信中所起的作用,应 用 层,传 输 层,网 络 层,TCP 报文段,UDP 用户数据报,应用进程,TCP 复用,IP 复用,UDP 复用,TCP 报文段,UDP 用户数据报,应用进程,端口,端口,TCP 分用,UDP 分用,IP 分用,发送方,接收方,18/34,端口及其分类,端口用一个 16 bit 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。 一类是熟知端口 其数值一般为 01023。当一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个熟知端口。 另一类称为登记端口号 用来随时分配给请求通信的客户进程。 数值为
9、102449151，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 IANA 登记，以防止重复。,19/34,端口号,客户端口号或短暂端口号 数值为4915265535，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。 部分常用端号 21/tcp FTP 文件传输协议 22/tcp SSH 安全登录、文件传送 23/tcp Telnet 不安全的文本传送 25/tcp SMTP Simple Mail Transfer Protocol (E-mail) 69/udp TFTP Tri
10、vial File Transfer Protocol 79/tcp finger Finger 80/tcp HTTP 超文本传送协议 (WWW),20/34,插口(socket),TCP 使用“连接”(而不仅仅是“端口”)作为最基本的抽象，同时将 TCP 连接的端点称为插口(socket)，或套接字、套接口。 插口和端口、IP 地址的关系是：,21/34,Socket的多种理解,应用编程接口 API 称为 socket API, 简称为 socket。 socket API 中使用的一个函数名也叫作socket。 调用 socket 函数的端点称为 socket。 调用 socket函数时
11、其返回值称为 socket描述符，可简称为 socket。 在操作系统内核中连网协议的 Berkeley 实现，称为 socket 实现。,22/34,Sniffer获取数据包,抓取网上数据包 分析报文格式 协议、端口、IP地址等,23/34,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。 发送数据之前不需要建立连接 UDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表。 UDP 用户数据报只有8个字节的首部开销。 网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低
12、。这对某些实时应用是很重要的。,24/34,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 的首部开销小，只有 8 个字节。,25/34,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
13、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。,26/34,UDP 是面向报文的,IP 数据报的数据部分,IP 首部,IP 层,UDP 首部,UDP 用户数据报的数据部分,运输层,应用层报文,应用层,27/34,端口用报文队列来实现,UDP 端口 51000,UDP 端口 69,出队列,入队列,出队列,入队列,TFTP 服务器,TFTP 客户,UDP 用户数据报,应 用 层,传 输 层,28/34,UDP 基于端口的分用,29/34,UDP 的首部格式,伪首部,源端口,
14、目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,伪首部,源端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 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cont.,伪首部,源
15、端口,目的端口,长 度,检验和,数 据,首 部,UDP长度,源 IP 地址,目的 IP 地址,0,17,IP 数据报,字节,4,4,1,1,2,12,2,2,2,2,字节,发送在前,数 据,首 部,UDP 用户数据报,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。,UDP的伪首部,计算 UDP 检验和的例子,10011001 00010011 153.19 00001000 01101000 8.104 10101011 00000011 171.3 00001110 00001011 14.11 00000000 00010001 0 和 17
16、 00000000 00001111 15 00000100 00111111 1087 00000000 00001101 13 00000000 00001111 15 00000000 00000000 0（检验和） 01010100 01000101 数据 01010011 01010100 数据 01001001 01001110 数据 01000111 00000000 数据和 0（填充）10010110 11101011 求和得出的结果 01101001 00010100 检验和,153.19.8.104,171.3.14.11,12 字节 伪首部,8 字节 UDP 首部,7 字
17、节 数据,按二进制反码传算求和 将得出的结果求反码,全 0 17 151087 1315 全 0 数据 数据 数据 数据 数据 数据 数据 全 0,33/34,TCP 最主要的特点,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。,34/34,TCP 面向流的概念,发送 TCP 报文段,发送方,接收方,把字节写入 发送缓存,从接收缓存 读取字节,应用进程,应用进程,18,17,16,15,14,H,加上 TCP 首部 构成 TCP 报文段,
18、TCP,TCP,字节流,字节流,H,表示 TCP 报文段的首部,x,表示序号为 x 的数据字节,TCP 连接,35/34,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。,36/34,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
19、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。,37/34,套接字 (socket),套接字 socket = (IP地址: 端口号) (5-1) 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：TCP 连接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2) (5-2),38/34,TCP 首部,20 字节的 固定首部,目 的 端 口,数据 偏移,检 验 和,选 项 （长
20、 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,F I N,32 位,S Y N,R S T,P S H,A C K,U R G,位 0 8 16 24 31,填 充,TCP 数据部分,TCP 首部,TCP 报文段,IP 数据部分,IP 首部,发送在前,TCP 报文段的首部格式,39/34,首部固定部分各字段的意义,源端口和目的端口字段 各占 2 字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。 序号字段 占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的
21、序号。 确认号字段 占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。 数据偏移（即首部长度） 占 4 位，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是 32 位字（以 4 字节为计算单位）。,40/34,首部固定部分各字段的意义(续),保留字段 占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。 紧急 URG 当 URG 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。 确认 ACK 只有当 ACK 1 时确认号字段才有效。这时可以理解当前发送的报文段为确认报文。当 ACK 0 时，
22、确认号无效。 推送 PSH (PuSH) 接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。 复位 RST (ReSeT) 当 RST 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。 同步 SYN 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。,41/34,首部固定部分各字段的意义(续),终止 FIN (FINis) 用来释放一个连接。FIN 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。注意这是个单方面请求释放连接，即仍然还允许对方发送数据过
23、来。 窗口字段 占 2 字节，用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。 检验和 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。 紧急指针字段 占 16 位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。 填充字段 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。,42/34,其他选项,选项字段 长度可变。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。” MSS (Maximum Segm
24、ent Size)是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段。 窗口扩大选项 占 3 字节，其中有一个字节表示移位值 S。新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位数增大到(16 + S)，相当于把窗口值向左移动 S 位后获得实际的窗口大小。 时间戳选项 占10 字节，其中最主要的字段时间戳值字段（4 字节）和时间戳回送回答字段（4 字节）。 选择确认选项在后面的 5.6.3 节介绍。,43/34,本讲小结,传输层的作用 端口的概念 UDP和TCP的区别 UDP报文格式 TCP的特点 TCP连接 TCP格式,44/34,作业,作业 P220，2,6,8,9,13,15 实验准备 实验六 路由器的管理和配置,
