【正文】 第 5章 傳輸層 ? 描述傳輸層的功能 ? 理解 TCP和 UDP協(xié)議的工作原理 ? 理解 TCP和 UDP協(xié)議和上層通信機制 本章內(nèi)容： 課程內(nèi)容 傳輸層簡介 TCP協(xié)議 UDP協(xié)議 TCP/IP的體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層 主機 A 主機 B 路由器 網(wǎng)絡(luò) 2 網(wǎng)絡(luò) 1 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層 網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層 4 3 2 1 路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時最高只用到網(wǎng)絡(luò)層 而沒有使用運輸層和應(yīng)用層。 因特網(wǎng)的核心部分 因特網(wǎng)的邊緣部分 主機 網(wǎng)絡(luò) 路由器 因特網(wǎng)的邊緣部分與核心部分 運輸層為相互通信的應(yīng)用進程提供了邏輯通信 5 4 3 2 1 運輸層提供應(yīng)用進程 間的邏輯 通信 主機 A 主機 B 應(yīng)用進程 應(yīng)用進程 路由器 1 路由器 2 AP1 LAN2 WAN AP2 AP3 AP4 IP 層 LAN1 AP1 AP2 AP4 端口 端口 5 4 3 2 1 IP 協(xié)議的作用范圍 運輸層協(xié)議 TCP 和 UDP 的作用范圍 AP3 復用 分用 應(yīng)用進程之間的通信 ? 兩個主機進行通信實際上就是兩個主機中的 應(yīng)用進程互相通信 。 ? 應(yīng)用進程之間的通信又稱為 端到端的通信 。 ? 運輸層的一個很重要的功能就是 復用和分用 。 應(yīng)用層不同進程的報文通過不同的端口向下交到運輸層 ， 再往下就共用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù) 。 ? “ 運輸層提供應(yīng)用進程間的邏輯通信 ” 。 “ 邏輯通信 ” 的意思是：運輸層之間的通信 好像 是沿水平方向傳送數(shù)據(jù) 。 但事實上這兩個運輸層之間并沒有一條水平方向的物理連接 。 運輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要區(qū)別 ? 應(yīng)用進程 … ? ? 應(yīng)用進程 … ? IP 協(xié)議的作用范圍 （提供 主機之間的邏輯通信 ） TCP 和 UDP 協(xié)議的作用范圍 （提供 進程之間的邏輯通信 ） 因 特 網(wǎng) 運輸層的主要功能 ? 運輸層為應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信 （ 但網(wǎng)絡(luò)層是為主機之間提供邏輯通信 ） 。 ? 運輸層還要對收到的報文進行差錯檢測 。 ? 運輸層需要有兩種不同的運輸協(xié)議 ， 即面向連接的 TCP 和無連接的 UDP。 TCP/IP 的運輸層有兩個不同的協(xié)議： ? 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP (User Datagram Protocol) ? 傳輸控制協(xié)議 TCP (Transmission Control Protocol) 運輸層的兩個主要協(xié)議 ? 當運輸層采用面向連接的 TCP 協(xié)議時 ， 盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的 （ 只提供盡最大努力服務(wù) ） ， 但這種邏輯通信信道就相當于一條 全雙工 的可靠信道 。 ? 當運輸層采用無連接的 UDP 協(xié)議時 ， 這種邏輯通信信道是一條不可靠信道 。 TCP SPX UDP TCP/IP IPX ? 兩個對等運輸實體在通信時傳送的數(shù)據(jù)單位叫作 運輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元 TPDU (Transport Protocol Data Unit) ； ? TPDU有效載荷是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。 ? TCP 傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是 TCP 報文段 (segment) ? 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。 TCP 與 UDP ? UDP 在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。對方的運輸層在收到 UDP 報文后，不需要給出任何確認。雖然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下 UDP 是一種最有效的工作方式。 ? TCP 則提供面向連接的服務(wù)。 TCP 不提供廣播或多播服務(wù)。由于 TCP 要提供可靠的、面向連接的運輸服務(wù)，因此不可避免地增加了許多的開銷。這不僅使協(xié)議數(shù)據(jù)單元的首部增大很多，還要占用許多的處理機資源。 傳輸層尋址與端口號 ? TCP/IP協(xié)議族中用端口號來標識進程； 協(xié)議端口（ protocol port，簡稱端口） 用于區(qū)別應(yīng)用服務(wù)。 ? 端口號只具有本地意義，即端口號只是為了標志本計算機應(yīng)用層中的各進程。在因特網(wǎng)中不同計算機的相同端口號是沒有聯(lián)系的。 ? 端口號的分配 ：端口號為 16bits，表示 0～ 65535個端口 ； （ 1）熟知端口 /系統(tǒng)端口號 ： 0～ 1023，服務(wù)器使用。 （ 2）登記端口號： 1024～ 49151，在 IANA登記，防止重復 （ 3）客戶端口號 /短暫端口號： 49152~65535 軟件端口與硬件端口 ? 在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是軟件端口。 ? 路由器或交換機上的端口是硬件端口。 ? 硬件端口是不同硬件設(shè)備進行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進程與運輸實體進行層間交互的一種地址。 常見的 TCP協(xié)議 WellKnown端口 端口號 協(xié)議 描述 20 FTP 文件傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸 21 FTP 文件傳輸中的控制命令 23 Tel 遠程登錄 25 SMTP 電子郵件傳輸 80 HTTP WWW服務(wù) 110 POP3 郵件接收 ? 常見的 UDP協(xié)議知名端口 端口號 協(xié)議 描述 53 DNS 域名解析服務(wù) 161 SNMP 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 68 BOOTP 引導協(xié)議 69 TFTP 簡單的文件傳輸 用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議 UDP ? UDP是一種無連接的、不可靠的傳輸層協(xié)議，盡最大努力交付 ? 面向報文的協(xié)議，沒有擁塞控制 ? 支持一對一、一對多、多對一、多對多的通信 ? 首部開銷小， 8個字節(jié) UDP 只在 IP 的數(shù)據(jù)報服務(wù)之上增加了很少一點的功能，即端口的功能和差錯檢測的功能。 UDP協(xié)議的主要特點 面向報文的 UDP ? 發(fā)送方 UDP 對應(yīng)用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付 IP 層。 UDP 對應(yīng)用層交下來的報文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報文的邊界。 ? 應(yīng)用層交給 UDP 多長的報文， UDP 就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個報文。 ? 接收方 UDP 對 IP 層交上來的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報，在去除首部后就原封不動地交付上層的應(yīng)用進程，一次交付一個完整的報文。 ? 應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報文。 UDP 是 面向報文 的 IP 數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分 IP 首部 IP 層 UDP 首部 UDP 用戶數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分 運輸層 應(yīng)用層報文 應(yīng)用層 UDP 的首部格式 偽首部 源端口 目的端口 長 度 檢驗和 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP長度 源 IP 地址 目的 IP 地址 0 17 IP 數(shù)據(jù)報 字節(jié) 4 4 1 1 2 12 2 2 2 2 字節(jié) 發(fā)送在前 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP 用戶數(shù)據(jù)報 UDP 基于端口的分用 IP 層 UDP 數(shù)據(jù)報到達 端口 2 端口 3 端口 1 UDP 分用 偽首部 源端口 目的端口 長 度 檢驗和 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP長度 源 IP 地址 目的 IP 地址 0 17 IP 數(shù)據(jù)報 字節(jié) 4 4 1 1 2 12 2 2 2 2 字節(jié) 發(fā)送在前 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP 用戶數(shù)據(jù)報 用戶數(shù)據(jù)報 UDP 有兩個字段：數(shù)據(jù)字段和首部字段。首部字段有 8 個字節(jié)，由 4 個字段組成，每個字段都是兩個字節(jié)。 偽首部 源端口 目的端口 長 度 檢驗和 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP長度 源 IP 地址 目的 IP 地址 0 17 IP 數(shù)據(jù)報 字節(jié) 4 4 1 1 2 12 2 2 2 2 字節(jié) 發(fā)送在前 數(shù) 據(jù) 首 部 UDP 用戶數(shù)據(jù)報 在計算檢驗和時，臨時把“偽首部”和 UDP 用戶數(shù)據(jù)報連接在一起。 偽首部僅僅是為了計算檢驗和 。 偽首部：為了進行校驗與核對而添加部分，既不向下傳送也不向上遞交 計算 UDP 檢驗和的例子 10011001 00010011 → 00001000 01101000 → 10101011 00000011 → 00001110 00001011 → 00000000 00010001 → 0 和 17 00000000 00001111 → 15 00000100 00111111 → 1087 00000000 00001101 → 13 00000000 00001111 → 15 00000000 00000000 → 0 （檢驗和） 01010100 01000101 → 數(shù)據(jù) 01010011 01010100 → 數(shù)據(jù) 01001001 01001110 → 數(shù)據(jù) 01000111 00000000 → 數(shù)據(jù)和 0（填充） 10010110 11101101 → 求和得出的結(jié)果 01101001 00010010 → 檢驗和 12 字節(jié) 偽首部 8 字節(jié) UDP 首部 7 字節(jié) 數(shù)據(jù) 填充 按二進制反碼運算求和 將得出的結(jié)果求反碼 全 0 17 15 1087 13 15 全 0 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 全 0 UDP用戶數(shù)據(jù)報的首部十六進制表示是： 06 32 00 45 00 1C E2 17.試求源端口、目的端口、用戶數(shù)據(jù)報的總長度、數(shù)據(jù)部分長度。這個用戶數(shù)據(jù)報是從客戶發(fā)送給服務(wù)器發(fā)送給客戶？使用 UDP的這個服務(wù)器程序是什么？ 解： 源端口 1586，目的端口 69， UDP用戶數(shù)據(jù)報總長度 28字節(jié)，數(shù)據(jù)部分長度 20字節(jié)。 此 UDP用戶數(shù)據(jù)報是從客戶發(fā)給服務(wù)器（因為目的端口號 1023，是熟知端口）、服務(wù)器程序是 TFTP。 一個 UDP用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字段為 8192字節(jié)。在數(shù)據(jù)鏈路層要使用以太網(wǎng)來傳送。試問應(yīng)當劃分為幾個 IP數(shù)據(jù)報片？說明每一個 IP數(shù)據(jù)報字段長度和片偏移字段的值。 答： 6個 數(shù)據(jù)字段的長度：前 5個是 1480字節(jié)，最后一個是 800字節(jié)。 ? 片偏移字段的值分別是： 0， 1480， 2960， 4440， 5920和 7400 傳輸控制協(xié)議 TCP ? TCP 是面向連接的運輸層協(xié)議。 ? 每一條 TCP 連接只能有兩個端點 (endpoint)，每一條 TCP 連接只能是點對點的（一對一）。 TCP 連接的端點叫做 套接字 (socket)或插口 。 ? TCP 提供可靠交付的服務(wù)。 ? TCP 提供全雙工通信 ? 面向 字節(jié)流 。 7 6 8 H ? TCP 面向流的概念 ? 發(fā)送 TCP 報文段 發(fā)送方 接收方 把字節(jié)寫入 發(fā)送緩存 從接收緩存 讀取字節(jié) 應(yīng)用進程 應(yīng)用進程 1 2 3 0 18 17 16 15 14 19 20 21 4 5 13 12 11 H 10 9 H 加上 TCP 首部 構(gòu)成 TCP 報文段 TCP TCP 字節(jié)流 字節(jié)流 H 表示 TCP 報文段的首部 x 表示序號為 x 的數(shù)據(jù)字節(jié) TCP 連接 流入到進程或從進程流出的字節(jié)序列 流（ stream） 應(yīng)當注意 ? TCP 連接是一條虛連接而不是一條真正的物理連接。 ? TCP 對應(yīng)用進程一次把多長的報文發(fā)送到 TCP 的緩存中是不關(guān)心的。 ? TCP 根據(jù)對方給出的 窗口值 和當前 網(wǎng)絡(luò)擁塞 的程度來決定一個報文段應(yīng)包含多少個字節(jié)（ UDP 發(fā)送的報文長度是應(yīng)用進程給出的）。 ? TCP 可把太長的數(shù)據(jù)塊劃分短一些再傳送。 TCP 也可等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)成報文段發(fā)送出去。 ? TCP 連接的端點不是主機，不是主機的 IP 地址，不是應(yīng)用進程，也不是運輸層的協(xié)議端口。 TCP 連接的端點叫做套接字 (socket)或插口。 ? 端口號拼接到 ( contatenated with) IP 地址即構(gòu)成了套接字。 套接字 (socket) 套接字 socket = (IP地址 : 端口號 ) 套接字 (socket) TCP 連接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: p