【正文】 第 5 章 運(yùn)輸層 運(yùn)輸層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，本章主要討論 TCP/IP體系中運(yùn)輸層最重要的兩個(gè)協(xié)議 UDP和 TCP， TCP比 UDP復(fù)雜的多。 運(yùn)輸層協(xié)議概述 進(jìn)程之間的通信 ? 進(jìn)程 是正在運(yùn)行的一個(gè)程序 。 ? 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分中的兩個(gè)主機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)的核心部分的功能進(jìn)行端到端的通信時(shí) ， 只有位于網(wǎng)絡(luò)邊緣部分的主機(jī)的協(xié)議棧才有運(yùn)輸層 ， 而網(wǎng)絡(luò)核心部分中的路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)都只用到下三層的功能 ， 如下圖所示 ： 運(yùn)輸層為相互通信的應(yīng)用進(jìn)程提供了邏輯通信 5 4 3 2 1 運(yùn)輸層提供應(yīng)用進(jìn)程 間的邏輯 通信 主機(jī) A 主機(jī) B 應(yīng)用進(jìn)程 應(yīng)用進(jìn)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(yùn)輸層協(xié)議 TCP 和 UDP 的作用范圍 AP3 應(yīng)用進(jìn)程之間的通信 運(yùn)輸層的一個(gè)很重要的功能就是 復(fù)用和 分用 。 應(yīng)用層不同進(jìn)程的報(bào)文通過不同的端口向下交到運(yùn)輸層 ， 再往下就共用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù) 。 “ 運(yùn)輸層提供應(yīng)用進(jìn)程間的邏輯通信 ” 。 “ 邏輯通信 ” 的意思是：運(yùn)輸層之間的通信 好像 是沿水平方向傳送數(shù)據(jù) 。但事實(shí)上這兩個(gè)運(yùn)輸層之間并沒有一條水平方向的物理連接 。 運(yùn)輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要區(qū)別 ? 應(yīng)用進(jìn)程 … ? ? 應(yīng)用進(jìn)程 … ? IP 協(xié)議的作用范圍 （提供 主機(jī)之間 的邏輯通信） TCP 和 UDP 協(xié)議的作用范圍 （提供 進(jìn)程之間 的邏輯通信） 因 特 網(wǎng) ? 當(dāng)運(yùn)輸層采用面向連接的 TCP協(xié)議時(shí)，盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，但這種邏輯通信信道就相當(dāng)于一條全雙工的可靠信道。 ? 但當(dāng)運(yùn)輸層采用無連接的 UDP協(xié)議時(shí)，這種邏輯通信信道仍然是一條不可靠信道。 TCP/IP 的運(yùn)輸層有兩個(gè)不同的協(xié)議： (1) 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP (User Datagram Protocol) (2) 傳輸控制協(xié)議 TCP (Transmission Control Protocol) 運(yùn)輸層的兩個(gè)主要協(xié)議 TCP/IP 體系中的運(yùn)輸層協(xié)議 TCP UDP IP 應(yīng)用層 與各種網(wǎng)絡(luò)接口 運(yùn)輸層 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(yùn)輸層在收到 UDP 報(bào)文后 ， 不需要給出任何確認(rèn) 。 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(yùn)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(jī)資源 。 使用 UDP和 TCP協(xié)議的各種應(yīng)用和應(yīng)用層協(xié)議 ? 如表 5－ 1所示： 應(yīng)用 應(yīng)用層協(xié)議 運(yùn)輸層協(xié)議 名字轉(zhuǎn)換 DNS UDP 文件傳送 TFTP UDP 路由選擇協(xié)議 RIP UDP IP地址配置 BOOTP，DHCP UDP 網(wǎng)絡(luò)管理 SNMP UDP 遠(yuǎn)程文件服務(wù)器 NFS UDP IP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 SMTP TCP 遠(yuǎn)程終端接入 TELNET TCP 萬維網(wǎng) HTTP TCP 文件 FTP TCP 運(yùn)輸層的端口 ? 復(fù)用 ：應(yīng)用層所有的應(yīng)用進(jìn)程都可以通過運(yùn)輸層再傳送到 IP層，這就是復(fù)用。 ? 分用 ：運(yùn)輸層從 IP層收到數(shù)據(jù)后必須交付給指明的應(yīng)用進(jìn)程，這就是分用。 ? 在單個(gè)計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程是用 進(jìn)程標(biāo)識符 來標(biāo)志的，但是在因特網(wǎng)環(huán)境下，用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)所指派的這種進(jìn)程標(biāo)識符來標(biāo)志運(yùn)行在應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程是不行的。 ? 這是因?yàn)樵谝蛱鼐W(wǎng)上使用的計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)種類很多，而不同的操作系統(tǒng)又使用不同格式的進(jìn)程標(biāo)識符。 ? 為了使運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)程能夠互相通信，就 必須用統(tǒng)一的方法 對 TCP/IP 體系的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行標(biāo)志。 ? 方法 就是在運(yùn)輸層使用 協(xié)議端口號 (protocol port number)，或簡稱為 端口 (port)。 ? 這就是說 ：雖然通信的終點(diǎn)是應(yīng)用進(jìn)程，但我們只要把要傳送的報(bào)文交到目的主機(jī)的某一個(gè)合適的目的端口，剩下的工作（即最后交付給目的進(jìn)程）就由 TCP 來完成。 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(jī)上的端口是 硬件端口 。 ? 硬件端口是不同硬件設(shè)備進(jìn)行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進(jìn)程與運(yùn)輸實(shí)體進(jìn)行層間交互的一種地址。 TCP 的端口 ? 端口用一個(gè) 16 位端口號 進(jìn)行標(biāo)志 。 ? 端口號只具有 本地 意義 ， 即端口號只是為了標(biāo)志本計(jì)算機(jī)應(yīng)用層中的各進(jìn)程 。 在因特網(wǎng)中不同計(jì)算機(jī)的相同端口號是沒有聯(lián)系的 。 運(yùn)輸層的端口號分為兩大類 服務(wù)器端使用的端口號： （ 1）熟知端口號或系統(tǒng)端口號 ，數(shù)值一般為 0~1023。 （ 2）登記端口號 ，數(shù)值為 1024~49151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。使用這個(gè)范圍的端口號必須在 IANA 登記，以防止重復(fù)。 客戶端使用的端口號：叫客戶端口號 或 短暫端口號 ，數(shù)值為 49152~65535，留給客戶進(jìn)程選擇暫時(shí)使用。 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP UDP 概述 ? UDP 只在 IP 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了很少一點(diǎn)的功能 ， 即： ? 復(fù)用 ? 分用 ? 差錯(cuò)檢測 UDP 的主要特點(diǎn) UDP 是無連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接。 UDP 使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，同時(shí)也不使用擁塞控制。 UDP 是面向報(bào)文的。 UDP 的主要特點(diǎn)（續(xù)） 面向報(bào)文的 UDP ? 發(fā)送方 UDP 對應(yīng)用程序交下來的報(bào)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(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。 ? 應(yīng)用層交給 UDP 多長的報(bào)文， UDP 就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。 ? 接收方 UDP 對 IP 層交上來的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)，在去除首部后就原封不動地交付上層的應(yīng)用進(jìn)程，一次交付一個(gè)完整的報(bào)文。 ? 應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。 UDP 的主要特點(diǎn)（續(xù)） 面向報(bào)文的 UDP IP 數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分 IP 首部 IP 層 UDP 首部 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分 運(yùn)輸層 應(yīng)用層報(bào)文 應(yīng)用層 UDP 的主要特點(diǎn)（續(xù)） UDP 沒有擁塞控制，很適合多媒體通信的要求。 UDP 支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。 UDP 的首部開銷小，只有 8 個(gè)字節(jié)。 UDP 的首部格式 偽首部 源端口 目的端口 長 度 檢驗(yàn)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(bào) 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(bào) UDP 基于端口的分用 IP 層 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá) 端口 2 端口 3 端口 1 UDP 分用 傳輸控制協(xié)議 TCP 概述 TCP 最主要的特點(diǎn) TCP 是 面向連接 的運(yùn)輸層協(xié)議。 每一條 TCP 連接只能有兩個(gè) 端點(diǎn)(endpoint)，每一條 TCP 連接只能是 點(diǎn)對點(diǎn) 的（一對一）。 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 ：其 含義 是： 7 6 8 H ? 含義：雖然應(yīng)用程序和 TCP的交互是一次一個(gè)數(shù)據(jù)塊，但 TCP把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)看成僅僅是一連串的無結(jié)構(gòu)的 字節(jié)流 。 TCP 并不知道字節(jié)流的含義。 ? 發(fā)送 TCP 報(bào)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(jìn)程 應(yīng)用進(jìn)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(bào)文段 TCP TCP 字節(jié)流 字節(jié)流 H 表示 TCP 報(bào)文段的首部 x 表示序號為 x 的數(shù)據(jù)字節(jié) TCP 連接 應(yīng)當(dāng)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(jìn)程一次把多長的報(bào)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度來決定一個(gè)報(bào)文段應(yīng)包含多少個(gè)字節(jié)（ UDP 發(fā)送的報(bào)文長度是應(yīng)用進(jìn)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(bào)文段發(fā)送出去。 TCP 的連接 ? TCP 把連接作為最基本的抽象。每一條 TCP 連接有兩個(gè)端點(diǎn)。 端點(diǎn)是什么 ？ ? TCP 連接的端點(diǎn)不是主機(jī)，不是主機(jī)的IP 地址，不是應(yīng)用進(jìn)程，也不是運(yùn)輸層的協(xié)議端口。 TCP 連接的端點(diǎn)叫做 套接字 (socket)或 插口 。什么是套接字 : ? 端口號拼接到 (contatenated with) IP 地址即構(gòu)成了套接字 。即： 套接字 socket = (IP地址 : 端口號 ) (51) 如： 192,168,4,5:80 ? 每一條 TCP 連接唯一地被通信兩端的兩個(gè)端點(diǎn)（即兩個(gè)套接字）所確定。即： TCP 連接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: port2)} (52) ? end ? 上節(jié)課講了 UDP和 TCP的區(qū)別： ? UDP是面向報(bào)文的， TCP是面向字節(jié)流的，所謂面向報(bào)文指的是 UDP對應(yīng)用層交下來的報(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。面向字節(jié)流指的是雖然應(yīng)用程序和 TCP的交互是一次一個(gè)數(shù)據(jù)塊（大小不等），但 TCP把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)看成僅僅是一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。 TCP根據(jù)對方給出的 窗口值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞程度 來決定一個(gè)報(bào)文段應(yīng)包含多少個(gè)字節(jié)，如果應(yīng)用進(jìn)程傳送到 TCP緩存的數(shù)據(jù)塊太長， TCP可以把它劃分的短一些。如果應(yīng)用進(jìn)程一次只發(fā)來一個(gè)字節(jié)， TCP也可以等待積累到足夠多的字節(jié)后再構(gòu)成報(bào)文段發(fā)送出去。 可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?