第五章运输层

第五章运输层 5.1 运输层协议概述 5.1.1 进程之间的通信 1.网络层是为主机之间提供逻辑通信，而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。 2.运输层还要对收到的报文进行差错检测。 3.根据应用程序的不同，运输层需要有两种不通过的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。 4.运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的就好像两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道，但这条逻辑通信信道对上层的表现却因运输层使用的不同协议而有很大的差别。当运输层采用面向连接的TCP协议时，尽管下面的网络是不可靠的，但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。但当运输层采用无法连接的UDP协议时，这种逻辑通信信道仍然是一条不可靠信道。 5.1.2 运输层的两个主要协议 1.TCP/IP运输层的两个主要协议都是因特网的正式标准，即： （1）用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）【RFC 768】 （2）传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）【RFC 793】 2.按照OSI的术语，两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元TPDU（Transport Protocol Data Unit）。但在TCP/IP体系中，则根据所使用的协议是TCP或UDP，分别称之为TCP报文段（segment）或UDP用户数据报。 3.UDP在传送数据之前不需要先建立将连接，远地主机的运输层在收到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却是一种最有效地工作方式。 4.TCP则是提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放链接。TCP不提供广播或多方广播服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免的增加了许多的开销。 5.1.3 运输层的端口 1.运输层的复用和分用功能。应用层所有的应用进程都可以通过运输层再传送到IP层（网络层），这就是复用。运输层从IP层收到后必须交付指明的应用进程，这就是分用。 2.在单个计算机中的进程是用进程标识符（一个不大的整数）来标识的。为了使运行不同的操作系统的计算机的应用进程能够互相通信，就必须用统一的方法（而这种方法必须与特定操作系统无关）对TCP/IP体系的应用进程进行标识。 3.解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号（protocol port number），或通常简称为端口（Port），就是说，虽然通信的终点是应用进程，但我们只要把传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作就由TCP来完成。 4.在这种协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口，和路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念。硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口，而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址。 5.TCP/IP的运输层用一个16位端口号来标志一个端口。端口号只具有本地意义，它只是为了标志本计算机应用层中的各个进程在和运输层交互时层间接口。在因特网不同计算机中，相同的端口号是没有关联的。16位的端口号可允许有65535个不同的端口号。 6.运输层的端口号分为两大类： （1）服务器端使用的端口号 这里又分为两类，最重要的一类叫做熟知端口号（well-known port number）或系统端口号，数值为0~1023。另一类叫做登记端口号，数值为1024~49151。这类端口号是为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这类端口号必须在IANA按规定的手续登记，以防止重复。 （2）客户端使用的端口号 数值为49152~65535。由于这类端口号仅在客户进程运行时才动态选择，因此又叫做短暂端口号。这类端口号是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端口号，因而可以把数据发送给客户进程。通信结束后，刚才已经使用过的客户端口号就不复存在，这个端口号就可以供其他客户进程使用。

5.2 用户数据报协议UDP 5.2.1 UDP概述 1.用户数据协议UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。UDP的主要特点是： （1）UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接（当然，发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的延时。 （2）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。 （3）UDP是面向报文的。发送方的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。就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。 （4）UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送率降低。 （5）UDP支持一对一、多对多、多对一和多对多的交互通信。 （6）UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。 5.2.2 UDP的首部格式 1.用户数据报UDP有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段很简单，只有8个字节，由四个字段组成，每个字段的长度都是两个字节。各字段意义如下： （1）源端口 源端口号。在需要对方回信时选用。不需要时可用全0. （2）目的端口 目的端口。这在终点交付报文时必须要使用到。 （3）长度 UDP用户数据报的长度，其最小值是8（仅有首部）。 （4）检验和 检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。

5.3 传输控制协议TCP概述 5.3.1 TCP最主要特点 1.TCP最主要特点： （1）TCP是面向连接的运输层协议。就是说，应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接。在传送数据完毕后，必须释放已经建立的TCP连接。 （2）每一条TCP连接只能有两个端点（endpoint）每天一条TCP连接只能是点对点的（一对一的）。 （3）TCP提供可靠交付的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。 （4）TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送和接收缓存，用来临时存放双方通信的数据。在发送时，应用程序在把数据传送给TCP的缓存后，就可以做自己的事情，而TCP在合适的时候把数据发送出去。在接收时，TCP把收到的数据放入缓存，上层的应用进程在合适的时候读取缓存中的数据。 （5）面向字节流。TCP中的“流”（stream）指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义是：虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不相等），但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。图中的TCP连接的上一条虚连接（也就是逻辑连接）而不是一条真正的物理连接。

5.4 可靠传输的工作原理 TCP发送的报文段是交给IP层传送的。但IP层只能提供尽最大努力服务，即TCP下面提供的是不可靠的传输。因此，TCP必须采用适当的措施才能使得两个运输层之间的通信变得可靠。理想的传输条件特点：（1）传输信道不产生差错。（2）不管发送方以多快的速度发送数据，接收方总是来得及处理收到的数据。 5.4.1 停止等待协议 全双工通信的双方既是发送方也是接收方。设A为发送方，B为接收方。讨论可靠传输的原理，把传送的数据单元都称为分组，而不考虑数据是在那一个层次上传送的。“停止等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发送下一个分组。 1.无差错的情况 A发送分组M1，发完就暂停发送，等待B确认。B收到M1就向A发送确认。A在收到了对M1的确认后，就在发送下一个分组M2.同样，在收到B对M2的确认后在发送下一个分组。 2.出现差错 B接收M1到时检测出了差错，就丢弃M1，其他什么也不做（不通知A收到由有差错的分组）。也可能M1在传输过程中丢失了，这时B什么也不知道。在这两种情况下，B都不会发送任何信息。可靠传输协议是这样设计的：A只要超过了一段时间任然没有收到确认，就认为刚才发送的分组丢失了，因而重传前面发送过的分组。这就叫做超时重传。要实现超时重传，就要在每发送完一个分组设置一个超时计时器。如果在超时计时器到期之前收到了对方的确认，就撤销已经设置的超时计时器。 应注意三点：第一，A在发送完一个分组后，必须暂时保留已经发送的分组的副本（为发生超时重传时使用）。只有在收到相应的确认后才能清楚暂时保留的分组副本。第二，分组和确认分组都必须进行编号，这样才能明确哪一个发送出去的分组收到了确认，而哪一个分组还没有收到确认。第三，超时计时器设置的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。在运输层重传时间的准确设定是非常复杂的，这是因为已发送出去的分组到底会经过哪些网络，以及这些网络将会产生多大的时延（这取决于这些网络当时的拥塞状况），这些都是不确定因素。 3.确认丢失和确认迟到 a种情况：B所发送的对M1的确认丢失了，A在设定的超时重传时间内木有收到确认，但并无法知道是自己发送的分组出错、丢失，或者是B发送的确认丢失了。因此A在超时计时器到期后就要重传M1。现在应注意B的动作。假定B又收到了重传的分组M1。这时应采取两个行动：第一，丢弃这个重复的分组M1，不向上层交付。第二，向A发送确认。不能认为已经发送确认就不用再发送，因为A之所以重传M1就表示A没有收到对M1的确认。 b种情况：传输过程中没有出现差错，但B对分组M1的确认迟到了。A会收到重复的确认。对重复的确认的处理很简单：收下后就丢弃。B仍然会收到重复的M1，并且同样要丢弃重复的M1，并重传确认分组。 使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。像上述这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ（Automatic Repeat reQuest）。 .4信道利用率