高等学校21世纪教材《计算机网络教程》第8章运输层

计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层(transport protocol)是整个网络体系结构是整个网络体系结构中的关键之一。中的关键之一。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层从通信和信息处理的角度看，从通信和信息处理的角度看，它属于面向通信部分的最高层，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。运输层只存在于通信同时也是用户功能中的最低层。运输层只存在于通信子网以外的主机中，在通信子网中没有运输层，如图子网以外的主机中，在通信子网中没有运输层，如图8-1所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层，如图，如图8-3所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层OSI使用了简洁的抽象方法将运输层与其上下层之使用了简洁的抽象方法将运输层与其上下层之间的关系归纳如图间的关系归纳如图8-4所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层，但这条逻辑通信信道，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。差别。(即只提供尽最大努力服务即只提供尽最大努力服务)，但这，但这种逻辑通信信道就相当于种逻辑通信信道就相当于。但。但当运输层采用当运输层采用时，这种逻辑通信信道时，这种逻辑通信信道则是一条则是一条。在图。在图8-5中将可靠信道画成一个中将可靠信道画成一个管道，这意味着报文在这样的管道，这意味着报文在这样的“管道管道”中运输时，可中运输时，可以做到无差错、按序以做到无差错、按序(接收的顺序和发送的顺序一样接收的顺序和发送的顺序一样)、无丢失和无重复。无丢失和无重复。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层TCP/IP的运输层有两个不同的协议，如图的运输层有两个不同的协议，如图8-6所示，所示，它们都是因特网的正式标准，即：它们都是因特网的正式标准，即：（1）UDP (User Datagram Protocol)（2）TCP (Transmission Control Protocol)计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层UDP和和TCP都使用了与应用层接口处的都使用了与应用层接口处的(port)与上层的应用进程进行通信。图与上层的应用进程进行通信。图8-7说明了端口在进程说明了端口在进程之间的通信中所起的作用。之间的通信中所起的作用。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层若若，。端口是用来标识应用层的进程。端口是用来标识应用层的进程。端口号分为两类。一类是由端口号分为两类。一类是由ICANN负责分配给一些常用的应用层程序固定负责分配给一些常用的应用层程序固定使用的使用的(well-known port)，其数值一般为，其数值一般为01023，见，见RFC 1700。例如，。例如，FTP用用21，TELNET用用23，SMTP用用25，DNS用用53，HTTP用用80，SNMP用用161，等等。当一种新的应用程序出现时，必须为它指，等等。当一种新的应用程序出现时，必须为它指派一个熟知端口，否则其他的应用进程就无法和它进派一个熟知端口，否则其他的应用进程就无法和它进行交互。行交互。图图8-8举例说明了端口的作用。举例说明了端口的作用。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层(32 bit)和和(16 bit)，。插口和端口、。插口和端口、IP地址的关系如图地址的关系如图8-9所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层虽然虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但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，例如：在某些方面有其特殊的优点，例如：（1）发送数据之前不需要建立连接）发送数据之前不需要建立连接(当然发送数当然发送数据结束时也没有连接需要释放据结束时也没有连接需要释放)，因而减少了开销和发，因而减少了开销和发送数据之前的时延。送数据之前的时延。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层（2）UDP没有拥塞控制，也不保证可靠交付，因没有拥塞控制，也不保证可靠交付，因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。表。（3）UDP用户数据报只有用户数据报只有8个字节的首部开销，个字节的首部开销，比比TCP的的20个字节的首部要短。个字节的首部要短。（4）由于）由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。塞不会使源主机的发送速率降低。表表8-1给出了一些应用和应用层协议主要使用的运给出了一些应用和应用层协议主要使用的运输层协议输层协议(UDP或或TCP)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层表表 8-1使用使用 UDP和和 TCP协议的各种应用和应用层协议协议的各种应用和应用层协议应应 用用应用层协议应用层协议运输层协议运输层协议名字转换名字转换DNSUDP路由选择协议路由选择协议RIPUDP网络管理网络管理SNMPUDP远程文件服务器远程文件服务器NFSUDPIP 电话电话专用协议专用协议UDP流式多媒体通信流式多媒体通信专用协议专用协议UDP多播多播IGMPUDP电子邮件电子邮件SMTPTCP远程终端接入远程终端接入TELNETTCP万维网万维网HTTPTCP文件传送文件传送FTPTCP计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层通常用通常用UDP的报文队列来具体实现一个的报文队列来具体实现一个UDP端口，端口，如图如图8-10所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层用户数据报用户数据报UDP有两个字段：数据字段和首部字有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段很简单，只有段。首部字段很简单，只有8个字节，如图个字节，如图8-11所示，所示，由由4个字段组成，每个字段都是两个字节。各字段意义个字段组成，每个字段都是两个字节。各字段意义如下所述。如下所述。（1）：源端口号。：源端口号。（2）：目的端口号。：目的端口号。（3）：UDP用户数据报的长度。用户数据报的长度。（4）：防止：防止UDP用户数据报在传输中用户数据报在传输中出错。出错。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层图图8-12给出了一个计算给出了一个计算UDP检验和的例子。检验和的例子。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层TCP是是TCP/IP体系中面向连接的运输层协议，它体系中面向连接的运输层协议，它提供全双工的可靠交付的服务。提供全双工的可靠交付的服务。一个一个TCP报文段分为首部和数据两部分，如图报文段分为首部和数据两部分，如图8-13所示。所示。TCP报文段首部的前报文段首部的前20个字节是固定的，后面有个字节是固定的，后面有4N字节是根据需要而增加的选项字节是根据需要而增加的选项(N必须是整数必须是整数)。因此。因此TCP首部的最小长度是首部的最小长度是20字节。字节。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层首部固定部分各字段的意义如下所述。首部固定部分各字段的意义如下所述。（1）（2）（3）（4）（5）（6）URG (URGent)计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层（7）（8）PSH (PuSH)（9）RST (ReSeT)（10）SYN（11）FIN (FINal)（12）（13）（14）计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层TCP协议是协议是的。的。TCP将所要传送的整个将所要传送的整个报文报文(这可能包括许多个报文段这可能包括许多个报文段)看成是看成是，并并。TCP的确认是的确认是(即收到即收到的数据流中的最后一个序号的数据流中的最后一个序号)。但接收端返回。但接收端返回的确认序号是已收到的数据的最高序号加的确认序号是已收到的数据的最高序号加1。也就是说，。也就是说，。图图8-14是是TCP发送报文段的过程的示意图。发送报文段的过程的示意图。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层为了提高报文段的传输效率，为了提高报文段的传输效率，TCP采用大小可变采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。在在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的窗口数值。对方设置的窗口数值。图图8-15表示的是在表示的是在TCP中使用的窗口概念。中使用的窗口概念。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层重传机制是重传机制是TCP中最重要和最复杂的问题之一。中最重要和最复杂的问题之一。只要计。只要计时器设置的重传时间已经到了但还没有收到确认，就时器设置的重传时间已经到了但还没有收到确认，就要重传这一报文段。要重传这一报文段。图图8-17画出了数据链路层和运输层的往返时延概画出了数据链路层和运输层的往返时延概率分布的对比。率分布的对比。，。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层，即：，即：重传时间重传时间 (平均往返时延平均往返时延)计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层Karn提出了一个算法：提出了一个算法：。新的重传时间新的重传时间 (旧的重传时间旧的重传时间) (8-4)系数系数的典型值是的典型值是2。当不再发生报文段的重传时，。当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时延更新平均往返时延和重传时才根据报文段的往返时延更新平均往返时延和重传时间的数值。实践证明，这种策略较为合理。间的数值。实践证明，这种策略较为合理。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层TCP是面向连接的协议。运输连接的建立和释放是面向连接的协议。运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。在连接建立过程中要解决以下三个问题。在连接建立过程中要解决以下三个问题。（1）要使每一方能够确知对方的存在。）要使每一方能够确知对方的存在。（2）要允许双方协商一些参数）要允许双方协商一些参数(如最大报文段长如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等度，最大窗口大小，服务质量等)。（3）能够运输实体资源）能够运输实体资源(如缓存大小，连接表中如缓存大小，连接表中的项目等的项目等)进行分配。进行分配。TCP的连接和建立都是采用客户服务器方式。主的连接和建立都是采用客户服务器方式。主动发起连接建立的进程叫做客户动发起连接建立的进程叫做客户(client)，而被动等待，而被动等待连接建立的进程叫做连接建立的进程叫做(server)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层为了管理因特网，在网络管理中心设有为了管理因特网，在网络管理中心设有MIB (Management Information Base)。管理信息库。管理信息库存放着各主机的存放着各主机的TCP(Connection Table)，其格，其格式如表式如表8-2所示。所示。TCP连接表对每个连接都登记了其连连接表对每个连接都登记了其连接信息。除本地和远地的接信息。除本地和远地的IP地址和端口号外，还要记地址和端口号外，还要记录每一个连接所处的状态。录每一个连接所处的状态。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层表表8-2TCP 连连接接表表连连 接接 状状 态态本本地地IP 地地址址本本 地地 端端 口口远远地地IP 地地址址远远 地地 端端 口口连连接接1连连接接2连连接接n计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第8 8 8章章章章章章运运运运运运输输输输输输层层层层层层