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1、,,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),傳輸層基本功能與服務(wù) UDP協(xié)議, TCP協(xié)議 習(xí)題,,第13課:主要內(nèi)容,重點(diǎn)與難點(diǎn),重點(diǎn)： 了解運(yùn)輸層協(xié)議類型，運(yùn)輸層的分用和復(fù)用； 掌握UDP，TCP協(xié)議的特點(diǎn)；UDP報(bào)文的格式； 難點(diǎn)： 熟悉進(jìn)程間的通信過程；UDP，TCP的端口服務(wù)類型；,,討論1 傳輸層的基本功能和服務(wù),應(yīng)用層,傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,,,,網(wǎng)絡(luò)功能,用戶功能,面向通信,,面向信息處理,從通信和信息處理的角度看：傳輸層向它的上一層應(yīng)用提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，也是用戶功能的最低層,,討論1 傳輸層的基本功能和服務(wù),應(yīng)用層,傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,,,,網(wǎng)絡(luò)功能

2、,用戶功能,面向通信,,面向信息處理,其主要任務(wù)是：在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)上，從源端機(jī)到目的端機(jī)提供可靠的、價格合理的數(shù)據(jù)傳輸，使高層服務(wù)用戶在相互通信時不必關(guān)心通信子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。,其主要功能是：負(fù)責(zé)應(yīng)用程序之間的通信，主要有連接端口管理、流量控制、錯誤處理、數(shù)據(jù)重發(fā)等工作,AP1,AP2,,,,,,,AP3,AP4,,,,,,IP傳輸,提供應(yīng)用進(jìn)程間邏輯通信,端口,應(yīng)用進(jìn)程,,,,,傳輸層為相互通信的應(yīng)用進(jìn)程提供了邏輯通信,,,,,主機(jī) A,主機(jī) B,路由器 1,路由器 2,,AP1,LAN2,WAN,,,AP2,,,,,AP3,,AP4,LAN1,,,,IP 協(xié)議的作用范圍,,,,運(yùn)輸層協(xié)

3、議 TCP 和 UDP 的作用范圍,,,,由上圖可以看出數(shù)據(jù)在兩臺主機(jī)間傳送的整個過程:,,在物理層上可以透明地傳輸數(shù)據(jù)的比特流； 在數(shù)據(jù)鏈路層上使得各條鏈路能傳送無差錯的數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)幀按順序、無丟失、不重復(fù)）； 在網(wǎng)絡(luò)層上提供了路由選擇和網(wǎng)絡(luò)互連的功能，使得主機(jī)A發(fā)送的數(shù)據(jù)分組(packet)能夠按照合理的路由到達(dá)主機(jī)B。但是在這一過程中，到達(dá)主機(jī)B的數(shù)據(jù)并不一定是最可靠的。 為了提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，在傳輸層需要再次優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并向高層用戶屏蔽通信子網(wǎng)的細(xì)節(jié)，使高層用戶看見的就好像在兩個傳輸層實(shí)體之間有一條端到端的、可靠的、全雙工的通信通路一樣。,,,在整個通信的過程中，數(shù)據(jù)在傳輸層上，才

4、是第一次實(shí)現(xiàn)真正意義的端到端的數(shù)據(jù)通信。 要想實(shí)現(xiàn)傳輸層的功能，必須在主機(jī)中裝有傳輸層協(xié)議。 在傳輸層中完成傳輸功能的硬件和軟件被稱為傳輸實(shí)體TSAP（Transport Service Access Point），通過傳輸實(shí)體，傳輸層可以向應(yīng)用層提供傳輸服務(wù),,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),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/IP協(xié)議中的

5、傳輸層,,,,在TCP/IP協(xié)議中有兩個并列的協(xié)議：UDP和TCP。,UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是面向無連接的，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前不需要建立連接，而目的主機(jī)收到數(shù)據(jù)報(bào)后也不需要發(fā)回確認(rèn)。這種協(xié)議提供了一種高效的傳輸服務(wù)。,TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是面向連接的，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前需要先建立連接，而且目的主機(jī)收到數(shù)據(jù)報(bào)后要發(fā)回確認(rèn)信息。這種協(xié)議提供了一種可靠的傳輸服務(wù)。,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 U

6、DP 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。,還要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn),運(yùn)輸層的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)與網(wǎng)際層的IP數(shù)據(jù)報(bào)有很大區(qū)別。IP 數(shù)據(jù)報(bào)要經(jīng)過互連網(wǎng)中許多路由器的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，但 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)是在運(yùn)輸層的端到端抽象的邏輯信道中傳送的。 TCP 報(bào)文段是在運(yùn)輸層抽象的端到端邏輯信道中傳送，這種信道是可靠的全雙工信道。但這樣的信道卻不知道究竟經(jīng)過了哪些路由器，而這些路由器也

7、根本不知道上面的運(yùn)輸層是否建立了 TCP 連接。,傳輸層使用的 port(端口 ) & socket(套接字),,,,TCP/IP傳輸層可以通過協(xié)議端口（protocol port，簡稱端口）來標(biāo)識通信的應(yīng)用進(jìn)程。 例如： HTTP 80 DHCP 67、68,傳輸層就是通過端口與應(yīng)用層的應(yīng)用程序進(jìn)行信息交互的，應(yīng)用層各種用戶進(jìn)程通過相應(yīng)的端口與傳輸層實(shí)體進(jìn)行信息交互。,在數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)用層中的各種不同的服務(wù)器進(jìn)程不斷地檢測分配給它們的端口，以便發(fā)現(xiàn)是否有某個應(yīng)用進(jìn)程要與它通信。,傳輸層使用的 port(端口 ) & socket(套接字),,,,端口實(shí)際上是一個16Bit長的地址，范圍

8、可以從0至65535 將0至1023端口號稱為熟知端口號（Well-Known Port） 其余1024至49951端口號稱為登記端口號，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。使用這個范圍的端口號必須在 IANA 登記，以防止重復(fù)。 49152至65535端口號稱為客戶端口號，留給客戶進(jìn)程選擇暫時使用。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶進(jìn)程的報(bào)文時，就知道了客戶進(jìn)程所使用的動態(tài)端口號。,,,,,,,套接字 socket = (IP地址: 端口號),套接字 (socket),為了使得多主機(jī)多進(jìn)程通信時，不至于發(fā)生混亂情況，必須把端口號和主機(jī)的IP地址結(jié)合起來使用，稱為插口或套接字（Scoket）。 插口包括IP地

9、址（32位）和端口號（16位） ，共48位。,,TCP 連接 ::= socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2),每一條 TCP 連接唯一地被通信兩端的兩個端點(diǎn)（即兩個套接字）所確定。 TCP 連接（端到端）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，也不是傳輸層的協(xié)議端口。而是一對套接字(socket)或插口。 UDP協(xié)議，雖然在進(jìn)行通信的進(jìn)程間不需要建立連接，但是在每次傳輸數(shù)據(jù)時，都要給出發(fā)送端口和接收端口，因此同樣也要使用插口。,運(yùn)輸層的復(fù)用與分用,復(fù)用是指在發(fā)送方不同的應(yīng)用進(jìn)程都可以使用同一個運(yùn)輸層協(xié)議傳送數(shù)據(jù)（當(dāng)然需要加上

10、適當(dāng)?shù)氖撞浚?而分用是指接收方的運(yùn)輸層在剝?nèi)?bào)文的首部后能夠把這些數(shù)據(jù)正確交付到目的應(yīng)用進(jìn)程。 要能正確地將數(shù)據(jù)交付給指定應(yīng)用進(jìn)程，就必須給每個應(yīng)用進(jìn)程賦予一個明確的標(biāo)志。 在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，使用一種與操作系統(tǒng)無關(guān)的協(xié)議端口號(protocol port number)（簡稱端口號）來實(shí)現(xiàn)對通信的應(yīng)用進(jìn)程的標(biāo)志。,端口在進(jìn)程之間的通信中所起的作用,,,,,,,,,應(yīng) 用 層,運(yùn) 輸 層,網(wǎng) 絡(luò) 層,TCP 報(bào)文段,UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào),應(yīng)用進(jìn)程,TCP 復(fù)用,,,,,,,,IP 復(fù)用,,,UDP 復(fù)用,,,,,,,,,,,TCP 報(bào)文段,UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào),,,,,,,,,,,,,,,,,

11、,,應(yīng)用進(jìn)程,端口,端口,TCP 分用,UDP 分用,IP 分用,,,發(fā)送方,接收方,討論 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP,UDP 只在 IP 的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了很少一點(diǎn)的功能，即端口的功能和差錯檢測的功能。 雖然 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。 發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接 UDP 的主機(jī)不需要維持復(fù)雜的連接狀態(tài)表。 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)只有 8 個字節(jié)的首部開銷。 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會使源主機(jī)的發(fā)送速率降低。這對某些實(shí)時應(yīng)用是很重要的。,UDP 的特點(diǎn),UDP 是無連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接（當(dāng)然發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束時也沒有連接可釋放），因此減少了開

12、銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時延。 UDP 使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，同時也不使用擁塞控制，因此主機(jī)不需要維持具有許多參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表。,由于 UDP 沒有擁塞控制，因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會使源主機(jī)的發(fā)送速率降低。這對某些實(shí)時應(yīng)用是很重要的。很多的實(shí)時應(yīng)用（如 IP 電話、實(shí)時視頻會議等）要求源主機(jī)以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時丟失一些數(shù)據(jù)，但卻不允許數(shù)據(jù)有太大的時延。UDP 正好適合這種要求。,UDP 的特點(diǎn)（續(xù)）,UDP 是面向報(bào)文的。這就是說，UDP 對應(yīng)用程序交下來的報(bào)文不再劃分為若干個分組來發(fā)送，也不把收到的若干個報(bào)文合并后再交付給應(yīng)用程序。 應(yīng)用程序交給 U

13、DP 一個報(bào)文，UDP 就發(fā)送這個報(bào)文；而 UDP 收到一個報(bào)文，就把它交付給應(yīng)用程序。 應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。,UDP 支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。 用戶數(shù)據(jù)報(bào)只有 8 個字節(jié)的首部開銷，比 TCP 的 20 個字節(jié)的首部要短。,UDP 的問題,雖然某些實(shí)時應(yīng)用需要使用沒有擁塞控制的 UDP，但當(dāng)很多的源主機(jī)同時都向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送高速率的實(shí)時視頻流時，網(wǎng)絡(luò)就有可能發(fā)生擁塞，結(jié)果大家都無法正常接收。 還有一些使用 UDP 的實(shí)時應(yīng)用需要對UDP 的不可靠的傳輸進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)以減少數(shù)據(jù)的丟失。,UDP 的首部格式,,,,,,,,,,,,,,偽首部,源端口,目的端口,長 度,

14、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),,,,,,,,,,,,,,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),,用戶數(shù)據(jù)報(bào) 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

15、段都是兩個字節(jié)。,,,,,,,,,,,,,,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),,在計(jì)算檢驗(yàn)和時，臨時把“偽首部”和 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)連接在一起。偽首部僅僅是為了計(jì)算檢驗(yàn)和。,討論 傳輸控制協(xié)議 TCP,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

16、供全雙工通信。 面向字節(jié)流。,TCP 面向流的概念,,,,,端口,,,發(fā)送 TCP 報(bào)文段,,,,TCP,,,,TCP,接收緩存,,發(fā)送緩存,報(bào)文段,,報(bào)文段,報(bào)文段,,,端口,發(fā)送方,接收方,,向發(fā)送緩存 寫入數(shù)據(jù)塊,,從接收緩存 讀取數(shù)據(jù)塊,應(yīng)用進(jìn)程,應(yīng)用進(jìn)程,,,,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報(bào)文段應(yīng)包含多少個字節(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

17、的字節(jié)后再構(gòu)成報(bào)文段發(fā)送出去。,TCP 連接的任何一方都能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通信是全雙工方式。 發(fā)送方的應(yīng)用進(jìn)程按照自己產(chǎn)生數(shù)據(jù)的規(guī)律，不斷地把數(shù)據(jù)塊陸續(xù)寫入到 TCP 的發(fā)送緩存中。TCP 再從發(fā)送緩存中取出一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，將其組成 TCP 報(bào)文段(segment)逐個傳送給 IP 層，然后發(fā)送出去。 接收方從 IP 層收到 TCP 報(bào)文段后，先把它暫存在接收緩存中，然后讓接收方的應(yīng)用進(jìn)程從接收緩存中將數(shù)據(jù)塊逐個讀取。 由于運(yùn)輸層的通信是面向連接的，因此TCP 每一條連接上的通信只能是一對一的，而不可能是一對多、多對一或多對多的。,Excisses and Thinking,P229 （5-1，5-2，5-5）,