网络编程书籍讲义第四讲.ppt
第1页,人民邮电出版社,第4章 互联网络层,第2页,4.1传输层的通信与端口,4.1.1点到点通信与端到端通信在互联网中，任何两台通信的主机之间，从源端到目标端的信道都是由一段一段的点到点通信线路组成的（一个局域网中两台主机通信时只有一段点到点的线路）。直接相连的节点之间对等实体(源节点的IP层和目标节点的IP层)的通信，叫点到点（point to point）通信。点到点的通信是由网络互联层来实现的，网络互联层只是屏蔽了不同网络之间的差异，构建了一个逻辑上的通信网络，因此它只是解决了数据通信问题。现在我们的问题是在网络中传输的数据，在源主机上从何而来，送到目标主机的何处去。回答这个问题很简单，因为源主机到目标主机之间的通信，本质上是源主机上的应用程序与目标主机上的应用程序之间的通信，因此源主机上IP层要传输的数据来源于它的网络应用程序，最终要通过目标主机的IP层，送到目标主机上需要使用数据的某个特定网络应用程序。这样在源主机和目标主机之间，好像有一条直接的数据传输通路，它覆盖了低层点到点之间的传输过程，直接把源主机应用程序产生的数据，传输到目标主机使用这些数据的应用程序，这就是端到端（end to end）的通信。端到端通信是建立在点到点通信基础之上的，它是比网络互联层通信更高一级的通信方式，完成应用程序（进程）之间的通信。端到端的通信是由传输层来实现的。,第3页,4.1传输层的通信与端口,4.1.2 端口的概念与功能传输层端口的概念是怎么来的呢？我们知道，数据链路层接收到数据帧之后，由数据帧中的协议类型字段（以太网）就可以知道要把数据送到高层的哪个协议（见表3-10所示）。IP层在收到低层送来的数据时，根据IP数据报头中的上层协议类型字段，就可以知道要把IP数据报送到高层的哪个协议（见表3-2所示）。在TCP/IP协议的传输层之上是应用层，现在用户使用的操作系统都是多任务操作系统，也就是说在IP层之上，可能有多个网络应用程序（进程）在进行数据传输，哪么传输层收到的数据究竟要送到哪个应用程序呢？,第4页,4.1传输层的通信与端口,4.1.2 端口的概念与功能为了识别传输层之上不同的网络通信程序（进程），传输层引入了端口的概念。在一台主机上，要进行网络通信的进程，首先要向系统提出动态申请，由系统（操作系统内核）返回一个本地惟一的端口号，进程再通过系统调用把自己和这个特定的端口联系在一起，这个过程叫绑定（binding）。这样每个要通信的进程都与一个端口号对应，传输层就可以使用其报文头中的端口号，把收到的数据送到不同的应用程序。在TCP/IP协议中，传输层使用的端口号用一个16位的二进制数表示。因此，在传输层如果使用TCP协议进行进程通信，则可用的端口号共有64K个。由于UDP也是传输层一个独立于TCP的协议，因此使用UDP协议时也有64K个不同的端口。IP地址 用来区分 不同的网络设备的PORT 用来区分 同一个网络设备上不同的进程（应用程序）,第5页,4.1传输层的通信与端口,4.1.3 常用的端口如果按上面所论述的，每个要通信的进程在通信之前，都要先通过系统调用动态的申请一个端口号。这样就有一个问题，相距遥远的两个进程，它们之间进行通信时，怎么知道对方的端口号呢？如果不知道对方进程的端口号，通信也就无法进行。其实我们知道，两个进程在进行通信时，总有一方要首先提出通信的请求，而另一方一直处于等待状态，准备来响应其它主机对它提出的请求。提出请求的一方就是客户端，响应客户的请求的一方就是服务器，这是典型的客户-服务器模式。客户端在提出请求时一定先要知道对方的端口号，为此TCP/IP协议在进行设计时，把服务器上守候进程的端口号进行静态分配。特定的服务对应一个特定的端口号，这些端口号是事先已经分配好的，是众所周知的（well-known port）的端口号。顾名思义，客户要使用的由服务器进程提供的服务，客户已经知道它们的端口号。例如，FTP服务器的TCP端口号都是21，Telnet服务器的TCP端口号都是23，TFTP(简单文件传送协议)服务器的UDP端口号是69。众所周知的端口号介于1255之间，这些端口号由Internet号分配机构IANA（Internet Assigned Numbers Authority）来管理。一些常用服务的TCP和UDP的众所周知端口号见表4-1和表4-2。,第6页,4.1传输层的通信与端口,4.1.3 常用的端口,第7页,4.1传输层的通信与端口,4.1.3 常用的端口,第8页,4.1传输层的通信与端口,4.1.3 常用的端口2561023之间的端口号通常都是由Unix系统占用，以提供一些特定的Unix服务。现在IANA管理11023之间所有的端口号。任何TCP/IP实现所提供的服务都使用11023之间的端口号。客户端口号又称作临时端口号（即存在时间很短暂）。这是因为客户端口号是在客户程序要进行通信之前，动态的从系统申请的一个端口号。然后以该端口号为源端口，使用某个众所周知的端口号为目标端口号（如在TCP协议上要进行文件传输时使用21）进行客户端到服务器端的通信，通信完成后，客户端的端口号就被释放掉，而服务器只要其服务在运行，其相应端口上的服务就存在。另外，大家可能已经想到了，当服务器要向客户端传输数据时，服务器怎么知道客户端临时分配的端口号呢？由于服务器可以从客户的请求报文中获得其端口号，因此也可以正常通信。大多数TCP/IP实现时，给临时端口分配10245000之间的端口号。大于5000的端口号是为其它服务预留的（Internet上并不常用的服务）。综上所述，我们知道两台要通信的主机，每一端要使用一个二元地址（IP地址，端口号），才可以完成它们之间的通信。端到端之间的一条通信就可能表示为（源主机IP地址，源端口号；目标主机IP地址，目标端口号），IP地址用来标识互联网中的两台通信的特定主机，端口号用来标识特定主机上通信的进程。在进行网络程序设计时这是最基本的知识。,第9页,4.2用户数据报协议（UDP）,4.2.1 UDP数据报UDP（User Data Protocol）是网络层之上常用的一个非常简单的协议，它主要是在IP层之上提供了协议端口功能，以标识源主机和目标主机上通信的进程。因此，UDP只能保证进程之间通信的最基本要求，而没有提供数据传输过程中的可靠性保证措施，所以大家常把它称为无连接，不可靠的通信协议，这可以通信它的协议格式非常明显地看出。UDP协议在工作时是建立在IP协议之上的，UDP从进程的缓冲区接收进程每一次产生的输出，对每次输出都生成一个UDP数据报，然后把生成的UDP数据报直接封装在IP数据报中进行传输，因此在传输层使用UDP协议时，发送端不需要发送缓冲区。被封装在IP报文中的UDP数据报，通过网络传输到目标主机的IP层后，由目标主机的UDP层根据目标端口号送到接收该数据的相应进程。,第10页,4.2用户数据报协议（UDP）,4.2.1 UDP数据报,第11页,4.2用户数据报协议（UDP）,4.2.2 伪首部与校验和UDP头部的校验和是一个用16位二进制数表示的错误检查字段，它是一个可选项。如果发送端为了提高UDP协议的工作效率，可以不计算该字段的值，这时填入0。UDP校验和的计算除了包含UDP首部和UDP数据区外，还包含了一个12个字节长的伪首部（pseudo header）。顾名思义，这个伪首部它并不是UDP的真正组成部分，它只是为了UDP在进行差错检查时，可以把更多的信息包含进去而人为加上的。伪首部的格式如图4-5所示。从伪首部的构成就可以看出，它主要是加入了IP地址信息，因为如图4-4所示的UDP数据报中并不包含与IP地址有关的信息，如果只以UDP数据报为依据计算校验和，就无法对目标地址的正确性进行检查。,第12页,4.2用户数据报协议（UDP）,伪首部包含IP首部的一些字段，填充域全填0，目的是使伪首部为16位二进制数的整数倍，这是计算校验和时所需要的。协议字段的值为17，UDP长度为UDP数据报的总长（当然不能包括虚构的伪首部）。源端在发送UDP数据报时，使用构造的UDP伪首部和UDP数据报计算出校验和（校验和的计算方法同IP首部校验和的计算方法相同），然后填入UDP首部。目标端在收到UDP数据报时，同样使用构造的UDP伪首部和UDP数据报计算出校验和，在计算时如果包括校验和字段，则计算结果为0（如果不包括校验和字段，则计算结果应与源端计算的结果一样），表明报文在传输过程中没有出现差错。另外，还有两个问题，一是在计算UDP校验和时，如果UDP数据报（UDP的首部为8个字节，但数据区长度是可变的）的总长度为奇数个字节，就要在数据报最后增加一个值为0的填充字节，这只是为了检验和的计算（因为检验和的算法是以16位二进制数为一个量计算的），但该字节并不一定被传送出去。二是如果检验和的计算结果为0时，则校验和存入的值为全1（即65535，表示0的反码），以区别没有计算校验和时直接填入的0。,第13页,4.2用户数据报协议（UDP）,从UDP协议的数据报格式可以看出，UDP对数据的封装非常简单，主要加了端口号与校验和后，直接通过IP层进行传输，因此它具有如下的几个特点：UDP是一种无连接、不可靠的数据报传输服务协议。UDP不与远端的UDP模块保持端对端的连接，它仅仅是把数据报发向网络,并从网络接收传来的数据报。关于连接的问题学完TCP后，可能更容易理解。UDP对数据传输过程中惟一的可靠保证措施是进行差错校验，如果发生差错，则只是简单的抛弃该数据报。如果目标端收到的UDP数据报中的目标端口号，不能与当前已使用的某端口号匹配时，则将该数据报抛弃，并发送目标端口不可达的ICMP差错报文。UDP协议在设计时的简单性，是为了保证UDP在工作时的高效性和低延时性。因此，在服务质量较高的网络中（如局域网），UDP可以高效地工作。UDP常用于传输延时小，对可靠性要求不高，有少量数据要进行传输的情况，如DNS（域名服务）、TFTP（简单文件传输）等。,第14页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.1 TCP报文段格式TCP提供一种面向连接的、可靠的数据流服务。因为它的高可靠性，使TCP协议成为传输层最常用的协议，同时也是一个比较复杂的协议。TCP和IP一样是TCP/IP协议簇中最重要的协议。TCP报文段（TCP报文常称为段或TCP报文段）与UDP数据报一样也是封装在IP中进行传输的，只是IP报文的数据区为TCP报文段。TCP报文段的格式如图形4-6所示。,第15页,4.3传输控制协议（TCP）,1TCP源端口号TCP源端口号长度为16位，用于标识发送方通信进程的端口。目标端在收到TCP报文段后，可以用源端口号和源IP地址标识报文的返回地址。2TCP目标端口号TCP目标端口号长度为16位，用于标识接收方通信进程的端口。源端口号和IP首部中的源端IP地址，目标端口号和目标端IP地址，这四个数就可以惟一确定从源端到目标端的一对TCP连接。3序列号序列号长度为32位，用于标识TCP发送端向TCP接收端发送数据字节流的序号。序列号的实际值等于该主机选择的本次连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）加上该报文段中第一个字节在整个数据流中的序号。由于TCP为应用层提供的是全双工通信服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输，因此，连接的每一端必须保持每个方向上传输数据的序列号，当序列号到达232-1后又从0开始。序列号保证了数据流发送的顺序性，是TCP提供的可靠性保证措施之一。,第16页,4.3传输控制协议（TCP）,4确认号确认号长度为32位，因为接收端收到的每个字节都被计数，这样它可用来标识接收端希望收到的下一个TCP报文段第一个字节的序号。既然，确认号包含发送确认的一端希望收到的下一个字节的序列号，因此，确认号应当是上次已成功收到数据字节的序列号加1。确认号字段只有ACK标志（下面介绍）为1时才有效。在下一小节介绍完连接的建立后我们就会明白，一旦一个连接建立起来，这个字段总是有效的，也就是说ACK标志字段也总是被设置为1。5首部长度该字段用4位二进制数表示TCP头部的长短，它以32位二进制数为一个计数单位。TCP首部长度一般为20个字节，因此通常它的值为5。但当首部包含选项时该长度是可变的。首部长度主要用来标识TCP数据区的开始位置，因此又称为数据偏移。6保留保留字段长度为6位，该域必须置0。准备为将来定义TCP新功能时使用。,第17页,4.3传输控制协议（TCP）,7标志标志域长度为6位，每1位标志可以打开或关闭一个控制功能，这些控制功能与连接的管理（下小节讲述）和数据传输控制有关，它们是：URG：紧急指针（urgent pointer）标志，置1时，紧急指针有效（下面介绍）。ACK：确认号标志，置1时，确认号有效。如果ACK为0，那么TCP首部中包含的确认号字段应被忽略。PSH：push操作标志，当置1时，表示要对数据进行push操作。push操作的功能说明如下：在一般情况下，TCP要等待到缓冲区满时，才把数据发送出去，而当TCP软件收到一个push操作后，表明该数据要立即进行传输，因此TCP协议层首先把TCP首部中的标志域PSH置1，并不等缓冲区满就把数据立即发送出去。同样，接收端在收到PSH标志为1的数据时，也立即将收到的数据传输给应用程序。RST：连接复位标志，表示由于主机崩溃或其它原因而出现错误时的连接。可以用它来表示非法的数据段或拒绝连接请求。例如，当源端请求建立连接的目标端口上没有服务进程时，目标端产生一个RST置位的报文，或当连接的一端非正常终止时，它也要产生个RST置位的报文。一般情况下，产生并发送一个RST置位的TCP报文段的一端，总是发生了某种错误或操作无法正常进行下去。,第18页,4.3传输控制协议（TCP）,7标志SYN：同步序列号标志，它用来发起一个连接的建立（建立连接时握手操作的标志，下小节介绍），也就是说只有在连接建立的过程中SYN才被置1。FIN：连接终止标志，当一端发送FIN标志置1的报文时，告诉另一端已无数据可发送，即已完成了数据发送任务。但它还可以继续接收数据。8窗口大小窗口大小字段长度为16位，它是接收端的流量控制措施，用来告诉另一端它的数据接收能力。连接的每一端把可以接收的最大数据长度（其本质为接收端TCP可用的缓冲区大小），通过TCP发送报文段中的窗口字段来通知对方，对方发送数据的总长度不能超过窗口大小。窗口的大小用字节数表示，它起始于确认号字段指明的值，窗口最大长度为65535个字节。通过TCP报文段首部的窗口刻度选项，它的值可以按比例变化，以提供更大的窗口。,第19页,4.3传输控制协议（TCP）,9校验和校验和字段长度为16位，用于进行差错校验。检验和覆盖了整个的TCP报文段的首部和数据区。这是一个强制性的字段，一定要由发送端计算并填入，由接收端进行验证。TCP检验和的计算方法和UDP检验和的计算方法相似，要使用一个与图4-5所示一样的伪首部，但协议字段的值为6，表示为TCP协议。10.紧急指针紧急指针字段长度为16位，只有当URG标志置1时紧急指针才有效，它的值指向紧急数据最后一个字节的位置（如果把它的值与TCP头部中的序列号相加，表示紧急数据最后一个字节的序号，在有些实现中指向最后一个字节的下一个字节）。如果URG标志没有被设置，紧急指针域用0填充。要说明的是TCP协议层提供了这种“紧急方式(urgent mode)”，但TCP对紧急数据知之甚少，只能告诉另一端有些具有某种方式的“紧急数据”已经被放置在普通的数据流中和这些数据最后一个字节的指针，具体对于紧急数据的定义和处理由应用程序决定。,第20页,4.3传输控制协议（TCP）,11.选项选项的长度不固定，通过选项使TCP可以提供一些额外的功能。每个选项由选项类型（占1个字节）、该选项的总长度（占1个字节）和选项值组成。12.填充长度不定，用于填充以保证TCP首部的长度为32位的整数倍，值全为0。,第21页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.2TCP连接的建立与关闭TCP是一个面向连接的协议，所以在进行数据传输前，通信的源端和目标端之间必须先建立一条连接，然后才能进行数据传输，在通信结束时要终止连接。这是TCP保证数据可靠传输的主要措施之一。下面我们讨论连接的建立和关闭问题。TCP在IP之上工作，IP本身是一个无连接的协议，在无连接的协议之上要建立连接，在一般人看来，这是TCP协议令人费解的一个问题。但读者一定要清楚，这里的连接是指在源端和目标端之间建立的一种逻辑连接，使源端和目标端在进行数据传输时彼此达成某种共识，相互可以识别对方及其传输的数据。连接在TCP协议层的内部表现为一些缓冲区和一组协议控制机制，外部表现为比无连接的数据传输具有更高的可靠性。1.建立连接互联网中两台要进行通信的主机，在一般情况下，总是其中的一台主动提出通信的请求（客户机），另一台被动的响应请求（服务器）。如果传输层使用TCP协议，则在通信之前要求通信的双方首先要建立一条连接。TCP使用“3次握手”（3-way handshake）法来建立一条连接。所谓3次握手就是指在建立一条连接时通信双方要交换3次报文。连接的建立过程可以用图4-8表示。具体过程如下：,第22页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.2TCP连接的建立与关闭第1次握手：由客户机的应用层进程向其传输层TCP协议发出建立连接的命令，则客户机TCP向服务器上提供某特定服务的端口发送一个请求建立连接的报文段，该报文段中SYN被置1，同时包含一个初始序列号x（系统保持着一个随时间变化的计数器，建立连接时该计数器的值即为初始序列号，因此不同的连接初始序列号不同）。第2次握手：服务器收到建立连接的请求报文段后，发送一个包含服务器初始序号y，SYN被置1，确认号置为x+1的报文段作为应答。确认号加1是为了说明服务器已正确收到一个客户连接请求报文段，因此从逻辑上来说一个连接请求占用了一个序号。第3次握手：客户机收到服务器的应答报文段后，也必须向服务器发送确认号为y+1的报文段进行确认。同时客户机的TCP协议层通知应用层进程，连接已建立，可以进行数据传输了。,第23页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.2TCP连接的建立与关闭通过以上3次握手，两台要通信的主机之间就建立了一条连接，相互知道对方的哪个进程在与自己进行通信，通信时对方传输数据的顺序号应该是多少。连接建立后通信的双方可以相互传输数据，并且双方的地位是平等的。如果在建立连接的过程中握手报文段丢失，则可以通过重发机制进行解决（下面介绍）。如果服务器端关机，则客户端收不到服务器端的确认，客户端按某种机制重发建立连接的请求报文段若干次后，就通知应用进程，连接不能建立（超时）。还有一种情况是当客户请求的服务，在服务器端没有对应的端口提供时，则服务器端以一个复位报文应答（RTS=1），连接也不能建立。最后要说明一点建立连接的TCP报文段中，只有报文头（无选项时长度为20个字节），没有数据区。,第24页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.2TCP连接的建立与关闭2.关闭连接由于TCP是一个全双工协议，因此在通信过程中两台主机都可以独立的发送数据，完成数据发送的任何一方可以提出关闭连接的请求。关闭连接的过程中，由于在每个传输方向既要发送一个关闭连接的报文段，又要接收对方的确认报文段，因此关闭一个连接要经过4次握手。具体过程如下（下面设客户机首先提出关闭连接的请求）：第1次握手：由客户机的应用进程向其TCP协议层发出终止连接的命令，则客户TCP协议层向服务器TCP协议层发送一个FIN被置1的关闭连接的TCP报文段。第2次握手：服务器的TCP协议层收到关闭连接的报文段后，就发出确认，确认号为已收到的最后一个字节的序列号加1。同时把关闭的连接通知其应用进程，告诉它客户机已经终止了数据传送。在发送完确认后，服务器如果有数据要发送，则客户机仍然可以继续接收数据，所以把这种状态叫半关闭（half-close）状态，因为服务器仍然可以发送数据，并且可以收到客户机的确认，只是客户方已无数据发向服务器了。,第25页,4.3传输控制协议（TCP）,4.3.2TCP连接的建立与关闭2.关闭连接第3次握手：如果服务器应用进程也没有要发送给客户方的数据了，就通告其TCP协议层关闭连接。这时服务器的TCP协议层向客户机的TCP协议层发送一个FIN置1的报文段，要求关闭连接。第4次握手：同样客户机收到关闭连接的报文段后，向服务器发送一个确认，确认号为已收到数据的序列号加1。当服务器收到确认后，整个连接被完全关闭。,第26页,4.4TCP与UDP的比较,TCP和UDP是Internet传输层使用的两个主要协议。我们在后面进行网络程序设计时，往往要根据不同的情况做出选择，这就要求我们对这两个协议的特点要有一个比较明确的认识，因此在学习完本章的内容后，对这两个协议我们进行一下比较。,第27页,4.4TCP与UDP的比较,
