传输层协议UDP与.ppt

第5章 传输层协议UDP和TCP,5.1 端到端通信和端口号5.2 用户数据报协议UDP 5.3 传输控制协议TCP5.4 TCP与UDP的比较习题,应掌握的内容：1、TCP协议格式的主要字段及其含义和功能2、连接的建立与关闭的过程3、滑动窗口协议是如何进行流量控制的4、TCP超时重发的原理,5.1 端到端通信和端口号,5.1.1 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)。如图5-1所示。,图5-1 传输层端到端通信,这种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。,5.1.2 传输层端口的概念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，如图5-2所示。,图5-2 传输层端到端通信,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216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216个不同的端口。客户端在提出请求时一定要先知道对方的端口号，为此，TCP/IP协议在进行设计时就把服务器上守候进程的端口号进行了静态分配。一些常用服务的TCP和UDP的众所周知端口号见表5-1和表5-2。,表5-1 常用的众所周知的TCP端口号,表5-2 常用的众所周知的UDP端口号,5.2 用户数据报协议UDP,UDP(User Datagram Protocol)：与网络层相邻的上一层常用的一个非常简单的协议，主要功能是在IP层之上提供协议端口功能，以标识源主机和目标主机上的通信进程。无连接、不可靠的协议。5.2.1 UDP数据报的封装及其格式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数据报中进行传输如图5-3所示。,图5-3 UDP数据报的封装,被封装在IP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。UDP数据报的格式如图5-4所示。,图5-4 UDP数据报格式,5.2.2 UDP校验和的计算方法 UDP头部的校验和是一个用16位二进制表示的错误检查字段，它是一个可选项。UDP校验和的计算除了包含UDP头部和UDP数据区外，还包含了一个12个字节长的伪头部。顾名思义，这个伪头部并不是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。伪头部的格式如图5-5所示。,图5-5 UDP伪头部格式,伪头部包含IP头部的一些字段，填充域全填0，目的是使伪头部为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(表示为UDP协议)，UDP长度为UDP数据报的总长(当然不能包括虚构的伪头部)。源端在发送UDP数据报时，使用构造的UDP伪头部和UDP数据报计算出校验和(校验和计算方法与IP头部校验和的计算方法相同)，然后填入UDP头部。,5.2.3 UDP协议的特点从UDP协议的数据报格式可以看出，UDP对数据的封装非常简单，主要是增加了端口号与校验和，然后就可以直接通过IP层进行传输了，因此它具有以下特点：(1)UDP是一种无连接、不可靠的数据报传输服务协议。(2)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，则只是简单地抛弃该数据报。(3)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，则将该数据报抛弃，并发送目标端口不可达的ICMP差错报文。,(4)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。(5)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。,5.3 传输控制协议TCP,5.3.1 TCP报文段格式TCP报文段(常称为段)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5-6所示。,图5-6 TCP报文段的格式,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口(16位),TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口(16位),序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,源端口和目的端口字段各占 2 字节。端口是传输层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,序列号字段占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。,TCP头长,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,确认号字段占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。是上次已成功接收到数据字节的序列号加1。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,TCP头长4位二进制表示。以32位二进制数为一个计数单位。,TCP头长,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,保留6位二进制表示。必须置0，预留以备用,TCP头长,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,紧急指针 URG 当 URG 1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,确认位 ACK 只有当 ACK 1 时确认号字段才有效。当 ACK 0 时，确认号无效。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,Push操作符标志 当置1时表示要对数据进行push操作，即对缓冲区进行刷新。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,复位标志 RST(ReSeT)当 RST 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,同步序列号标志 SYN SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。它用来发起一个连接的建立，也就是说，只有在连接建立的过程中SYN才被置1。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,连接终止位(FINal)用来释放一个连接。当FIN 1 时，表明此数据报的发送端的数据已发送完毕，并要求释放传输连接。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。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,窗口字段 占 2 字节。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。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,校验和 占 2 字节。校验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 数据报的前面加上 12 字节的伪首部。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,校 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,紧急指针 占 16 bit。紧急指针指出在本数据报中的紧急数据的最后一个字节的序号。当URG=1时，该字段才有效。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,选项字段 长度可变。TCP 规定的常用选项是最大报文段长度 MSS(Maximum Segment Size)。MSS是TCP 数据报中的数据字段的最大长度。,TCP首部,20字节固定首部,目 的 端 口,TCP头长,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 列 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG,比特 0 8 16 24 31,填 充,填充字段 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍，值全为0。,5.3.2 TCP连接的建立与关闭TCP是一个面向连接的协议，TCP协议的高可靠性是通过发送数据前先建立连接，结束数据传输时关闭连接，在数据传输过程中进行超时重发、流量控制和数据确认，对乱序数据进行重排以及前面讲过的校验和等机制来实现的。连接是逻辑连接 连接的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TCP使用“三次握手”(3-way Handshake)法来建立一条连接。所谓三次握手，就是指在建立一条连接时通信双方要交换三次报文。具体过程如图5-8所示。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地发送数据，完成数据发送的任何一方可以提出关闭连接的请求。关闭连接时，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。,连接建立和关闭的过程可以用图5-8表示，该图是通信双方正常工作时的情况。关闭连接时，图中的u表示服务器已收到数据的序列号，v表示客户机已收到数据的序列号。,图5-8 TCP连接的建立与关闭,5.3.3 TCP的流量控制和拥塞控制机制 下面我们来看一个实例，图5-9是主机1和主机2使用TCP协议在实际通信时的时序图。,图5-9 TCP连接的建立与关闭,发送端发送数据的过程是如何受到接收方控制的，这可以用图5-10表示。报文段2通知的窗口大小为2048个字节，因此主机1的前两个1024个字节的数据块落入窗口内，如图5-10(a)所示，窗口内的数据是可以立即发送的数据。图5-10(b)是图5-9中主机1发送了报文段4和5后的情况，窗口内的数据已发送完毕(用灰色表示)，主机1只能等待。,图5-10(c)是主机2收到前2048个字节发送了确认报文段6窗口右移后的情况，由于报文段6通知的接收方窗口大小只有1024个字节，因此只有一个1024个字节的数据块落入窗口内。图5-10(d)是主机1对主机2发送了报文段7后的情况，这时窗口内的数据已发送完毕，主机又进入等待状态。图5-9中确认报文段8对收到的前3072个字节进行了确认，但通知的窗口大小为0，如图5-10(e)所示，这时窗口的左边沿到达右边沿，即窗口的长度变为0，称其为一个0窗口，此时发送方不能再发送任何数据，只能等待。等待一段时间后，由于主机2的应用进程从TCP缓冲区中读走了2048个字节的数据，因此由窗口更新报文段9通知的窗口大小为2048个字节，如图5-10(f)所示，这时主机1又可以发送数据了。,图5-10 TCP流量控制机制滑动窗口协议,上述流量控制策略中，使用接收方通知的一个窗口大小来控制数据的发送，窗口的起始点为接收方确认号，终止于窗口长度，只有落在窗口内的数据可以发送。为了解决网络拥塞问题，发送方又引入了另外一个窗口，叫拥塞窗口(Congestion Window)，拥塞窗口被初始化为1个报文段的长度(即另一端通知的最大报文段长度为MSS)。在建立连接时，发送方只发送一个长度为MSS的报文段，正常收到确认后，拥塞窗口就增大为2MSS，即为原来拥塞窗口长度的两倍，然后发送两个MSS长度的报文段。,5.3.4 TCP的超时重发机制TCP协议提供的是可靠的运输层。前面我们已经看到，接收方对收到的所有数据要进行确认，TCP的确认是对收到的字节流进行累计确认。发送TCP报文段时，头部的“确认号”就指出该端希望接收的下一个字节的序号，其含义是在此之前的所有数据都已经正确收到，请发送从确认号开始的数据。TCP的确认方式有两种：一种是利用只有TCP头部，而没有数据区的专门确认报文段进行确认；另一种是当通信双方都有数据要传输时，把确认“捎带”在要传输的报文段中进行确认，因此TCP的确认报文段和普通数据报文段没有什么区别。,在TCP协议层实现超时重发的关键问题是超时重送的策略，即怎样决定超时间隔和如何确定重发的频率。显然使用固定大小的超时间隔有很大的不足之处。一个好的实现超时重发的方案应该是超时间隔可以随网络的通信状况而自动调整，即超时间隔应具有一定的自适应性。这种动态调整超时间隔的方法与一条连接从发送端发出数据到收到确认所需的往返时间RTT(Round Trip Time)有关。,5.4 TCP与UDP的比较,下面对这两个协议进行一下比较，见表5-4。,表5-4 TCP与UDP的比较,5.5 报文代码及其分析,为了便于说明，下面把图5-2中的27个报文的数据分成了多个行进行分析。,习题,1什么是TCP/IP协议中的端到端通信？2端口号在传输层起什么作用？3试述UDP协议的特点。4TCP协议报文段中的主要字段有哪些？5TCP通过哪些措施来保证数据的可靠性传输？6TCP是如何实现连接的建立与关闭、流量控制和超时重发的？7试述TCP和UDP的使用场合。,