6-传输层

6.1 传输层概述

6.1.1 传输层功能

完成主机进程－主机进程之间的报文传输。

6.1.2 传输层地位

位于网络体系结构的中间， 作为数据通信和数据处理的分水岭， 具有承上启下的作用。

6.1.3 传输层作用

传输层要彻底解决网络通信问题， 使得应用层不必关心通信问题

6.1.4 传输层是真正的端对端的通信

• 传输层协议在端主机上运行，路由器一般没有传输层。
• 传输层从主机层面上对网络层采取相应补救措施，可以提供更高质量的数据传输能力。
• 传输层独立于网络设备，可以提供标准的传输服务接口（原语）。

6.1.5 传输层协议涉及的内容

• 寻址： 传输地址及其发现。
• 差错控制： 分组顺序、差错检测、重传确认机制等。
• 连接管理： 连接建立、连接释放。
• 流量控制: 主机进程之间的流量控制。

6.2 传输服务质量

6.2.1 传输服务质量反映网络最终通信质量

6.2.2 传输服务质量参数

连接建立延迟:发出连接请求到连接建立成功之间的时间。
连接建立失败概率
吞吐量:在一条传输连接上，每秒传输有效数据的字节数。
传输延迟:从开始传输数据到该数据被收到为止的 时间。
残留差错率:传输连接上数据出错的概率。
保护性:传输过程中保障数据安全的能力，包括防止非法窃取、篡改数据等。
优先权:保证高优先权的传输连接优先传输数据、优先获得网络资源的能力。
回弹率:由于某种原因而自发终止传输连接的可能性。

6.3 传输层协议机制

6.3.1 传输协议数据单元

传输协议数据单元（TPDU） 是传输层的最小数据传输单位， 又称为“报文段” 。

TPDU类型

• CR：连接请求
• CC：连接确认， 对CR TPDU的确认
• DR：断连请求
• DC： 断连确认， 对DR TPDU的确认
• DT：数据（ 高层数据）
• AK：数据确认， 对DT TPDU的确认
• REJ：拒绝接受请求， 或拒绝接受DT TPDU

6.3.2 传输地址

传输地址唯一地标识主机进程

传输地址=网络号+主机号+端口号， 端口号即传输服务访问点（ TSAP)， 用来标识应用进程。

在IP网络， 传输地址= IP地址+端口号

6.3.3 传输连接

传输连接实质

传输连接实质上是通过传输地址,建立两个主机进程之间的连接 。

三次握手

其他层上的连接一般采用“两次握手” ， 建立传输连接过程比较复杂， 双方需进行反复协商， 通常采用“三次握手” ， 其原因是：

建立传输连接过程

释放传输连接

6.4 TCP协议

6.4.1 TCP 概述

Internet的两个传输层协议

• TCP（ Transmission Control Protocol） ：在IP支持下， 为应用层提供面向连接的、 可靠的端到端字节流服务。
• UDP（ User Datagram Protocol） ：为应用层提供非面向连接的、 不可靠的传输服务。

TCP传输地址（ 套接字） ： IP地址+端口号

• TCP连接用四元组<源IP地址， 源端口号， 目的IP地址， 目的端口号>表示。
• 端口号16位， 端口号范围： 0 - 65535 ； 其中0-1023称为著名端口号，分配标准服务使用， 如FTP服务器端口号为21， HTTP服务器端口号80，TELNET服务器端口号为23， SMTP服务器端口号为25。

TCP发展

TCP最初在Unix环境下实现， 后来也在Windows环境下实现， 通过Socket提供服务， 见P.261。

数据帧格式

TCP提供的服务

TCP提供全双工数据传输服务， 如果主机进程A和主机进程B建立了一条传输链路， 则意味着A， B都可以同时发送和接收TCP报文段。

TCP不支持组播和广播。

TCP连接提供可靠的字节流服务

如果发送了4个有效载荷为512B的报文段， 接收方收到后， 向应用层提供2048B的字节流， 而不是4个报文段。 这是因为TCP是真正的端到端通信， 接收端无需再转发。

6.4.2 TCP报文段格式

源/目的端口号

各占16位， 表示发送方和接收方的端口号。

顺序号

32位， 表示TCP段中的数据部分第1个字节的编号。

确认号

32位， 表示期望接收数据的第1个字节的编号， 同时表示对确认号之前数据的确认。

数据偏移

4位， 表示TCP段头长度， 包括固定和可变部分， 单位为字（ 32位）

URG

紧急数据标志。 当有紧急数据时， 该标志为“ 1”。

ACK

该标志若为“ 1”， 则表示确认号有效；若为“ 0”， 则确认号无效。

PSH

表示要求马上发送数据， 不必等到缓冲区满时才发送。例如， TELNET协议中， 每输入一个字符就必须立即发送。

RST

该标志用于对本次TCP连接进行复位。 通常在TCP连接发生故障时设置本位,以便双方重新同步,并初始化某些连接变量。 如接收方收到它不希望接收的报文段， 则将RST置“ 1 “。

SYN:用于建立TCP连接

• SYN置为“ 1” 且ACK置为“ 0” ,表示请求建立TCP连接
• SYN置为“ 1” 且ACK置为“ 1” ,表示确认TCP连接。

FIN

用于释放连接。 若FIN置为“ 1” ， 则表示没有数据要发送了， 但仍可以接收数据。

窗口大小

16位， 用于TCP流量控制。 表示从确认的字节号开始还可以接收多少字节。 窗口大小也允许为“ 0” ， 表示确认号以前的字
节已收到， 但暂停接收数据。

校验和

用于对TCP报文段进行校验（ 类似于IP校验和） ， 但校验范围包括头部和数据部分。 计算校验和需包括一个TCP伪头， 这样有助于检测分组是否被错误递交。

紧急指针

当URG为“ 1” 时， 紧急指针给出TCP段中紧急数据的长度，单位为字节；数据字段的起始位置（ 顺序号） 作为紧急数据的开始位置。

选项

目前TCP只规定一种选项， 即最大的TCP段长（ MSS） ， 缺省值是556B。 TCP实体双方可通过协商确定一个特定的最大TCP段长。

若MSS选的太小， 则由于帧头和报头开销而网络利用率会降低；

若MSS选的太大， 则由于IP层分段而增加额外开销。 一般认为，MSS应尽可能选大些， 只要IP层不需要分段就行

填充

以0为填充位， 确保TCP头部以32位边界结束。

数据

TCP载荷数据， 由于IP分组长度限制， TCP最大载荷长度=65535B-20B-20B=65495B。

6.4.3 TCP连接管理

建立TCP连接的目的

• 发现对方是否存在
• 进行参数协商（ 协议类、 MSS、 窗口大小、 服务质量等）
• 为TCP实体分配资源（ 缓冲区、 连接表等）

TCP连接建立

TCP连接释放:仍采用”三次握手”

6.4.4 TCP流量管理

为什么要进行流量控制

发送方TCP实体发送数据过快， 接收方TCP实体来不及处理， 导致接收缓冲区溢出

TCP流量控制采用可变尺寸的滑动窗口协议

• 由于TCP为应用层提供字节流服务， 窗口尺寸以字节为单位。
• 应用进程根据处理能力读取TCP接收缓冲区中的字节流， 导致空闲的接收缓冲区（ 接收窗口） 动态变化

TCP流量控制过程

类似于数据链路层的滑动窗口协议， 所不同的是：通过接收窗口当前尺寸调整发送窗口的上限值

6.4.5 TCP拥塞控制

TCP拥塞控制与流量控制的区别

• 拥塞控制是为了防止网络过载导致路由器缓冲区不足而造成IP分组的丢失
• 流量控制是为了防止发送端发送速度过快， 导致接收端缓冲区不足而造成TCP段的丢失

为什么不用网络层控制

从理论上讲， 网络过载（ 即网络拥塞） 问题应由网络层（ IP） 解决但IP没有实现拥塞控制功能， Internet拥塞控制实际上由TCP完成。

TCP拥塞控制策略

• 发送端设置拥塞窗口来反映网络容量， 通过拥塞窗口来限制发送方向网络注入数据的速度， 即发送端允许发送的数据既不能超过接收窗口的大小， 也不能超过拥塞窗口的大小； 前者是为了流量控制， 后者是为了拥塞控制。
• 通过慢启动和拥塞避免策略来控制拥塞窗口的大小。

TCP 拥塞控制过程

6.5 UDP协议

6.5.1 UDP概述

UDP是非面向连接， 不可靠的传输协议。

• 不需要建立连接。
• 不支持流量控制和拥塞控制。
• UDP段在传输过程中可能会丢失、 失序和延迟。
• 支持广播和组播， 这对多媒体传输是非常有用的

6.5.2 UDP实质

UDP实质上在IP基础上， 增加了端口机制， 实现了主机进程间的数据传输

6.5.3 UDP报文段

6.5.4 UDP校验和

UDP计算“校验和” 方法同TCP， 也需要包括一个UDP伪头；一旦发现出错， 则简单地丢弃， “重传” 由应用层完成。

6.5.5 UDP 原则

UDP采用尽力而为方式， 即不保证可靠传输， 既没有重传机制， 也没有流量控制和拥塞控制， 因此主机不需要维护具有许多参数、 复杂的连接状态表， 因此减少了开销和发送数据之前的延时， 适合很多实时应用， 如IP电话、 视频会议等。