1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第六章 傳輸層,主要內(nèi)容,傳輸層編址 建立傳輸連接 釋放傳輸連接 流量控制 因特網(wǎng)的傳輸層 套接字接口,傳輸層的功能,傳輸層要解決的問題： 為運(yùn)行在不同主機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程提供邏輯通信功能。 設(shè)置傳輸層的兩個(gè)原因： 為端系統(tǒng)上運(yùn)行的多個(gè)進(jìn)程提供多路復(fù)用和解多路復(fù)用的功能。 為應(yīng)用進(jìn)程提供所需的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 傳輸層還必須向應(yīng)用程序提供一組易于使用的操作（稱傳輸服務(wù)接口）。,1. 傳輸層編址,為指明將數(shù)據(jù)包交給哪個(gè)進(jìn)程處理，每個(gè)進(jìn)程需要一個(gè)標(biāo)識(shí)。 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中標(biāo)識(shí)進(jìn)程的方法是為每個(gè)進(jìn)程指定一個(gè)傳輸?shù)刂罚湟话阈孕g(shù)語為傳輸服務(wù)訪問點(diǎn)TSAP。 傳輸?shù)刂肥莻鬏攲油ㄐ诺亩它c(diǎn)： 每個(gè)TSAP上綁

2、定一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，應(yīng)用進(jìn)程通過各自的TSAP調(diào)用傳輸層服務(wù)。 傳輸實(shí)體通過本地的NSAP調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)，與遠(yuǎn)程的對(duì)等傳輸實(shí)體通信。,TSAP、NSAP和傳輸實(shí)體的關(guān)系,傳輸層地址的獲取,客戶進(jìn)程如何獲知服務(wù)員進(jìn)程的TSAP？ 使用眾所周知地址：適用于常用的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。 使用進(jìn)程服務(wù)員：適用于不常用的服務(wù)。 TSAP的實(shí)現(xiàn)： TSAP只是一種抽象，具體實(shí)現(xiàn)方法取決于不同的系統(tǒng)，通?？捎梢粋€(gè)消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。,2. 建立傳輸連接,在一個(gè)不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)中可靠地建立傳輸連接的關(guān)鍵，是排除無關(guān)的重復(fù)包對(duì)連接建立過程的干擾。 一些措施： 給每個(gè)連接指定連接標(biāo)識(shí)，每個(gè)主機(jī)記錄已使用過的連接標(biāo)識(shí)；可靠性及擴(kuò)展性均

3、較差。 給每個(gè)數(shù)據(jù)包規(guī)定壽命，在壽命減為0時(shí)丟棄分組。 引入時(shí)間T，規(guī)定主機(jī)在重啟后至少等待T時(shí)間再建立連接，確保崩潰前發(fā)送的分組都已消亡。 確保TPDU的序號(hào)空間不重疊： 采用基于時(shí)鐘的算法確定起始序號(hào) 控制T和數(shù)據(jù)包壽命，確保序號(hào)空間不重疊。 采用三次握手過程可靠交換各自的起始序號(hào)。,三次握手建立傳輸連接,3. 釋放傳輸連接,兩種釋放連接的方法 不對(duì)稱釋放：任何一方釋放連接，連接即被釋放；易造成數(shù)據(jù)丟失及形成半開的連接。 對(duì)稱釋放：一條傳輸連接被看成是由兩個(gè)方向上的單工連接組成，一方釋放連接只是表示數(shù)據(jù)發(fā)完了，但仍可在另一個(gè)方向上接收數(shù)據(jù)。雙方均釋放連接，連接才被釋放。 三次握手釋放傳輸連

4、接 正常釋放：主動(dòng)方發(fā)出DR，響應(yīng)方收到一次DR。 異常：主動(dòng)方發(fā)出DR，響應(yīng)方從未收到DR，形成半開的連接。 異常處理：引入不活動(dòng)定時(shí)器和啞TPDU。,三次握手釋放傳輸連接,三次握手法釋放連接（續(xù)）,4. 流量控制,流量控制是一種由接收端控制發(fā)送速度的反饋機(jī)制，通常采用滑動(dòng)窗口機(jī)制實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層上的滑動(dòng)窗口機(jī)制： 數(shù)據(jù)鏈路層上的滑動(dòng)窗口機(jī)制采用固定緩沖區(qū)分配策略（緩沖區(qū)大小及數(shù)量都固定），這在傳輸層上做不到。 數(shù)據(jù)鏈路層上發(fā)送端和接收端都必須緩存，而在傳輸層上有多種緩存方案可供選擇。 數(shù)據(jù)鏈路層上的發(fā)送窗口僅由接收端控制，而傳輸層上的發(fā)送窗口還受網(wǎng)絡(luò)處理能力的限制。,傳輸層上的緩

5、存策略,發(fā)送方緩存還是接收方緩存？ 若通信子網(wǎng)是不可靠的，則發(fā)送方一般必須緩存，而接收方可以選擇緩存或不緩存。 若通信子網(wǎng)是可靠的，則視接收方為其預(yù)留的緩沖空間大小，發(fā)送方可以選擇緩存或不緩存。 緩沖區(qū)分配方案： 以TPDU為單位分配？ 以連接為單位分配？ 緩沖區(qū)大小固定還是可變？,動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)分配示例,動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)分配的特點(diǎn)是確認(rèn)與緩存分離。,5. 因特網(wǎng)的傳輸層,用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）：提供不可靠無連接服務(wù)。 傳輸控制協(xié)議（TCP）：提供可靠的字節(jié)流服務(wù)。,5. 1 UDP協(xié)議,UDP報(bào)頭格式 UDP提供的功能： 多路復(fù)用和解多路復(fù)用（利用端口號(hào)） （可選的）輕量級(jí)差錯(cuò)檢查，但不反饋 UDP

6、不負(fù)責(zé)流量控制和出錯(cuò)重傳，所有這些都由用戶進(jìn)程完成。 UDP的應(yīng)用：RPC，實(shí)時(shí)多媒體傳輸。,UDP頭及偽頭結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)程過程調(diào)用RPC,RPC的基本思想 允許調(diào)用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的過程，并使這種調(diào)用看起來象本地調(diào)用一樣，方便客戶-服務(wù)器應(yīng)用軟件的編寫。 RPC的實(shí)現(xiàn) 客戶進(jìn)程綁定到一個(gè)客戶樁（client stub），服務(wù)器進(jìn)程綁定到一個(gè)服務(wù)器樁（server stub）。 客戶進(jìn)程調(diào)用客戶樁，參數(shù)通過壓棧的方式傳遞。 客戶樁將參數(shù)封裝成一個(gè)消息，執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送消息。 內(nèi)核通過調(diào)用傳輸層服務(wù)將消息發(fā)送到服務(wù)器樁。 服務(wù)器樁用傳過來的參數(shù)調(diào)用服務(wù)器例程，將返回的結(jié)果封裝到一個(gè)消息中，執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)

7、調(diào)用將消息發(fā)送給客戶樁。 客戶樁將結(jié)果返回給客戶進(jìn)程。,UDP用于多媒體傳輸,多媒體通信的特點(diǎn)： 實(shí)時(shí)傳輸 按順序交付 能容忍少量數(shù)據(jù)丟失 TCP能保證傳輸順序，但其差錯(cuò)控制和擁塞控制機(jī)制不能保證實(shí)時(shí)性。 UDP的實(shí)時(shí)性較好，但不能保證交付順序，且缺乏擁塞控制易導(dǎo)致高丟包率。 使用UDP傳輸多媒體數(shù)據(jù)的解決方案是在UDP之上設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP，用來解決包序維持及速率調(diào)整等問題。,5.2 TCP協(xié)議,TCP使用連接進(jìn)行通信，連接狀態(tài)只保留在兩個(gè)端系統(tǒng)中，因而是一個(gè)端到端的協(xié)議。 TCP連接是一個(gè)字節(jié)流而不是報(bào)文流，它不保留報(bào)文的邊界。 TCP連接是全雙工的，在每個(gè)方向上支持一個(gè)字節(jié)流。

8、TCP連接是點(diǎn)到點(diǎn)的，不支持多播或廣播。 TCP提供的功能： 多路復(fù)用與解多路復(fù)用 順序交付 差錯(cuò)控制 流量控制 擁塞控制,TCP報(bào)文,TCP實(shí)體間交換的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段，每個(gè)段由報(bào)頭和數(shù)據(jù)（可能沒有）組成。 最大段長(zhǎng)度受IP包數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度（最大為65535字節(jié)）及鏈路MTU的限制。 TCP報(bào)頭由20字節(jié)的固定頭和可變長(zhǎng)度的選項(xiàng)頭組成。 重要的TCP選項(xiàng)包括： 最大段長(zhǎng)度（maximum segment size, MSS） 窗口比例 選擇重傳,TCP報(bào)頭結(jié)構(gòu),TCP偽頭結(jié)構(gòu),建立TCP連接,注： 前兩個(gè)TCP段都使用了定時(shí)器，并在定時(shí)器超時(shí)后重發(fā)。 采用基于時(shí)鐘的方法選擇初始連接序號(hào)，取為4

9、微秒。 主機(jī)崩潰后，至少等待60秒后才啟動(dòng)。 若收到SYN報(bào)文段的TCP實(shí)體發(fā)現(xiàn)目的端口上沒有進(jìn)程在監(jiān)聽，則發(fā)送一個(gè)RST置1的TCP段，拒絕建立連接。,釋放TCP連接,TCP流量控制,TCP采用可變長(zhǎng)度的滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制，接收方在返回給發(fā)送方的段中報(bào)告接收窗口（window size）的大小。 當(dāng)接收窗口為0時(shí)一般必須停止發(fā)送，但以下兩種情況例外： 可以發(fā)送緊急數(shù)據(jù)，例如終止在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的進(jìn)程。 可以發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的段，以觸發(fā)一個(gè)包含接收窗口大小的響應(yīng)。 糊涂窗口綜合癥（silly window syndrome） 接收方不斷發(fā)送具有微小增量窗口的通告，引起發(fā)送方不斷發(fā)送小數(shù)據(jù)分組

10、，從而導(dǎo)致大量的帶寬浪費(fèi)。 現(xiàn)行的TCP標(biāo)準(zhǔn)使用啟發(fā)式方法來防止糊涂窗口綜合癥。,接收方啟發(fā)式策略,僅當(dāng)有“非平凡的”可用空間時(shí)才發(fā)送窗口更新通告。 “非平凡的”可用空間：可用空間達(dá)到緩沖區(qū)空間的一半或者一個(gè)MSS（取兩者的最小值）。 TCP標(biāo)準(zhǔn)推薦采用推遲確認(rèn)技術(shù)提高傳輸效率，即當(dāng)沒有非平凡的可用空間時(shí)，推遲發(fā)送確認(rèn)。 推遲確認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)：降低通信量，提高吞吐率。 推遲確認(rèn)的缺點(diǎn)： 確認(rèn)延遲太大會(huì)導(dǎo)致不必要的重傳，因而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最多推遲500ms。 不利于TCP往返時(shí)間的估計(jì)，因而標(biāo)準(zhǔn)推薦接收方至少每隔一個(gè)報(bào)文段使用正常方式對(duì)報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)。,發(fā)送方啟發(fā)式策略,允許TCP在收到應(yīng)用數(shù)據(jù)后不馬上發(fā)送

11、，等收集到足夠多的數(shù)據(jù)后再發(fā)送。 問題：發(fā)送方TCP應(yīng)該等待多長(zhǎng)時(shí)間？ Nagle算法： 在上一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)未被確認(rèn)前，后續(xù)到來的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中；當(dāng)數(shù)據(jù)足以填滿一個(gè)最大長(zhǎng)度的段或前一次傳輸?shù)拇_認(rèn)到來時(shí)（取最早的時(shí)間），將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)封裝到一個(gè)TCP段中發(fā)送。 Nagle算法可以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、不同的最大段長(zhǎng)度以及不同應(yīng)用程序速度的組合情況，而且在常規(guī)情況下不會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。,TCP擁塞控制,TCP擁塞控制采用端到端的機(jī)制，方法是讓每一個(gè)發(fā)送方根據(jù)自己感知的網(wǎng)絡(luò)擁塞程度來調(diào)整發(fā)送速度。 問題： 發(fā)送方如何知道從它到目的節(jié)點(diǎn)的路徑上發(fā)生了擁塞？ 發(fā)送方如何限制發(fā)送速率？ 當(dāng)發(fā)送方檢測(cè)到

12、擁塞時(shí)，采用什么算法來改變發(fā)送速率？ 問題一的解決： TCP用超時(shí)來檢測(cè)擁塞（與TCP配合使用的RED(隨機(jī)早檢測(cè)算法）會(huì)在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)丟棄包）。 問題二的解決： TCP使用擁塞窗口和發(fā)送窗口一起限制發(fā)送速率，其中接收窗口體現(xiàn)接收端的緩沖能力，擁塞窗口體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的處理能力。,TCP擁塞控制算法,TCP擁塞控制算法包括三個(gè)部分： 加性增/乘性減（additive increase / multiplicative decrease, AIMD）原則 慢啟動(dòng)算法 快速重傳和快速恢復(fù)機(jī)制,AIMD原則,加性增/乘性減： 乘性減：每發(fā)生一次超時(shí)事件，就將當(dāng)前的擁塞窗口減半（最小不低于1個(gè)MSS），因此

13、擁塞窗口在持續(xù)出現(xiàn)超時(shí)時(shí)按指數(shù)規(guī)律遞減。 加性增：當(dāng)擁塞窗口內(nèi)的段都在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)被確認(rèn)（即沒有超時(shí)發(fā)生）時(shí)，擁塞窗口增大一個(gè)MSS。在實(shí)際操作時(shí)，若擁塞窗口用CongWin表示，則每次收到一個(gè)確認(rèn)后，擁塞窗口的增量按如下公式計(jì)算：= MSS （MSS/CongWin）。 AIMD原則的要點(diǎn)： 發(fā)送方減小擁塞窗口的速度比加大這個(gè)窗口要快得多。事實(shí)證明，這是擁塞控制機(jī)制達(dá)到穩(wěn)定的必要條件。,慢啟動(dòng)與擁塞避免,慢啟動(dòng)： 慢啟動(dòng)在兩種情況下使用：連接剛建立，以及超時(shí)后重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。 以一個(gè)MSS作為擁塞窗口的初始值，每當(dāng)收到一個(gè)確認(rèn)就將擁塞窗口增加1個(gè)MSS，直至發(fā)生超時(shí)或達(dá)到一個(gè)門限。在到達(dá)該

14、點(diǎn)之前，擁塞窗口成倍增加。 擁塞避免： 發(fā)生超時(shí)后，將當(dāng)前擁塞窗口的一半作為擁塞閾值，使用慢啟動(dòng)算法將擁塞窗口增大到該閾值，此后進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)，采用加性增的方法繼續(xù)增加擁塞窗口。,慢啟動(dòng)和擁塞避免,快速重傳與快速恢復(fù),超時(shí)觸發(fā)重傳的問題：重發(fā)丟失的段需要很長(zhǎng)時(shí)間。 快速重傳：接收方緩存并響應(yīng)每個(gè)正確收到的TCP段，對(duì)于未按順序到達(dá)的段發(fā)送一個(gè)重復(fù)確認(rèn)。發(fā)送方在收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)后開始重傳丟失的段。接收方收到重傳的段后，發(fā)送累積確認(rèn)。若發(fā)送方在收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)前發(fā)生超時(shí)，按超時(shí)事件處理。 快速恢復(fù)：發(fā)送端在收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)后進(jìn)入擁塞避免階段（而不是慢啟動(dòng)階段）。具體來說，當(dāng)發(fā)送端收到少于3個(gè)重復(fù)

15、確認(rèn)時(shí)，擁塞窗口和擁塞閾值均不變；當(dāng)收到第3個(gè)重復(fù)確認(rèn)時(shí)，將擁塞閾值設(shè)為擁塞窗口的一半，并令擁塞窗口等于擁塞閾值，此后擁塞窗口按線性增長(zhǎng)。,確定超時(shí)間隔,問題：重傳定時(shí)器的值（超時(shí)間隔）設(shè)為多長(zhǎng)合適？ 超時(shí)間隔與段的平均來回時(shí)間及方差均有關(guān)系。 來回時(shí)間的估計(jì)： TCP對(duì)每條連接維護(hù)來回時(shí)間估計(jì)值RTT。在發(fā)送了一個(gè)段后啟動(dòng)重傳定時(shí)器，在得到確認(rèn)后計(jì)算段的來回時(shí)間M，然后根據(jù)公式：RTT = RTT + (1-)M 修正RTT，是比例因子。 方差的估計(jì)： TCP實(shí)體維護(hù)來回時(shí)間的測(cè)量值與估計(jì)值之間的偏差D。當(dāng)?shù)玫絉TT的最新估計(jì)值后，用公式：D = D + (1-)|RTT - M| 修正D，

16、然后設(shè)置新的超時(shí)間隔：timeout = RTT + 4*D。,確定超時(shí)間隔（續(xù)）,估計(jì)來回時(shí)間的問題： TCP的確認(rèn)是有二義性的。 Karn算法 忽略有二義性的確認(rèn)，只對(duì)一次發(fā)送成功的報(bào)文段測(cè)量來回時(shí)間，并據(jù)此更新RTT估計(jì)值。 定時(shí)器補(bǔ)償：發(fā)送方每當(dāng)重傳一個(gè)報(bào)文段時(shí)，TCP就增加超時(shí)間隔，大多數(shù)的TCP實(shí)現(xiàn)采用公式：new_timeout = *timeout，典型值為2 。 實(shí)際使用的Karn算法 先用RTT估計(jì)值計(jì)算初始的超時(shí)間隔，然后在每次重傳時(shí)對(duì)超時(shí)間隔進(jìn)行補(bǔ)償，直到成功傳輸一個(gè)報(bào)文段為止，此后保持這個(gè)超時(shí)間隔不變。當(dāng)某個(gè)報(bào)文段沒有重傳就被確認(rèn)后，再重新計(jì)算RTT的值并設(shè)定相應(yīng)的超

17、時(shí)間隔。,6. 套接字接口,套接字（socket）：定義了應(yīng)用程序與傳輸層協(xié)議軟件交互時(shí)可以執(zhí)行的操作，最初是BSD UNIX操作系統(tǒng)的一部分，現(xiàn)在已成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 套接字采用了UNIX操作系統(tǒng)的“打開-讀-寫-關(guān)閉”的I/O操作模式 應(yīng)用在調(diào)用傳輸層服務(wù)通信前，必須請(qǐng)求操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)用于通信的套接字，系統(tǒng)返回一個(gè)小整數(shù)描述字標(biāo)識(shí)這個(gè)套接字。 當(dāng)應(yīng)用調(diào)用底層過程在網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，必須將該描述字作為一個(gè)參數(shù)。 通信結(jié)束時(shí)，應(yīng)用請(qǐng)求操作系統(tǒng)關(guān)閉套接字。,實(shí)現(xiàn)套接字的主要過程,Socket： 創(chuàng)建一個(gè)套接字并返回一個(gè)整數(shù)描述字 descriptor = socket(protofamily, type, protocol) Close： 告訴系統(tǒng)終止對(duì)套接字的使用 close(socket) Bind： 指定服務(wù)器進(jìn)程使用的、等待連接的協(xié)議端口號(hào) bind (socket, localaddr, addrlen),實(shí)現(xiàn)套接字的主要過程（續(xù)）,Listen： 將套接字設(shè)置為被動(dòng)模式，等待來自客戶的連接 listen(socket, queuesize) Accept： 接收下