1、計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,1,第7章 傳輸層,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,2,本章學(xué)習(xí)要求：,了解：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通的基本概念。 掌握：進(jìn)程相互作用的Client/Server模型。 掌握：傳輸層的基本功能與服務(wù)質(zhì)量。 掌握：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。 掌握：傳輸控制協(xié)議TCP。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,3,7.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進(jìn)程通信的基本概念,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,4,網(wǎng)絡(luò)層及以下的各層實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中主機之間的通信，但是數(shù)據(jù)通信不是最終的目的; 計算機網(wǎng)絡(luò)最本質(zhì)的活動是分布在不同地理位置的主機之間的進(jìn)程通信，以實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能; 設(shè)置傳輸層的主要目的就是要實現(xiàn)分布式進(jìn)程

2、通信。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,5,7.1.1 單機系統(tǒng)中的進(jìn)程通信方法,進(jìn)程和進(jìn)程通信是操作系統(tǒng)中的一個最基本的概念； 程序是一個在時間上按照嚴(yán)格次序的前后相繼的操作序列，是一個靜態(tài)的概念； 進(jìn)程是一個動態(tài)的概念，它是一個程序?qū)δ硞€數(shù)據(jù)集的執(zhí)行過程；,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,6,正在運行的進(jìn)程叫做運行態(tài)； 等待分配CPU的進(jìn)程叫做就緒態(tài)； 等待其他的條件的進(jìn)程叫做等待態(tài)； 進(jìn)程狀態(tài)反映出進(jìn)程執(zhí)行過程的變化； 要保證系統(tǒng)正常地工作，操作系統(tǒng)必須對進(jìn)程的創(chuàng)建、撤消與狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制； 從進(jìn)程的觀點看，操作系統(tǒng)的核心則是控制和協(xié)調(diào)這些進(jìn)程的運行，解決進(jìn)程之間的通信。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳

3、輸層,7,在解決單機環(huán)境下操作系統(tǒng)的進(jìn)程通信中： BSD UNIX 引入了管道（pipe）、命名管道（named pipe）和軟中斷信號（signal）機制； AT 每臺聯(lián)網(wǎng)的計算機的硬件、軟件與數(shù)據(jù)資源應(yīng)該既是本地用戶可以使用的資源，也是網(wǎng)絡(luò)的其他主機的用戶可以共享的資源; 每一項網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都是對應(yīng)一個“服務(wù)程序”進(jìn)程; “服務(wù)程序”進(jìn)程要為每一個獲準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)用戶請求執(zhí)行一組規(guī)定的動作，以滿足用戶網(wǎng)絡(luò)資源共享的需要;,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,15,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程通信要解決的進(jìn)程間相互作用的模式; 在TCP/IP協(xié)議體系中，進(jìn)程間的相互作用采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)模型 ;

4、 客戶與服務(wù)器分別表示相互通信的兩個應(yīng)用程序的進(jìn)程; 客戶向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請求，服務(wù)器響應(yīng)客戶的請求，提供客戶機所需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,16,2.為什么要采用客戶機/服務(wù)器模型?,網(wǎng)絡(luò)資源分布的不均勻性 網(wǎng)絡(luò)資源分布的不均勻性表現(xiàn)在硬件、軟件和數(shù)據(jù)等三個方面; 網(wǎng)絡(luò)資源分布的不均勻性是客觀存在的，同時也是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者的設(shè)計思想的體現(xiàn); “資源共享”就是因為網(wǎng)絡(luò)不同結(jié)點之間在硬件配置、計算能力、存儲能力，以及數(shù)據(jù)分布等方面存在著差距與不均勻性； 能力強、資源豐富的充當(dāng)服務(wù)器，能力弱或需要某種資源的成為客戶。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,17,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程通信的異步

5、性 分布在不同主機系統(tǒng)中的進(jìn)程什么時間發(fā)出通信請求，希望和哪一臺主機的哪一個進(jìn)程通信，以及對方進(jìn)程是否能接受通信請求是不確定的; 網(wǎng)絡(luò)分布式進(jìn)程之間不存在一個高層的調(diào)度與協(xié)調(diào); 必須要建立一個體制，為準(zhǔn)備通信的進(jìn)程之間建立起連接，在進(jìn)程交換數(shù)據(jù)的過程中維護連接，為數(shù)據(jù)交換提供同步。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,18,客 戶 一次進(jìn)程通信中發(fā)起的一方； 服務(wù)器 接受進(jìn)程通信的請求，提供服務(wù)的 一方； 每一次通信由客戶進(jìn)程隨機啟動； 服務(wù)器進(jìn)程處于等待狀態(tài)，及時響應(yīng)客戶服務(wù)請求。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,19,7.1.4 進(jìn)程通信中Client/Server模型實現(xiàn)方法,客戶機/服務(wù)器模型的工

6、作實質(zhì)是“請求驅(qū)動”； 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，客戶進(jìn)程發(fā)出請求完全隨機。在同一個時刻，可能有多個客戶進(jìn)程向一個服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請求； 為了實現(xiàn)服務(wù)器的功能，在服務(wù)器的設(shè)計中要解決服務(wù)器的： 并發(fā)請求處理能力 并發(fā)服務(wù)器的進(jìn)程標(biāo)識 服務(wù)器安全,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,20,解決服務(wù)器處理并發(fā)請求的基本方案： 設(shè)計一個并發(fā)服務(wù)器； 采用重復(fù)服務(wù)器的方法。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,21,并發(fā)服務(wù)器（concurrent server）,并發(fā)服務(wù)器的核心是使用一個守護程序（daemon）； 守護程序在系統(tǒng)啟動的時候隨之啟動，在沒有客戶的服務(wù)請求到達(dá)時，并發(fā)服務(wù)器處于等待狀態(tài); 一旦客戶機的服務(wù)請求到達(dá)，

7、服務(wù)器根據(jù)客戶的服務(wù)請求的進(jìn)程號，去激活相應(yīng)的子進(jìn)程，而服務(wù)器回到等待狀態(tài)； 并發(fā)服務(wù)器叫做主服務(wù)器（master），把子服務(wù)器叫做從服務(wù)器（slave）； 主服務(wù)器必須擁有一個全網(wǎng)公認(rèn)的進(jìn)程地址； 網(wǎng)絡(luò)中的客戶進(jìn)程可以根據(jù)服務(wù)器進(jìn)程的公認(rèn)地址，向服務(wù)器提出服務(wù)請求。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,22,客戶與并發(fā)服務(wù)器建立傳輸連接的過程,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,23,重復(fù)服務(wù)器（interative server）,通過設(shè)置一個請求隊列來存儲客戶機的服務(wù)請求； 服務(wù)器采用先來先服務(wù)的原則來順序處理客戶機的服務(wù)請求。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,24,比較,并發(fā)服務(wù)器： 并發(fā)服務(wù)器可以處理多

8、個客戶的服務(wù)請求； 從服務(wù)器不依賴主服務(wù)器而獨立處理客戶服務(wù)請求； 不同的從服務(wù)器可以分別處理不同的客戶的服務(wù)請求； 系統(tǒng)的實時性好。 重復(fù)服務(wù)器： 處理客戶的服務(wù)請求的數(shù)量受到請求隊列長度的限制，但可以有效地控制請求處理的時間 并發(fā)服務(wù)器適應(yīng)于面向連接的服務(wù)類型； 重復(fù)服務(wù)器適應(yīng)于無連接的服務(wù)類型。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,25,討論,主動啟動與服務(wù)器進(jìn)程通信的程序叫做客戶； 服務(wù)器是一個用來提供某種服務(wù)的，有特殊權(quán)限的專用程序； 服務(wù)器程序在網(wǎng)絡(luò)中一臺計算機上運行，接受來自遠(yuǎn)程客戶的服務(wù)請求，提供一種服務(wù)； 服務(wù)器程序需要硬件配置較高的計算機和操作系統(tǒng)的支持； 客戶/服務(wù)器是軟件設(shè)計中

9、進(jìn)程間相互作用關(guān)系的模型。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,26,7.2 傳輸層的基本功能7.2.1 傳輸層的端-端通信,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,27,7.2.2 傳輸層協(xié)議的基本功能1.傳輸層在協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的位置,傳輸層的目標(biāo)是向應(yīng)用層應(yīng)用程序進(jìn)程之間的通信，提供有效、可靠、保證質(zhì)量的服務(wù); 傳輸層在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用，通過執(zhí)行傳輸層協(xié)議，屏蔽通信子網(wǎng)在技術(shù)、設(shè)計上的差異和服務(wù)質(zhì)量的不足，向高層提供一個標(biāo)準(zhǔn)的、完善的通信服務(wù) ; 從通信和信息處理的角度看，應(yīng)用層是面向信息處理的，而傳輸層是為應(yīng)用層提供通信服務(wù)的。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,28,2.傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元,傳輸層

10、之間傳輸?shù)膱笪慕凶鰝鬏攨f(xié)議數(shù)據(jù)單元（ Transport Protocol Unit，TPDU）； TPDU有效載荷是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,29,7.2.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與服務(wù)質(zhì)量QoS,服務(wù)（Service） 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，各層之間有嚴(yán)格的依賴關(guān)系各層次的分工和協(xié)作集中地體現(xiàn)在相鄰層之間的界面上； 服務(wù)是描述相鄰層之間關(guān)系的重要概念； 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體現(xiàn)在低層向相鄰上層提供的一組操作； 低層是服務(wù)提供者，高層是服務(wù)的用戶。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,30,衡量服務(wù)質(zhì)量QoS的主要指標(biāo) 連接建立延遲/連接釋放延遲； 連接建立/釋放失敗概率； 傳輸時延； 吞吐率； 殘留誤碼率；

11、傳輸失敗概率。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,31,連接建立延遲 從傳輸服務(wù)用戶要求建立連接到收到連接確認(rèn)之間所經(jīng)歷的時間； 它包括了遠(yuǎn)端傳輸實體的處理延遲； 連接建立延遲越短，服務(wù)質(zhì)量越好。 連接建立失敗的概率 在最大連接建立延遲時間內(nèi)，連接未能建立的可能性； 由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，缺少緩沖區(qū)或其他原因造成的失敗。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,32,吞吐率 吞吐率是在某個時間間隔內(nèi)測得的每秒鐘傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)； 每個傳輸方向分別用各自的吞吐率來衡量。 傳輸延遲 傳輸延遲是指從源主機傳輸用戶發(fā)送報文開始到目的主機傳輸用戶接收到報文為止的時間； 每個方向的傳輸延遲是不同的。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸

12、層,33,殘余誤碼率 殘余誤碼率用于測量丟失或亂序的報文數(shù)占整個發(fā)送的報文數(shù)的百分比； 理論上殘余誤碼率應(yīng)為零，實際上它可能是一較小的值。 安全保護 安全保護為傳輸用戶提供了傳輸層的保護，以防止未經(jīng)授權(quán)的第三方讀取或修改數(shù)據(jù)。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,34,優(yōu)先級 為傳輸用戶提供用以表明哪些連接更為重要的方法； 當(dāng)發(fā)生擁塞事件時，確保高優(yōu)先級的連接先獲得服務(wù)。 恢復(fù)功能 當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部問題或擁塞情況下，傳輸層本身自發(fā)終止連接的可能性。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,35,在討論傳輸層服務(wù)質(zhì)量參數(shù)時需要注意以下幾個問題：,服務(wù)質(zhì)量參數(shù)是傳輸用戶在請求建立連接時設(shè)定的，表明希望值和最小可接受的值；

13、傳輸層通過檢查服務(wù)質(zhì)量參數(shù)可以立即發(fā)現(xiàn)其中某些值是無法達(dá)到的，傳輸層可以不去與目的主機連接，而直接通知傳輸用戶連接請求失敗與失敗的原因； 有些情況下，傳輸層發(fā)現(xiàn)不能達(dá)到用戶希望的質(zhì)量參數(shù)，但可以達(dá)到稍微低一些的要求，然后再請求建立連接； 并非所有的傳輸連接都需要提供所有的參數(shù),大多數(shù)僅僅是要求殘余誤碼，而其他參數(shù)則是為了完善服務(wù)質(zhì)量而設(shè)置的。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,36,7.3 用戶報文協(xié)議UDP7.3.1 UDP協(xié)議的主要特點,UDP是一種無連接的、不可靠的傳輸層協(xié)議； 在完成進(jìn)程到進(jìn)程的通信中提供了有限的差錯檢驗功能； 設(shè)計比較簡單的UDP協(xié)議的目的是希望以最小的開銷來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中

14、的進(jìn)程通信目的； 進(jìn)程發(fā)送的報文較短，同時對報文的可靠性要求不高，那么可以使用UDP協(xié)議。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,37,7.3.2 UDP的基本工作過程,UDP用戶數(shù)據(jù)報傳輸過程中的封裝與拆封,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,38,UDP報文傳輸隊列,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,39,UDP的復(fù)用和分用,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,40,7.3.3 UDP端口號,TCP/IP協(xié)議族中用端口號來標(biāo)識進(jìn)程； 端口號是在0到65535之間的整數(shù)； 客戶程序隨機選取的臨時端口號； 每一種服務(wù)器程序被分配了確定的全局一致的熟知端口號； 每一個客戶進(jìn)程都知道相應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)程的熟知端口號。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第

15、7章 傳輸層,41,UDP使用的熟知端口號,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,42,7.3.4 UDP數(shù)據(jù)報格式,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,43,UDP檢驗和的檢驗范圍： 偽頭部 UDP頭 應(yīng)用層數(shù)據(jù),計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,44,7.4 傳輸控制協(xié)議TCP7.4.1 TCP協(xié)議的主要特點,TCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議； TCP協(xié)議建立在不可靠的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議之上，IP不能提供任何可靠性機制，TCP的可靠性完全由自己實現(xiàn)； TCP采用的最基本的可靠性技術(shù)是： 確認(rèn)與超時重傳； 流量控制。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,45,TCP協(xié)議與其他協(xié)議的層次關(guān)系,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,

16、46,7.4.2 TCP的端口號分配和Socket地址,TCP常用的熟知端口號,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,47,7.4.3 TCP報文段格式,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,48,7.4.4 TCP傳輸連接建立與連接釋放,TCP傳輸連接建立過程示意圖,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,49,TCP在傳輸連接釋放過程中4次握手過程,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,50,7.4.5 TCP流量與擁塞控制,TCP的數(shù)據(jù)編碼與確認(rèn),計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,51,TCP窗 口概念,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,52,窗口與TCP 的流量控制,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,53,7.4.6 TCP差錯控制,差錯檢測和

17、糾正 檢驗和 確認(rèn) 超時,針對的幾種情況 受損傷的報文段 丟失的報文段 重復(fù)的報文段 亂序的報文段 丟失的確認(rèn),計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,54,傳輸出錯報 文段的處理,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,55,丟失的報文段,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,56,確認(rèn)丟失,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,57,7.4.7 TCP的計時器,重傳計時器 為了控制丟失的或丟棄的報文段，TCP使用了處理報文段的確認(rèn)的等待重傳時間的重傳計時器。 堅持計時器 TCP為每一個連接使用一個堅持計時器； 當(dāng)發(fā)送方的TCP收到一個窗口大小為零的確認(rèn)時，就需要啟動堅持計時器; 當(dāng)堅持計時器期限到時，發(fā)送方的TCP就發(fā)送一個特殊的探測報文段。,計算機網(wǎng)絡(luò) 第7章 傳輸層,58,保持計時器 保持計時器又叫做激活計時器，它是用來防止在兩個TCP之間的連接處以長時期空閑。 時間等待計時器 時間等待計時器是在連接終止期間使用的； 當(dāng)TCP關(guān)閉一個連接時，它并不認(rèn)為這個連接馬上就真正地關(guān)閉了。在時間等