《計算機網路(第七版)-謝希仁》 第5章 運輸層(上)

運輸層協議的特點，程序之間的通訊和埠等概念，UDP協議和TCP協議等相關基礎概念。

運輸層協議的概述

程序之間的通訊

運輸層向它上面的應用層提供通訊服務，它屬於面向通訊部分的最高層，同時也是使用者功能中的最低層。

從運輸層的角度看，通訊的真正端點並不是主機而是主機中的程序。也就是說，端到端的通訊是應用程序之間的通訊。

運輸層有一個很重要的功能：複用(multiplexing)和分用(demultiplexing)。

網路層為主機之間提供邏輯通訊，而運輸層為應用程序之間提供端到端的邏輯通訊。運輸層還要對收到的報文進行差錯檢測

運輸層的兩個主要協議

• 使用者資料報協議 UDP (User Datagram Protocol)
• 傳輸控制協議 TCP (Transmission Control Protocol)

兩個對等運輸實體在通訊時傳送的資料單位叫做運輸協議資料單元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)。但在TCP/IP體系中，則根據所使用的協議是TCP或 UDP,分別稱之為TCP報文段(segment)或UDP使用者資料報。

UDP在傳送資料之前不需要先建立連線。遠地主機的運輸層在收到UDP報文後，不需要給出任何確認。雖然UDP不提供可靠交付，但在某些情況下UDP卻是一種最有效的工作方式。

TCP則提供面向連線的服務。在傳送資料之前必須先建立連線，資料傳送結束後要釋放連線。由於TCP要提供可靠的、面向連線的運輸服務，因此不可避免地增加了許多的開銷，這不僅使協議資料單元的首部增大很多，還要佔用許多的處理機資源。

運輸層的埠

複用：應用層所有的應用程序都可以通過運輸層再傳送到IP層(網路層)

分用：運輸層從IP層收到傳送給各應用程序的資料後，必須分別交付指明的各應用程序

運輸層使用協議埠號(protocol port number),或通常簡稱為埠(port)。軟體埠

1. 伺服器端使用的埠號

   • 熟知埠號(well-known port number) 或系統埠號，數值為 0 〜 1023

• 登記埠號，數值為1024〜49151

  1. 客戶端使用的埠號

數值為49152〜65535，僅在客戶程序執行時才動態選擇，因此又叫做短暫埠號。

使用者資料報協議UPD

UDP 概述

• UDP是無連線的，即傳送資料之前不需要建立連線
• UDP使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付
• UDP是面向報文的，傳送方的UDP對應用程式交下來的報文，在新增首部後就向下交付IP層。UDP對應用層交下來的報文，既不合並，也不拆分，而是保留這些報文的邊界。
• UDP**沒有擁塞控制**
• UDP**支援一對一、一對多、多對一和對多的互動通訊**
• UDP的首部開銷小，只有8個位元組，比TCP的20個位元組的首部要短

UDP的首部格式

使用者資料報UDP有兩個欄位：資料欄位和首部欄位。首部欄位有8個位元組，由四個欄位組成，每個欄位的長度都是兩個位元組。

• 源埠 源埠號，在需要對方回信時選用，不需要時可用全0。
• 目的埠 目的埠號。這在終點交付報文時必須使用。
• 長度 UDP使用者資料報的長度，其最小值是8 (僅有首部)。
• 檢驗和 檢測UDP使用者資料報在傳輸中是否有錯。有錯就丟棄。

偽首部既不向下傳送也不向上遞交，而僅僅是為了計算檢驗和。

UDP的檢驗和是把首部和資料部分一起都檢驗。

傳輸控制協議TCP概述

最主要特點

• TCP是面向連線的運輸層協議
• 每一條TCP連線只能有兩個端點(endpoint)，每一條TCP連線只能是點對點的(一對一)
• TCP提供可靠交付的服務。通過TCP連線傳送的資料，無差錯、不丟失、不重複，並且按序到達
• TCP提供全雙工通訊
• 面向位元組流。TCP中的“流”(stream)指的是流入到程序或從程序流出的位元組序列

TCP的連線

TCP連線的端點叫做套接字(socket)或插口，埠號拼接到(concatenated with) IP地址即構成了套接字。

可靠傳輸的工作原理

停止等待協議

• A在傳送完一個分組後，必須暫時保留已傳送的分組的副本。
• 分組和確認分組都必須進行編號這樣才能明確是哪一個傳送出去的分組收到 了確認，而哪一個分組還沒有收到確認。
• 超時計時器設定的重傳時間應當比資料在分組傳輸的平均往返時間更長一些。(不確定因素：經過哪些網路、時延、網路擁塞等)

通道利用率

停止等待協議的優點是簡單，但缺點是通道利用率太低。

當使用流水線傳輸時，就要使用下面介紹的連續ARQ協議和滑動視窗協議。

連續ARQ協議

接收方一般都是採用累積確認的方式，在收到幾個分組後，對按序到達的最後一個分組傳送確認。

優點是：容易實現，即使確認丟失也不必重傳。

缺點：不能向傳送方反映出接收方己經正確收到的所有分組的資訊。

TCP報文段的首部格式

一個TCP報文段分為首部和資料兩部分，報文段首部的前20個位元組是固定的，後面有4n位元組是根據需要而增加的選項，因此TCP首部的最小長度是20位元組。

• 源埠和目的埠

• 序號佔4位元組

  序號範圍是[0, 2^32^ - 1]，共2^32^ (即4294967296)個序號。序號增加到2^32^ - 1後，下一個序號就又回到0。也就是說，序號使用mod 2^32^運算。

  TCP是面向位元組流的。在一個TCP連線中傳送的位元組流中的每一個位元組都按順序編號。整個要傳送的位元組流的起始序號必須在連線建立時設定。首部中的序號欄位值則指的是本報文段所傳送的資料的第一個位元組的序號。

  例如，一報文段的序號欄位值是301，而攜帶的資料共有100 位元組。這就表明：本報文段的資料的第一個位元組的序號是301,最後一個位元組的序號是400。顯然，下一個報文段(如果還有的話)的資料序號應當從401開始，即下一個報文段 的序號欄位值應為401。這個欄位的名稱也叫做“報文段序號”。

• 確認號 佔4位元組，是期望收到對方下一個報文段的第一個資料位元組的序號。

  若確認號 = N，則表明：到序號N-1為止的所有資料都已正確收到。

• 資料偏移 佔4位，它指出TCP報文段的資料起始處距離TCP報文段的起始處有多遠，實際上是指出TCP報文段的首部長度。

  “資料偏移”的單位是32位字(即以4字 節長的字為計算單位)。由於4位二進位制數能夠表示的最大十進位制數字是15,因此資料偏移的最大值是60位元組，這也是TCP首部的最大長度(即選項長度不能超過40位元組)

• 保留 佔6位，保留為今後使用，但目前應置為0

• 緊急URG (URGent) 當URG = 1時，表明緊急指標欄位有效。它告訴系統此報文段中有緊急資料，應儘快傳送(相當於高優先順序的資料)

• 確認ACK (ACKnowledgment) 僅當ACK = 1時確認號欄位才有效。當ACK = 0時，確認號無效。TCP規定，在連線建立後所有傳送的報文段都必須把ACK置1。

• 推送PSH (PuSH) 傳送方TCP把PSH置1,並立即建立一個報文段傳送出去。接收方TCP收到PSH=1的報文段，就儘快地(即“推送”向前)交付接收應用程序，而不再等到整個快取都填滿了後再向上交付。

• 復位RST (ReSeT) 當RST = 1時，表明TCP連線中出現嚴重差錯，必須釋放連線，然後再重新建立運輸連線。

• 同步SYN (SYNchronization) 在連線建立時用來同步序號，SYN置為1就表示這是一個連線請求或連線接受報文

• 終止FIN(FINis) 用來釋放一個連線。當FIN = 1時，表明此報文段的傳送方的資料已傳送完畢，並要求釋放運輸連線。

• 視窗 佔2位元組。視窗值是[0, 2^16^ - 1]之間的整數。視窗指的是傳送本報文段的 一方的接收視窗(而不是自己的傳送視窗)。

  視窗值告訴對方：從本報文段首部中的確認號算起，接收方目前允許對方傳送的資料量(以位元組為單位)。之所以要有這個限制，是因為接收方的資料快取空間是有限的。總之，視窗值作為接收方讓傳送方設定其傳送視窗的依據。

  視窗欄位明確指出了現在允許對方傳送的資料量。視窗值經常在動態變化著。

• 檢驗和 佔2位元組。檢驗和欄位檢驗的範圍包括首部和資料這兩部分。在計算檢驗和時，要在TCP報文段的前面加上12位元組的偽首部。

• 緊急指標 佔2位元組。緊急指標僅在URG = 1時才有意義，它指出本報文段中的緊急資料的位元組數(緊急資料結束後就是普通資料)，即使視窗為零時也可傳送緊急資料。

• 選項長度可變，最長可達40位元組。當沒有使用“選項“時，TCP的首部長度是20位元組。

  最大報文段長度MSS (Maximum Segment Size)、視窗擴大選項、時間戳選項、選擇確認(SACK)等。