第3章 传输层协议UDP和TCP

第3章传输层协议UDP和TCP第3章传输层协议UDP和TCP3.1端到端通信和端口号3.2用户数据报协议UDP3.3传输控制协议TCP3.4TCP与UDP的比较习题第3章传输层协议UDP和TCP3.1端到端通信和端口号3.1.1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3-1所示。第3章传输层协议UDP和TCP主机1路由器路由器主机2端到端点到点点到点点到点网络1网络2图3-1传输层端到端通信第3章传输层协议UDP和TCP由第2章的知识可知，点到点通信是由网络互联层来实现的，网络互联层只屏蔽了不同网络之间的差异，构建了一个逻辑上的通信网络，因此它只解决了数据通信问题。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。第3章传输层协议UDP和TCP3.1.2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3-2所示。第3章传输层协议UDP和TCP应用程序应用程序应用程序应用程序ICMPTCPUDPARPIPRARP以太网网络接口层以太网由传输层报头中的端口字段标识由IP数据报头中的上层协议字段标识由以太网帧类型字段标识……图3-2传输层端到端通信第3章传输层协议UDP和TCP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。一些常用服务的TCP和UDP的众所周知端口号见表3-1和表3-2。第3章传输层协议UDP和TCP表3-1常用的众所周知的TCP端口号TCP端口号关键词描述20FTP-DATA文件传输协议(数据连接)21FTP文件传输协议(控制连接)23Telnet远程登录协议25SMTP简单邮件传输协议53Domain域名服务器80HTTP超文本传输协议110POP3邮局协议3119NNTP网络新闻传递协议第3章传输层协议UDP和TCP表3-2常用的众所周知的UDP端口号UDP端口号关键词描述53Domain域名服务器67BootPS引导协议服务器68BootPC引导协议客户机69TFTP简单文件传输协议161SNMP简单网络管理协议162SNMP-TRAP简单网络管理协议陷阱第3章传输层协议UDP和TCP256～1023之间的端口号通常都是由Unix系统占用的，以提供一些特定的Unix服务。现在IANA管理1～1023之间所有的端口号。任何TCP/IP实现所提供的服务都使用1～1023之间的端口号。客户端口号又称为临时端口号(即存在时间很短暂)。这是因为客户端口号是在客户程序要进行通信之前，动态地从系统申请的一个端口号，然后以该端口号为源端口，使用某个众所周知的端口号为目标端口号(如在TCP协议上要进行文件传输时使用21)进行客户端到服务器端的通信。综上所述，我们知道两台要通信的主机，每一端要使用一个二元地址(IP地址，端口号)才可以完成它们之间的通信。第3章传输层协议UDP和TCP3.2用户数据报协议UDP3.2.1UDP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，因此在传输层使用UDP协议时，发送端不需要发送缓冲区，如图3-3所示。第3章传输层协议UDP和TCPUDP数据报头区UDP数据区IP数据区IP报头区UDP数据报IP数据报图3-3UDP数据报的封装第3章传输层协议UDP和TCP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3-4所示。第3章传输层协议UDP和TCPUDP目标端口号(16位)0151631UDP源端口号(16位)UDP长度(16位)UDP校验和(16位)数据区图3-4UDP数据报格式第3章传输层协议UDP和TCP3.2.2UDP校验和的计算方法顾名思义，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3-5所示。第3章传输层协议UDP和TCP协议(8位,UDP值为17)UDP长度(16位)填充域(8位,全0)目标端IP地址(32位)源端IP地址(32位)015163178图3-5UDP伪头部格式第3章传输层协议UDP和TCP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，见表2-4)，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。第3章传输层协议UDP和TCP3.2.3UDP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。第3章传输层协议UDP和TCP(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。第3章传输层协议UDP和TCP3.3传输控制协议TCP3.3.1TCP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3-6所示。第3章传输层协议UDP和TCPTCP目标端口号(16位)0151631TCP源端口号(16位)序列号(32位)窗口大小(16位)确认号(32位)FINSYNRSTPSHACKURG保留(6位)首部长度(4位)校验和(16位)紧急指针(16位)选项＋填充数据区图3-6TCP报文段的格式第3章传输层协议UDP和TCP1．TCP 源端口号TCP源端口号长度为16位，用于标识发送方通信进程的端口。目标端在收到TCP报文段后，可以用源端口号和源IP地址标识报文的返回地址。2．TCP目标端口号TCP目标端口号长度为16位，用于标识接收方通信进程的端口。源端口号与IP头部中的源端IP地址，目标端口号与目标端IP地址，这4个数就可以惟一确定从源端到目标端的一对TCP连接。3．序列号序列号长度为32位，用于标识TCP发送端向TCP接收端发送数据字节流的序号。第3章传输层协议UDP和TCP4．确认号确认号长度为32位。5．头部长度该字段用4位二进制数表示TCP头部的长短，它以32位二进制数为一个计数单位。TCP头部长度一般为20个字节，因此通常它的值为5。6．保留保留字段长度为6位，该域必须置0，准备为将来定义TCP新功能时使用。第3章传输层协议UDP和TCP7．标志标志域长度为6位，每1位标志可以打开或关闭一个控制功能，这些控制功能与连接的管理(3.3.2小节讲述)和数据传输控制有关，其内容如下所述：●URG：紧急指针标志，置1时紧急指针有效。●ACK：确认号标志，置1时确认号有效。如果ACK为0，那么TCP头部中包含的确认号字段应被忽略。●PSH：push操作标志，当置1时表示要对数据进行push操作。●RST：连接复位标志，表示由于主机崩溃或其他原因而出现错误时的连接。第3章传输层协议UDP和TCP●SYN：同步序列号标志，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。●FIN：连接终止标志，当一端发送FIN标志置1的报文时，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。第3章传输层协议UDP和TCP8．窗口大小窗口大小字段长度为16位，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。9．校验和校验和字段长度为16位，用于进行差错校验。校验和覆盖了整个的TCP报文段的头部和数据区。10．紧急指针紧急指针字段长度为16位，只有当URG标志置1时紧急指针才有效，它的值指向紧急数据最后一个字节的位置(如果把它的值与TCP头部中的序列号相加，则表示紧急数据最后一个字节的序号，在有些实现中指向最后一个字节的下一个字节)。第3章传输层协议UDP和TCP11．选项选项的长度不固定，通过选项使TCP可以提供一些额外的功能。每个选项由选项类型(占1个字节)、该选项的总长度(占1个字节)和选项值组成，如图3-7所示。选项类型(1个字节)总长度(1个字节)选项值(有些选项没有选项值)图3-7TCP选项格式第3章传输层协议UDP和TCP当前已定义的选项如表3-3所示。选项类型字段为0和1的选项仅各占1个字节，其他的选项在选项类型后说明了其总长度。12．填充填充字段的长度不定，用于填充以保证TCP头部的长度为32位的整数倍，值全为0。第3章传输层协议UDP和TCP表3-3TCP选项表略第3章传输层协议UDP和TCP3.3.2TCP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。TCP在IP之上工作，IP本身是一个无连接的协议，在无连接的协议之上要建立连接，对初学者来说，这是一个较难理解的一个问题。第3章传输层协议UDP和TCP1.建立连接TCP使用“三次握手”(3-wayHandshake)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。具体过程如下。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。第3章传输层协议UDP和TCP连接建立和关闭的过程可以用图3-8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。第3章传输层协议UDP和TCP客户机进程服务器进程SYN＝1SEQ＝xSYN＝1SEQ＝yACK＝x＋1SEQ＝x＋1ACK＝y＋1第一次握手第三次握手传输数据第二次握手第一次握手FIN＝1SEQ＝uACK＝u＋1FIN＝1SEQ＝vACK＝v＋1第四次握手第二次握手第三次握手图3-8TCP连接的建立与关闭第3章传输层协议UDP和TCP3.3.3TCP的流量控制和拥塞控制机制下面我们来看一个实例，图3-9是主机1和主机2使用TCP协议在实际通信时的时序图。第3章传输层协议UDP和TCPSYN＝1SEQ＝xWIN＝2048MSS＝1024SYN＝1SEQ＝yACK＝x＋