第3章 传输层与传输层协议

服务。 具体工作包括端口管理、可靠性控制、流量 控制、错误处理等。
对数据报的首部和数据部分进行检验，而网络层
只对数据报的首部进行检验。 流量控制和拥塞控制控制的是端到端用户的流量， 防止网络拥塞造成数据报的丢失。而数据链路层 是中间两个相邻结点间的流量控制。
4
3.1 传输层的基本功能
两组重要概念：
点到点通信和端到端通信 进程和端口
5
传输层的作用
主机A 应用层 传输层协议实现主机之间的端-端通信 主机B 应用层
传输层
传输层
网络层 数据 链路层 物理层
网络层 数据 链路层 物理层 路由器
网络层 数据 链路层 物理层 路由器
网络层 数据 链路层 物理层
点-点链路
„„
点-点链路
„„
点-点链路
„„
网络层的服务。
8
进程和端口
进程的概念
单机环境中 是指一个程序对某个数据集的执行过程；
由操作系统统一控制、协调、调度进程的运行及相互
间的通信。
网络环境中 各台主机具有高度的自治特性； 没有统一的高层操作系统进行全局控制与管理。
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进程和端口
进程命名与寻址（套接字） 采用IP地址+进程号ID （即端口号）进行命名 多重协议的识别 主机间通信，必须约定好传输层协议类型 进程间相互作用的模式 采用客户/服务器模式
比特 0
8 源 端 口
16
24 目 的 端 口
31
序 号 确 数据 偏移 认 号
TCP 首部
保 留
U A P R S F R C S S Y I G K H T N N
20 字节 固定 首部
窗 口 紧 急 指 针
检 验 和
选 项 （长 度 可 变）
填
充
源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是传输层与应 用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才

传输连接的可靠建立与释放；
三次握手建立连接，四次握手关闭连接
提供流量控制与拥塞控制
滑动窗口进行流量控制
29
3.3.2 TCP 段格式
TCP协议中的基本传输单元为段(Segment), 因此习
惯上将TCP报文称为TCP段。

一个TCP段由段头和数据流两部分组成, TCP数据 流是无结构的字节流, 流中数据是由一个个字节序 列构成的, 无任何可供解释的结构, 这一特征使得 TCP段的段长是可变的。因此, TCP协议中的序号 和确认号都是针对流中字节的, 而不针对段。
点-点链路
网络层协议通过由多段点-点链路组成的路径实现源主机与目的主机主机之间的分组传输
6
网络层的任务
application transport network data link physical
沿两端点间的最佳路由传输数据 （主机间的逻辑通信,logic communication between hosts）

熟知端口(well-known port)：为服务进程全局分配的端口 范围为0～1023； 用于服务器端； 注册端口：为没有熟知端口号的应用程序使用。 范围1024~49151； 使用前需注册，以防止重复； 自由端口是在进程需要进行通信时，由本地进行动态分配的 范围49152~65535； 用于客户端。
network data link physical network data link physical network data link physical
application transport network data link physical
Ethernet, X.25, ATM, … 两端点间可靠的透明数据传输 传输层的任务（应用进程间的逻辑通信,logic communication application between application processes ） transport … network

应用 UDP IP 数据链路
IP 头 帧头 UDP 头
应用数据
UDP 数据区 IP 数据区 帧数据区
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3.2.2 UDP报文格式
UDP报文有固定8字节的报头。
0 8 源端口号 UDP报头 UDP总长度 校验和 UDP 报文 数 据 （数据不是16位的倍数时需要增加填充位） 16 24 目的端口号 31
点到点指的是TCP连接只有两个端点，即TCP不
支持广播和组播
28
3.3.1 TCP协议的主要特点

支持流传输；
流（stream）相当于一个管道，从一端放入什么内容，
从另一端可以照原样取出什么内容，它描述了一个不出 现丢失、重复和乱序的数据传输过程； 源进程发送的数据以字节流的形式传输到目的进程，而 且数据流是无结构。
能实现。
比特 0
8 源 端 口
16
24 目 的 端 口
31
序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 认 号
保 留
U A P R S F R C S S Y I G K H T N N
20 字节 固定 首部
窗 口 紧 急 指 针
检 验 和
选 项 （长 度 可 变）
填
充
序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一 个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所
30
3.3.2 TCP 段格式
控制字段 控制字段定义了6种不同的控制位或标志位; 控制字段将在TCP的连接建立和终止、流量控 制，以及数据传送中发挥作用。
标志 SYN 说明 在连接时对序号进行同步
ACK
FIN RST URG PSH
32
确认字段的值有效
终止连接 连接必须复位 紧急指针字段的值有效 将数据推向前
27
3.3.1 TCP协议的主要特点
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议
面向连接服务；
实际数据流传输之前，源进程与目的进程之间建
立传输连接；
高可靠性；
主要方法：确认和超时重传
全双工通信及点到点的连接；
客户与服务器进程同时发送和接收数据流
数据报的接收
端口判断该报文的目的端口号是否与当前端口匹配
若匹配成功，将该数据报保存到相应端口的接收队列中；
（若队列已满，则丢弃该数据报）
若未匹配，则丢弃该数据报，同时向源端发送 “端口不
可达” 的 ICMP 包
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3.2.4 UDP协议适用的范围
确定应用程序在传输层是否采用UDP协议的原则：
网络环境中分布式进程通信需要解决以下问题：
10
进程和端口
小结：
网络环境中一个完整的进程通信标识需要一个五
元组来表示： 协议 源IP地址 目的IP地址 比如： TCP 102.31.7.221 202.192.1.100
源端口号 目的端口号 15432 21
11
传输层端口号
端口号由Internet赋号管理局定义。 端口号是一个16比特的数字，其数值范围从0～65535。
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153.18 8.105 171.2 14.10 0,17 15 1087 13 15 0(校验和) T,E S,T I,N G,0（填充） 和 校验和
3.2.3 UDP 的基本工作过程
UDP 的基本工作过程
数据报发送
UDP 软件将用户数据封装在 UDP 数据报中
转交给 IP 软件，进行 IP 封装和转发
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端口号
一些常见的“熟知”端口号 H T T P F T P T e l n e t
23
应用层
S M T P
D N S
T F T P
S N M P
80
21 20
25
53
69
161
传输层
TCP
UDP
注意：熟知端口号的定义见 [RFC 1700]
13
应用层
F T P
T e l n e t
23
S M T P
系统对性能的要求高于对数据完整性的要
求； 需要“简短快捷”的数据交换； 需要多播和广播的应用； UDP协议是一种适用于实时语音与视频传 输的传输层协议。
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3.3 TCP协议传输控制协议
3.3.1
TCP协议的主要特点 3.3.2 TCP 段格式 3.3.3 TCP传输连接建立与释放 3.3.4 TCP流量与拥塞控制 3.3.5 TCP差错控制
再通过服务进程所公布的熟知端口与服务器进程
建立联系，并进行相应协商； 上述过程成功后中，就可开始进程间的通信。
15
3.2 UDP协议
3.2.1 UDP协议特点 3.2.2 UDP报文格式 3.2.3 UDP 的基本工作过程 3.2.4 UDP协议适用的范围
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3.2 UDP协议——User Datagram Protoclo 用 户数据报协议
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UDP报头主要字段： 端口号 端口号字段包括源端口号和目的端口号； 端口号字段长度为16位（2个字节）； 源端口号表示发送端进程端口号，目的端 口号表示接收端进程端口号； 如果源进程是客户端，则源端口号是由 UDP软件分配的临时端口号； 服务器使用的是熟知端口号。
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长度 长度字段长度也是16位（2字节），它定 义了包括报头在内的用户数据报的总长 度； 用户数据报的长度最大为65535字节，最 小是8字节； 如果长度字段是8字节，那么说明该用户 数据报只有报头，而没有数据。
发送的数据的第一个字节的序号。
比特 0
8 源 端 口
16
24 目 的 端 口
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序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 认 号
3.2.1 UDP协议的主要特点： UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议； UDP是一种面向报文的传输层协议。
应用程序报文 应用层
UDP 头部
UDP 用户数据报数据部分
传输层
IP 头部
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IP 分组的数据部分
网络层
UDP 协议封装
UDP 数据报由两部分构成：UDP 报头和数据区 UDP 报文是封装在 IP 分组中进行传送的
D N S
T F T P
S N M P
port
21
25
53
69
161
传输层
TCP
UDP
TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层对应的协 议（进程）。 传输层提供端到端应用进程之间的通信，常称为端到端 (End-to-end)通信。
Biblioteka Baidu14
传输层端口号
端口号的使用
客户进程首先动态申请一个本地自由端口号
第3章 传输层与传输层协议
本章内容： 3.1 传输层的基本功能 3.2 UDP协议 3.3 TCP协议
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3.1 传输层的基本功能 计算机网络本质的活动是实现分布 在不同地理位置的联网主机之间的 进程通信，以实现各种网络服务功 能； 传输层的主要作用就是要实现分布 式进程通信。
2
3.1 传输层的基本功能
data link physical
application transport network data link physical
…
通信子网
网络层与传输层的比较
7
传输层
vs 网络层服务(后讲)：
网络层: 在主机间进行通信；
传输层: 在进程间进行通信；
传输层依赖于网络层的服务，反过来又加强了
传输层的作用--非常关键
提供从源主机到目的主机端到端的服务。 消除网络层的多样性和不可靠性，有必要增强网
络层提供服务的服务质量和可靠性。 向高层用户屏蔽下面通信子网的细节。 传输层以上各层面向应用，传输层以下各层面向 通信。
3
3.1 传输层的基本功能
为应用进程提供可靠或不可靠的端到端连接
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校验和 UDP校验和字段是可选项； UDP校验和用来检验整个用户数据报（ 包括报头）在传输中是否出现差错； UDP校验和包括三个部分：伪报头（ pseudo header）、UDP报头与应用层数 据。
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UDP校验和的基本概念与计算示例 发送端计算UDP校验和的例子
153.18.8.105 171.2.14.10 0 1087 15 T I E N S G 17 15 13 0 T 0 10011001 00010010 00001000 01101001 10101011 00000010 00001110 00001010 00000000 00010001 00000000 00001111 00000100 00111111 00000000 00001101 00000000 00001111 00000000 00000000 01010100 01000101 01010011 01010100 01001001 01001110 01000111 00000000 10010110 11101011 01101001 00010100