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计算机网络教程（第2版）第8章运输层第8章运输层8.1运输层协议概述8.1.1进程之间的通信8.1.2运输层中的两个协议8.1.3运输层的端口8.2用户数据报协议UDP8.2.1UDP概述8.2.2UDP的首部格式第8章运输

层（续）8.3传输控制协议TCP8.3.1TCP概述8.3.2TCP报文段的首部8.3.3TCP的数据编号与确认8.3.4TCP的流量控制与拥塞控制8.3.5TCP的重传机制8.3.6TCP的运输连接管理8.3.7TC

P的有限状态机8.1运输层协议概述8.1.1进程之间的通信从通信和信息处理的角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。物理层网络层运输层应用层数据链路层面向信息处理面向通信用户功

能网络功能运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信54321运输层提供应用进程间的逻辑通信主机A主机B应用进程应用进程路由器1路由器2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP协议的作用范

围运输层协议TCP和UDP的作用范围AP3应用进程之间的通信两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。应用进程之间的通信又称为端到端的通信。运输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往

下就共用网络层提供的服务。“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：运输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。运输层协议和网络层协议的主要区别应用进程…应用进程…IP协

议的作用范围（提供主机之间的逻辑通信）TCP和UDP协议的作用范围（提供进程之间的逻辑通信）因特网运输层的主要功能运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。运输层还要对收到的报文进行差错检测。运

输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。运输层向上提供可靠的和不可靠的逻辑通信信道？应用层运输层发送进程接收进程接收进程数据数据全双工可靠信道数据数据使用TCP协议使用UDP协议不可靠信道发送进程TCP/IP的运输层有两个不同的

协议：(1)用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)(2)传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)8.1.2运输层中的两个协议两个对等运输实体在通信时传送的数据

单位叫作运输协议数据单元TPDU(TransportProtocolDataUnit)。TCP传送的数据单位协议是TCP报文段(segment)UDP传送的数据单位协议是UDP报文或用户数据报。TCP与UDPTCP/IP体系中的运输层协议

TCPUDPIP应用层与各种网络接口运输层TCP与UDPUDP在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下UDP是一种最有效的工作方式。TCP则提供面向连接的服务。TCP不提供广

播或多播服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。还要强调两点运输层的UDP用户数据报与网际层的IP数据报有很大区别。IP数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发，

但UDP用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。TCP报文段是在运输层抽象的端到端逻辑信道中传送，这种信道是可靠的全双工信道。但这样的信道却不知道究竟经过了哪些路由器，而这些路由器也根本不知道上面的运输层是否建立了TCP连接。8.1.3运输层的端口端口就是运输层服务访问点

TSAP。端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。从这个意义上讲，端口是用来标志应用层的进程。端口在进程之间的通信中所起的作用

应用层运输层网络层TCP报文段UDP用户数据报应用进程TCP复用IP复用UDP复用TCP报文段UDP用户数据报应用进程端口端口TCP分用UDP分用IP分用IP数据报IP数据报发送

方接收方端口端口用一个16位端口号进行标志。端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的。三类端口(1)熟知端口，其数值一般为0~1023。当一种新的应用程

序出现时，必须为它指派一个熟知端口。(2)登记端口，其数值为1024~49151。这类端口是ICANN控制的，使用这个范围的端口必须在ICANN登记，以防止重复。(3)动态端口，其数值为49151~65535。这类端口是留给客户进程选择作为临时端口。8.2用户数据报协议UDP8.2.1UDP概

述UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能。虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的优点。发送数据之前不需要建立连接UDP的主机不需要维持复杂的连接状态表。UDP用

户数据报只有8个字节的首部开销。网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。UDP的特点UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接（当然发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付

，同时也不使用拥塞控制，因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。UDP的特点（续）由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用（如IP电话、实时视频会议等）要求源主机以恒定的速率发送数据，并

且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据，但却不允许数据有太大的时延。UDP正好适合这种要求。UDP的特点（续）UDP是面向报文的。这就是说，UDP对应用程序交下来的报文不再划分为若干个分组来发送，也不把

收到的若干个报文合并后再交付给应用程序。应用程序交给UDP一个报文，UDP就发送这个报文；而UDP收到一个报文，就把它交付给应用程序。应用程序必须选择合适大小的报文。UDP的特点（续）UDP支持一对一、一对多、多对一和多

对多的交互通信。用户数据报只有8个字节的首部开销，比TCP的20个字节的首部要短。UDP的问题虽然某些实时应用需要使用没有拥塞控制的UDP，但当很多的源主机同时都向网络发送高速率的实时视频流时，网络就有可能发生拥塞，结果大家都无法正常接收。还有一些使用UDP

的实时应用需要对UDP的不可靠的传输进行适当的改进以减少数据的丢失。8.2.2UDP用户数据报的首部格式伪首部源端口目的端口长度检验和数据首部UDP长度源IP地址目的IP地址017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数

据报伪首部源端口目的端口长度检验和数据首部UDP长度源IP地址目的IP地址017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数据报用户数据报UDP有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有8个字节，由4个字段组成

，每个字段都是两个字节。伪首部源端口目的端口长度检验和数据首部UDP长度源IP地址目的IP地址017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数据报在计算检验和时，临时把“伪首部”和UDP用户数据报连接在一起。伪首部

仅仅是为了计算检验和。8.3传输控制协议TCP8.3.1TCP概述端口…发送TCP报文段TCP…TCP接收缓存发送缓存报文段…报文段报文段端口发送方接收方向发送缓存写入数据块从接收缓存读取数据块应用进程应用进程TCP连接

的任何一方都能够发送和接收数据通信是全双工方式。发送方的应用进程按照自己产生数据的规律，不断地把数据块陆续写入到TCP的发送缓存中。TCP再从发送缓存中取出一定数量的数据，将其组成TCP报文段(segment)逐个传送给IP层，然后发送出去

。接收方从IP层收到TCP报文段后，先把它暂存在接收缓存中，然后让接收方的应用进程从接收缓存中将数据块逐个读取。一对一的通信由于运输层的通信是面向连接的，因此TCP每一条连接上的通信只能是一对一的，而不可能是一对多、多对一或

多对多的。运输层A运输层B发送报文段1确认报文段1发送报文段2出错！丢弃出错的报文段丢失！超时重传报文段2超时重传报文段2确认报文段2发送报文段3时间时间每发送一个报文段都要启动计时器但图中未画出没有起作用的计时器应当注意A在发送完一个报文段后，必须留有该报文段的副本，以便

在必要时进行重传。如果重传时间设定得很长，那么通信的效率就会很低。但如果重传时间设定得很短，就浪费了网络资源，在网络上增加了不必要的通信量。重传时间的设定是相当复杂。运输层A运输层B发送报文段1确认

报文段1发送报文段2超时重传报文段2丢弃重复的报文段确认报文段2发送报文段3时间时间每发送一个报文段都要启动计时器。但图中未画出没有起作用的计时器。丢失！确认报文段2确认也可能出错或丢失B所发送的对报文段2的确认丢失了。A无法知道是自己

发送的报文段出错、丢失或者是对方发送的确认丢失了。因此要对报文段2超时重传。B正确收到了报文段2，采取两个行动。丢弃这个报文段（否则就重复了）。向A发送确认。这个重复的确认不能省略，因为A再次发送报文段2就表示A没有收到对报文段2的确认。T

CP可靠通信的具体实现很复杂TCP的报文段的长度是不确定的。TCP能够提供全双工通信，可以在发送自己的数据报文段的同时，捎带地把确认信息附上。为了提高通信传输效率，发送数据报文段的一方，可以连续发送多个数据报文段，而不需要在收到一个确认后才发送下一个

报文段。要使用特定的算法来估算比较合适的重传时间。TCP的首部格式TCP报文段分为首部和数据两部分。TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4N字节是根据需要而增加的选项(N必须是整数)。因此TCP首部的最小

长度是20字节。TCP首部20字节的固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431填充TCP数据部分TCP首部TCP报文段IP数据部分IP首部发送在

前TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充源端口和目的端口字段——各占2字节。端口是运输层与应用层的服务接口。运输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。TCP首部20字节固定

首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431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

指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充确认号字段——占

4字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充数据偏移——占4位，它指出TCP报文

段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是32位字（4字节为计算单位）。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRST

PSHACKURG位08162431填充保留字段——占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充紧急位URG——当URG1

时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填

充确认位ACK——只有当ACK1时确认号字段才有效。当ACK0时，确认号无效。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充推送位PSH(PuSH)——接收TCP收到PSH=1

的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充复位位RST

(ReSeT)——当RST1时，表明TCP连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急

指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充同步位SYN——当SYN=1时，表示这是一个连接请求或连接接受报文。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FI

NSYNRSTPSHACKURG位08162431填充终止位FIN(FINal)——用来释放连接。当FIN1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长

度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充窗口字段——占2字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。TCP首部20字节固定首部

目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充检验和——占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在TC

P报文段的前面加上12字节的伪首部。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充紧急指针字段——占16位。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。TC

P首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充选项字段——长度可变。TCP只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS(MaximumSegmentSize)。MSS

告诉对方TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节。”MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号

紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG位08162431填充填充字段——这是为了使整个首部长度是4字节的整数倍。8.3.3TCP的数据编号与确认TCP协议是面向字节的。TCP将所要传送的报文看成是字节组成的数据

流，并使每一个字节对应于一个序号。在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号。TCP的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认。接收方返回的确认号是已收到的数据

的最高序号加1。因此确认号表示接收方期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号。8.3.4TCP的流量控制与拥塞控制1.滑动窗口的概念TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。

发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收方可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)。收到确认即可前移10020030040050060070080090010120

13014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针发送方要发送900字节长的数据，划分为9个100字节长的报文段，而发送窗口确定为500字节。发送方只要收到了对方的确认，发送窗口就可前移。发送TCP要维护一个指针。每发送一个报文段，指针就向前移动一个报文段的距离

。收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针发送窗

口前移发送方已发送了400字节的数据，但只收到对前200字节数据的确认，同时窗口大小不变。现在发送方还可发送300字节。已发送并被确认已发送但未被确认100200300400500600700800900101201301

4015016017018011已发送并被确认已发送但未被确认可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认可发送不可发

送指针发送窗口前移发送窗口缩小发送方收到了对方对前400字节数据的确认，但对方通知发送方必须把窗口减小到400字节。现在发送方最多还可发送400字节的数据。利用可变窗口大小进行流量控制双方确定的窗口值是400seq=1,DATAseq=201,DATAseq=401,DATAseq=3

01,DATAseq=101,DATAseq=501,DATAACK=1,ack=201,win=300ACK=1,ack=601,win=0ACK=1,ack=501,win=100主机A主机B允许A发送序号201

~500共300字节的数据A发送了数据(序号301~400)，还能发送100字节A超时重发旧的数据允许A发送序号501至600共100字节的数据A发送了数据(序号501至600)，发送窗口已用完不允许A再发送数据seq=201,DATA丢失！A发送了数据(序号1~100)

，还能发送300字节A发送了数据(序号101~200)，还能发送200字节A发送了数据(序号401~500)，发送窗口已用完8.3.5TCP的重传机制重传机制是TCP中最重要和最复杂的问题之一。TCP每发送一个报文段，就

对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。往返时延的方差很大由于TCP的下层是一个互连网环境，IP数据报所选择的路由变化很大。因而运输层的往返时延的方差也很大。时间数据链

路层运输层T1T2T3往返时延的概率分布往返时延的自适应算法记录每一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认报文段的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时延。将各个报文段的往返时延样本加权平均，就得出报文段的平均往返时延RTT。每测量到一个新的往返时延样本，就按下式重新计算一次平均往返时延R

TT：平均RTT(旧的RTT)(1)(新的RTT样本)(8-2)在上式中，01。参数的选择若很接近于1，表示新算出的平均往返时延RTT和原来的值相比变化不大，而新的往返时延样本

的影响不大(RTT值更新较慢)。若选择接近于零，则表示加权计算的平均往返时延RTT受新的往返时延样本的影响较大(RTT值更新较快)。典型的值为7/8。往返时延RTT?往返时间的测量相当复杂TCP报文段1没有收到确认。重传（即报文段2）后，收到了确认报文段ACK。

如何判定此确认报文段是对原来的报文段1的确认，还是对重传的报文段2的确认？发送一个TCP报文段超时重传TCP报文段收到ACK时间12往返时延RTT?是对哪一个报文段的确认？Karn算法在计算平均往返时延RTT时，只要报文段重传了，就不采用

其往返时延样本。这样得出的平均往返时延RTT和重传时间就较准确。修正的Karn算法报文段每重传一次，就将重传时间增大一些：新的重传时间(旧的重传时间)(8-4)系数的典型值是2。当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时

延更新平均往返时延RTT和重传时间的数值。实践证明，这种策略较为合理。8.3.4TCP的运输连接管理1.运输连接的三个阶段运输连接就有三个阶段，即：连接建立、数据传送和连接释放。运输连接的管理就是

使运输连接的建立和释放都能正常地进行。连接建立过程中要解决以下三个问题：要使每一方能够确知对方的存在。要允许双方协商一些参数（如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等）。能够对运输实体资源（如缓存大

小，连接表中的项目等）进行分配。客户服务器方式TCP的连接和建立都是采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户(client)。被动等待连接建立的应用进程叫做服务器(server)。用三次握手建立TCP连接主机B被动打开主动打开B发送确认

A发送确认主机A连接请求连接建立状态建立TCP连接A的TCP向B发出连接请求报文段，其首部中的同步位SYN=1，并选择序号x，表明下一个报文段的第一个数据字节的序号是x+1。B的TCP收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认，在确认报文段中使SYN=

1和ACK=1，其确认号应为ack=x1，并选择序号seq=y。A收到此报文段后，向B给出确认，其ACK=1，序号应为seq=x+1，确认号应为ack=y1。A的TCP通知上层应用进程，连接已经建立。当运行服务器进

程的主机B的TCP收到主机A的确认后，也通知其上层应用进程，连接已经建立。三次握手或三次联络(three-wayhandshake)防止已失效的连接请求报文段又传送到B，因而产生错误。A发出连接请求，但因未收到确认而

再重传一次。后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕后释放了连接。A共发送了两个连接请求报文段，其中的第二个到达了B。A发出的第一个连接请求报文段以后又传送到B。B误认为是A又发出一次新的连接请求。于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。A不会理睬B的确认。但B却以为运输连

接就这样建立了，并一直等待A发来数据。B的许多资源就这样白白浪费了。TCP的连接释放过程应用进程释放连接A不再发送报文主机B主机A①通知主机应用进程应用进程释放连接B不再发送报文②发送确认确认至此，整个连接已经全部

释放。半关闭状态关闭状态从A到B的连接就释放了，连接处于半关闭状态。相当于A向B说：“我已经没有数据要发送了。但你如果还发送数据，我仍接收。”