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1.7.4 传输层中的协议

2008-07-16 12:03 51CTO.com 主编;张琦等编著 电子工业出版社 字号:T | T
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《案例精解企业级网络构建》包含了网络组建与管理方面的内容。从构建企业运营级网络的角度出发,按照规划、设计、评估、实施、运营、维护等流程,对各阶段的技术进行阐述和案例汇总,第1章从一家公司办公室发生的一系列的故事开始,介绍了计算机网络的定义,并对网络连接的基本条件进行分析。本节说的是传输层中的协议。

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1.7.4  传输层中的协议

传输层(又称主机到主机传输层)为应用层提供会话和数据报通信服务。传输层承担OSI传输层的职责。传输层的核心协议是TCP和UDP。TCP提供一对一的、面向连接的可靠通信服务。TCP建立连接,对发送的数据包进行排序和确认,并恢复在传输过程中丢失的数据包。与TCP不同,UDP提供一对一或一对多的、无连接的不可靠通信服务。

不论是TCP/IP还是在OSI参考模型中,任意相邻两层的下层为服务提供者,上层为服务调用者。下层为上层提供的服务可分为两类:面向连接服务和无连接服务。

1)面向连接的网络服务

面向连接的网络服务又称为虚电路(Virtual Circuit)服务,它具有网络连接建立、数据传输和网络连接释放三个阶段。是按顺序传输可靠的报文分组方式,适用于指定对象、长报文、会话型传输要求。

面向连接服务以电话系统为模式。要和某个人通话,首先拿起电话,拨号码,通话,然后挂断。同样在使用面向连接的服务时,用户首先要建立连接,使用连接,然后释放连接。连接本质上像个管道:发送者在管道的一端放入物体,接收者在另一端按同样的次序取出物体;其特点是收发的数据不仅顺序一致,而且内容也相同。

2)无连接的网络服务

无连接网络服务的两实体之间的通信不需要事先建立好一个连接。无连接网络服务有3种类型:数据报(Datagram)、确认交付(Confirmed Delivery)与请求回答(Request reply)。

无连接服务以邮政系统为模式。每个报文(信件)带有完整的目的地址,并且每一个报文都独立于其他报文,由系统选定的路线传递。在正常情况下,当两个报文发往同一目的地时,先发的先到。但是,也有可能先发的报文在途中延误了,后发的报文反而先收到;而这种情况在面向连接的服务中是绝对不可能发生的。

1.传输控制协议(TCP)

TCP全称是Transmission Control Protocol,中文名为传输控制协议,它可以提供可靠的、面向连接的网络数据传递服务。传输控制协议主要包含下列任务和功能:

确保IP数据报的成功传递。

对程序发送的大块数据进行分段和重组。

确保正确排序及按顺序传递分段的数据。

通过计算校验和,进行传输数据的完整性检查。

根据数据是否接收成功发送肯定消息。通过使用选择性确认,也对没有收到的数据发送否定确认。

为必须使用可靠的、基于会话的数据传输程序,如客户端/服务器数据库和电子邮件程序,提供首选传输方法。

1)TCP包的结构

TCP数据包头部总长最小为20字节,其结构如图1-23所示。

源端口(16

目的端口(16

序列号(32

确认号(32

TCP偏移量(4

保留(6

标志(6

窗口(16

校验和(16

紧急(16

选项(032

数据(可变)

图1-23  TCP数据包头部结构

源端口:指定了发送端的端口。

目的端口:指定了接受端的端口号。

序列号:指明了段在即将传输的段序列中的位置。

确认号:规定成功收到段的序列号,确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。

TCP偏移量:指定了段头的长度。段头的长度取决于段头选项字段中设置的选项。

保留:指定了一个保留字段,以备将来使用。

标志:SYN(表示同步)、ACK(表示确认)、PSH(表示尽快地将数据送往接收进程)、RST(表示复位连接)、URG(表示紧急指针)、FIN(表示发送方完成数据发送)。

窗口:指定关于发送端能传输的下一段大小的指令。

校验和:校验和包含TCP段头和数据部分,用来校验段头和数据部分的可靠性。

紧急:指明段中包含紧急信息,只有当URG标志置1时紧急指针才有效。

选项:指定了公认的段大小,时间戳,选项字段的末端,以及指定了选项字段的边界选项。

2)TCP工作原理

TCP的连接建立过程又称为TCP三次握手。首先发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的同步(SYN)请求;接收方主机在收到这个请求后向发送方主机回复一个同步/确认(SYN/ACK)应答;发送方主机收到此包后再向接收方主机发送一个确认(ACK),此时TCP连接成功建立,如图1-24所示。

 
图1-24  TCP建立连接

一旦初始的三次握手完成,在发送和接收主机之间将按顺序发送和确认段。关闭连接之前,TCP使用类似的握手过程验证两个主机是否都完成发送和接收全部数据。TCP工作过程比较复杂,包括的内容如下。

TCP连接关闭:发送方主机和目的主机建立TCP连接并完成数据传输后,会发送一个将结束标记置1的数据包,以关闭这个TCP连接,并同时释放该连接占用的缓冲区空间。

TCP重置:TCP允许在传输的过程中突然中断连接。

TCP数据排序和确认:在传输的过程中使用序列号和确认号来跟踪数据的接收情况。

TCP重传:在TCP的传输过程中,如果在重传超时时间内没有收到接收方主机对某数据包的确认回复,发送方主机就认为此数据包丢失,并再次发送这个数据包给接收方。

TCP延迟确认:TCP并不总是在接收到数据后立即对其进行确认,它允许主机在接收数据的同时发送自己的确认信息给对方。

TCP数据保护(校验和):TCP是可靠传输的协议,它提供校验和计算来实现数据在传输过程中的完整性。

3)TCP与端口号

TCP和UDP都是IP层的传输协议,是IP与上层之间的处理接口。TCP和UDP端口号被设计来区分运行在单个设备上的多重应用程序的IP地址。由于同一台计算机上可能会运行多个网络应用程序,所以计算机需要确保目标计算机上接收源主机数据包的软件应用程序的正确性,以及响应能够被发送到源主机的正确应用程序上。该过程正是通过使用TCP或UDP端口号来实现的。

在TCP和UDP头部分,有“源端口”和“目标端口”段,主要用于显示发送和接收过程中的身份识别信息。IP 地址和端口号合在一起被称为“套接字”。TCP端口比较复杂,其工作方式与UDP端口不同。UDP端口对于基于UDP的通信作为单一消息队列和网络端点来操作,而所有TCP通信的终点都是唯一的连接。每个TCP连接由两个端点唯一识别。由于所有TCP连接由两对 IP 地址和TCP端口唯一识别(每个所连主机都有一个地址/端口对),因此每个TCP服务器端口都能提供对多个连接的共享访问,如图1-25所示。

 
图1-25  TCP程序使用保留或已知的端口号

IETF IANA定义了3种端口组。

公认端口(Well Known Ports)从0~1023。

注册端口(RegisteredPorts)从1024~49151。

动态和/或专用端口(Dynamic and/or Private Ports)从49152~65535。

所有小于1024(当然,也有一些更高的数)的TCP服务器端口号都是Internet号码指派机构(IANA)保留和注册的。

2.用户数据报协议(UDP)

UDP全称是User Datagram Protocol,中文名为用户数据报协议。UDP 提供无连接的网络服务,该服务对消息中传输的数据提供不可靠的、最大努力传送。这意味着它不保证数据报的到达,也不保证所传送数据包的顺序是否正确。UDP数据包的头部结构如图1-26所示。

源端口

目的端口

用户数据包的长度

校验和

数据

图1-26  UDP数据包头部结构

(1)源、目的端口:作用与TCP数据段中的端口号字段相同,用来标识源端和目标端的应用进程。

(2)用户数据包的长度:标明UDP头部和UDP数据的总长度字节。

(3)校验和:用来对UDP头部和UDP数据进行校验。

这里与TCP是不同的,对UDP来说,此字段是可选项,而TCP数据段中的校验和字段是必须有的。

要使用UDP,应用程序必须提供源和目标应用程序的IP地址和UDP端口号。尽管某些UDP端口和TCP端口使用相同的编号,但这两种端口是截然不同且相互独立的。与TCP端口一样,1024以下的UDP端口号是由IANA分配的端口。表1-5列出了一些常用的UDP端口。

表1-5  UDP常见端口号

UDP端口号

   

53

DNS 名称查询

69

TFTP简单文件传输协议

137

NetBIOS 名称服务

138

NetBIOS 数据报服务

161

简单网络管理协议(SNMP

520

路由信息协议(RIP

也许你会问:“既然UDP是一种不可靠的网络协议,那么还有什么使用价值或必要呢?”其实不然,在有些情况下UDP可能会变得非常有用。因为UDP具有TCP所望尘莫及的速度优势。虽然TCP中植入了各种安全保障功能,但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销,无疑使速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制,将安全和排序等功能移交给上层应用来完成,极大地降低了执行时间,使速度得到了保证。

【责任编辑:董书 TEL:(010)68476606】

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