第7章 数据通信体系结构与协议数据通信协议及数据通信协议及OSIOSI通信体系结构通信体系结构7.1V.24 V.24 物理层接口标准物理层接口标准7.2HDLC HDLC 数据链路控制协议数据链路控制协议7.3ITU-T X.25ITU-T X.25标准中的分组层协议标准中的分组层协议7.4TCP/IPTCP/IP通信体系结构通信体系结构7.5IP IP 7.6TCPTCP7.6 数数据据通通信信是是依依照照一一定定的的通通信信协议，在在两两点点或或多多点点之之间通通过某某种种传输媒媒介介( (例例如如电缆、光光缆) )以以数数字字二二进制制信信息息单元元形形式式交交流流信信息息的的过程程。目目的的是是实现计算算机机与与计算算机机、计算算机机与与终端、端、终端与端与终端之端之间的数据信息交流。的数据信息交流。7.1.1 概述概述7.1 7.1 数据通信协议及数据通信协议及OSIOSI通信体系结通信体系结构构 通常把计算机、终端（如网络打印机）、通常把计算机、终端（如网络打印机）、其他数据终端处理设备统称为数据终端设备其他数据终端处理设备统称为数据终端设备（Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment，DTEDTE）。）。 协议（ProtocolProtocol）主主要要包包括括以以下下的的全全部部或部分要素。或部分要素。 语法法(syntax)(syntax)：包包括括数数据据格格式式、编码、信号信号级别等。等。 语义( (sematicssematics) )：包包括括用用于于相相互互协调及及差差错处理的控制信息。理的控制信息。 定定时关关系系(timing)(timing)：包包括括速速度度匹匹配配和和时序关系。序关系。 协议协调通信网的运转，负责网中信息协议协调通信网的运转，负责网中信息传递的控制、管理、转换。所以，协议十分传递的控制、管理、转换。所以，协议十分重要。国际标准化组织重要。国际标准化组织(ISO)(ISO)、国际电信联、国际电信联盟电信标准化组织盟电信标准化组织(ITU(ITU- -T)T)、InternetInternet体系体系结构委员会（结构委员会（IABIAB）在促进协议标准化方面）在促进协议标准化方面做了许多工作，制定了一系列标准和建议。做了许多工作，制定了一系列标准和建议。实际上协议就包含在这些标准和建议之中。实际上协议就包含在这些标准和建议之中。 7.1.2 OSI通信体系结构通信体系结构 开放系开放系统，是指允，是指允许两个不同系两个不同系统独立独立于下于下层体系体系结构构进行通信的一套行通信的一套协议。其目。其目的就是在不需要改的就是在不需要改变系系统的的软硬件硬件逻辑结构构的条件下，使不同系的条件下，使不同系统间的通信成的通信成为可能。可能。允允许不同厂商按照开放系不同厂商按照开放系统中的中的协议，设计自己的通信自己的通信软件。而开放的另一个含件。而开放的另一个含义是是该协议族的定族的定义及其多种及其多种实现可以不用花可以不用花钱或或花很少的花很少的钱就可以公开地得到。就可以公开地得到。 OSIOSI模模型型由由7 7个个功功能能层组成成，它它们是是：物物理理层、数数据据链路路层、网网络层 、运运输（传输）层、会、会话层、表示、表示层和和应用用层。图图图图7-1 DTE7-1 DTE网网网网络间络间络间络间相互通信以及相互通信以及相互通信以及相互通信以及对应对应对应对应的的的的OSIOSI分分分分层层层层模型模型模型模型1.应用层应用层(第第7层层)7.1.3 OSI模型各层的基本功能模型各层的基本功能 应用用层直接与用直接与用户和用和用户的的应用程序用程序进行通信。行通信。应用用层提供的典型服提供的典型服务有：文件有：文件传送、送、电子子邮件、件、远程程计算机算机访问、分布式系、分布式系统等。等。2.表示层表示层(第第6层层) 表示表示层的主要功能是把的主要功能是把应用用层提供的信提供的信息息变为能共同理解的形式。能共同理解的形式。 3.会话层会话层(第第5层层) 会会话层建立并保持用建立并保持用户进程之程之间的的逻辑关系，以及关系，以及处理理进程之程之间的的对话，并且保，并且保证每次会每次会话都会正常都会正常结束。束。 会会话层的主要功能有：确的主要功能有：确认双方身份；双方身份；确定工作方式（是全双工确定工作方式（是全双工还是半双工）；确是半双工）；确认付付费方；方；对传送的大文件送的大文件设置断点（同步置断点（同步点）；并提供点）；并提供检查断点重断点重传机制等。机制等。4. 运输层运输层(第第4层层) 运运输层又称又称传输层，也称端到端，也称端到端层，它，它实现用用户端到端或端到端或进程之程之间的信息控制和信的信息控制和信息交息交换。 传输层的主要功能有：决定是否通的主要功能有：决定是否通过一一条条单独路径来独路径来传输所有的消息（是虚所有的消息（是虚电路路还是分是分组方式）；在方式）；在发送端将消息分解成送端将消息分解成带序序号的分号的分组，在接收端将分，在接收端将分组正确重正确重组为消息；消息；负责将将报文从源文从源DTEDTE的一个特定的一个特定进程程传递到到目目标DTEDTE的一个特定的一个特定进程；在信源程；在信源进程到信程到信宿宿进程的程的层次上次上进行差行差错控制和流量控制。控制和流量控制。5.网络层网络层(第第3层层) 网网络层又称通信子网又称通信子网层，负责将数据分将数据分组从源从源DTEDTE尽力尽力传输到目的到目的DTEDTE的的过程。程。 网网络层属于通信体系属于通信体系结构中的低构中的低层组，因此除了源因此除了源DTEDTE、宿、宿DTEDTE之外，中之外，中间的网的网络节点或网点或网络设备也要参与也要参与对网网络层的数据分的数据分组处理。理。6.数据链路层数据链路层(第第2层层) 数据数据链路路层是在物理是在物理层基基础上建立的，上建立的，用于建立和拆除数据用于建立和拆除数据链路路连接，接，实现无差无差错传输的控制的控制层。 数据数据链路路层的主要功能是分的主要功能是分组的封装成的封装成帧；相；相邻节点点链路路层的的错误检测、流量控制；、流量控制；在数据同步通信中在数据同步通信中负责时序同步。序同步。7. 物理层物理层(第第1层层) 物理物理层包含那些在物理媒介上包含那些在物理媒介上传输比特比特流必流必须的功能。的功能。7.1.4 层间通信层间通信 0SI0SI参参考考模模型型基基于于下下列列简简单单的的假假设设给给出出了不同类型计算机之间通信的框架。了不同类型计算机之间通信的框架。 在在每每层层运运行行一一组组规规则则或或运运行行过过程程。这这些规则或过程称为协议。些规则或过程称为协议。 运行在每层的协议只允许与运行在每层的协议只允许与OSI的直接的直接上层或直接下层进行通信。上层或直接下层进行通信。 图图图图7-2 7-2 层间层间层间层间数据数据数据数据单单单单元关系元关系元关系元关系 在在标准准ISO X.210ISO X.210中使用了中使用了4 4种种类型的服型的服务原原语来定来定义分分层体系体系结构中相构中相邻层之之间的的交互作用。它交互作用。它们是：是： 请求原求原语：requestrequest 指示原指示原语：indication indication 响响应原原语：response response 证实原原语：confirmconfirm7.2 7.2 V.24 V.24 物理层接口标准物理层接口标准7.2.1 概述概述 物理物理层标准中最常用的就是物理准中最常用的就是物理层接口接口标准。而物理准。而物理层接口一般指接口一般指DTEDTE与与DCEDCE的界面。的界面。DTEDTE指数据指数据电路路终端端设备。DTEDTE需要通需要通过DCEDCE（如（如调制解制解调器）才能与网器）才能与网络相相连。因此本。因此本节讨论物理物理层DTE/DCEDTE/DCE接口接口标准。通准。通过讨论得得到广泛到广泛应用的用的V.24V.24接口接口标准，从而更好地理准，从而更好地理解物理解物理层的作用与特性。的作用与特性。 通常通常说的的V.24V.24接口接口标准准实际上包括了一上包括了一套套标准。准。 机械的：机械的：ISO 2110ISO 2110 电气的：气的：V.28V.28 功能的：功能的：V.24V.24 过程的：程的：V.24V.247.2.2 机械特性机械特性7.2.3 电气特性电气特性7.2.4 功能特性功能特性7.2.5 过程特性过程特性7.3 HDLC 7.3 HDLC 数据链路控制协议数据链路控制协议7.3.1 基本概念基本概念 HDLCHDLC定义了三种类型站点、两种链路设定义了三种类型站点、两种链路设置以及三种数据传送操作模式。置以及三种数据传送操作模式。 主站：负责控制链路操作。发出命令帧，主站：负责控制链路操作。发出命令帧，接收应答帧。接收应答帧。 从站：在主站的控制下操作，发出应答从站：在主站的控制下操作，发出应答帧，接收命令帧，并配合主站参与对链路的帧，接收命令帧，并配合主站参与对链路的控制。控制。 组合站：混合了主站和从站的特点，既组合站：混合了主站和从站的特点，既能发出命令帧和应答帧，也能接收命令帧和能发出命令帧和应答帧，也能接收命令帧和应答帧。应答帧。7.3.2 帧结构帧结构 在在HDLCHDLC中，所有信息都由中，所有信息都由帧来承来承载，帧分分为三三类：信息：信息帧(I(I帧) )、监控控帧(S(S帧) )和无和无编号号帧(U(U帧) )。I I帧主要用于信息主要用于信息传送；送；S S帧主主要用于要用于链路路监控；而控；而U U帧用来提供附加的用来提供附加的链路控制功能。路控制功能。图图图图7-4 HDLC7-4 HDLC的的的的帧帧帧帧格式格式格式格式1. 地址域地址域(A)2. 控制域（控制域（C）3. 信息域（信息域（I）4. 帧校验序列域帧校验序列域(FCS)5.标志序列（标志序列（F）7.3.3 控制域（控制域（C）格式和参数）格式和参数7.3.4 操作过程操作过程 HDLCHDLC的操作涉及了三个的操作涉及了三个阶段。首先，双段。首先，双方中有一方要初始化数据方中有一方要初始化数据链路，使得路，使得帧能能够以有序的方式以有序的方式进行交行交换。在。在这个个阶段中，双段中，双方需要就各种方需要就各种选项的使用达成一致。初始化的使用达成一致。初始化之后，双方交之后，双方交换用用户数据和控制信息，并且数据和控制信息，并且实施流量和差施流量和差错控制。最后，双方中有一方控制。最后，双方中有一方要要发出信号来中止操作。出信号来中止操作。1. 初始化初始化2. 数据传送数据传送3. 拆链拆链7.4 ITU-T X.257.4 ITU-T X.25标准中的分组层协议标准中的分组层协议7.4.1 X.25的层次的层次图图图图7-5 X.257-5 X.25接口接口接口接口 X.25X.25标准定准定义了物理了物理层、链路路层、分、分组层共共3 3层功能功能1. 分组层功能分组层功能7.4.2 X.25的分组层协议的分组层协议 分分组层的主要功能如下。的主要功能如下。 （1 1）为每个用每个用户呼叫（包括虚呼叫和呼叫（包括虚呼叫和永久虚永久虚电路）指定数据路）指定数据终端和网内端和网内设备的的逻辑信道号，从而建立和拆除虚信道号，从而建立和拆除虚电路？使用路？使用户信息数据在虚信息数据在虚电路上路上进行行传送。送。 （2 2）在分）在分组级进行通信流量控制。行通信流量控制。 （3 3）检测和恢复分和恢复分组层的差的差错。2. 分组类型分组类型 （1 1）呼叫建立分）呼叫建立分组：用于在两个：用于在两个DTEDTE之之间建立交建立交换虚虚电路。路。 这类分分组有：呼叫有：呼叫请求分求分组、呼入分、呼入分组、呼叫接受分、呼叫接受分组和呼叫和呼叫连通分通分组。 （2 2）数据）数据传输分分组：用于在两个：用于在两个DTEDTE之之间实现数据数据传输。这类分分组有：数据分有：数据分组、流量控制分流量控制分组、中断分、中断分组和在和在线登登记分分组。 （3 3）恢复分）恢复分组：实现分分组层的差的差错恢恢复，包括复位分复，包括复位分组、再启、再启动分分组和和诊断分断分组。 （4 4）呼叫）呼叫释放分放分组：用于在两个：用于在两个DTEDTE之之间断开虚断开虚电路。包括呼叫路。包括呼叫释放放请求分求分组、释放指示分放指示分组释放接受分放接受分组和和释放确放确认分分组。3.基本分组头基本分组头4.虚呼叫的建立与释放以及数据通信虚呼叫的建立与释放以及数据通信表表表表7-8 7-8 呼叫呼叫呼叫呼叫请请请请求分求分求分求分组组组组格式格式格式格式7.5 TCP/IP7.5 TCP/IP通信体系结构通信体系结构 TCP/IPTCP/IP的正式名称是的正式名称是TCP/IPTCP/IP互互联联网网协议协议族，一般称族，一般称为为TCP/IP TCP/IP （Transmission Transmission Control Protocol/Internet Control Protocol/Internet ProtocolProtocol）。）。TCP/IPTCP/IP通信体系通信体系结结构是开放的体系构是开放的体系结结构，多构，多个不同厂家生个不同厂家生产产各种型号的各种型号的计计算机，它算机，它们们运运行着不同的操作系行着不同的操作系统统，TCP/IPTCP/IP允允计计它它们们互相互相之之间进间进行通信。使用行通信。使用TCP/IPTCP/IP也可以在任何相也可以在任何相互互连连接的一系列网接的一系列网络络之之间进间进行通信行通信。7.5.1 TCP/IP模型模型 TCP/IPTCP/IP模型一般模型一般认为由由5 5层构成：独立构成：独立网网络层、网、网络接口接口层、网、网际层、运、运输层和和应用用层。图图图图7-10 TCP/IP 7-10 TCP/IP 分分分分层层层层模型模型模型模型1. 目前状况目前状况7.5.2 TCP/IP模型与模型与OSI标准模型的比较标准模型的比较 （1 1）TCP/IPTCP/IP在在OSIOSI对相相应协议进行行标准准化的化的1010年前就已年前就已经有了定有了定义，之后被广泛，之后被广泛应用。因此，用。因此，8080年代的一些公司因急需使用某年代的一些公司因急需使用某种种标准而面准而面临如下的如下的选择，是，是继续等待具有等待具有光明前途但却从来没有真正完成的光明前途但却从来没有真正完成的OSIOSI软件件包，包，还是使用随是使用随时可以使用的可以使用的TCP/IPTCP/IP协议族。族。人人们选择使用了使用了TCP/IPTCP/IP，一旦作出了，一旦作出了这样的的决定，那么要从决定，那么要从现存的基存的基础上上进行移植就要行移植就要在在费用和技用和技术方面冒方面冒险，这就抑制了就抑制了OSIOSI的的使用。使用。 （2 2） TCP/IPTCP/IP是随是随UNIXUNIX操作系操作系统配套配套发行的网行的网络协议。 （3 3） InternetInternet是在是在TCP/IPTCP/IP的基的基础上建上建立的。立的。 2. 主要差别主要差别 TCP/IPTCP/IP分分层模型是在模型是在OSIOSI之前之前发展而来展而来的。因此它的的。因此它的5 5层分分层模型中的模型中的层次概念与次概念与OSIOSI模型中的模型中的层次概念并不完全匹配。次概念并不完全匹配。7.6 IP 7.6 IP 在在TCP/IPTCP/IP中，中，IPIP是最主要的第是最主要的第3 3层协议，它是网它是网际协议（Internet ProtocolInternet Protocol）英文首）英文首字母的字母的缩写。写。 IPIP提供了三个重要的定提供了三个重要的定义。第一，。第一，IPIP定定义了在整个了在整个TCP/IPTCP/IP互互联网上数据网上数据传输所用的所用的基本分基本分组单元及其格式；第二，元及其格式；第二，IPIP软件完成件完成选择一个分一个分组发送的最初路径；第三，送的最初路径；第三，IPIP还包括了一包括了一组体体现不可靠和无不可靠和无连接的分接的分组交付交付思路的思路的规则：每个分：每个分组都将独立都将独立传输；它；它们可能通可能通过不同的路径不同的路径传输，因此有可能在到，因此有可能在到达目的地的达目的地的时候次序候次序发生生颠倒；倒； IPIP不追踪不追踪传输路径，因而也没有任何机路径，因而也没有任何机制来制来进行重新排序；行重新排序；这些些规则还指明了主机指明了主机和路由器和路由器应该如何如何处理分理分组、何、何时及如何及如何发出出错误信息以及在什么情况下可以放弃分信息以及在什么情况下可以放弃分组；IPIP将尽最大的努力使将尽最大的努力使传输能能够到达目到达目标，但，但并不提供任何保并不提供任何保证。 7.6.1 IPv4分组格式分组格式图图图图7-11 IPv47-11 IPv4分分分分组组组组格式格式格式格式7.6.2 IPv4寻址方式寻址方式 IPv4IPv4的的3232位地址位地址简称称为IPIP地址。地址。IPIP地址地址类似于似于电话网中的网中的电话号号码，IPIP地址并不是地址并不是直接与主机或网直接与主机或网络设备一一一一对应的，它是与的，它是与主机或网主机或网络设备上的网上的网络接口一一接口一一对应的。的。 IPIP协议的的寻址方式支持址方式支持5 5种不同的网种不同的网络类型，地址格式的最左型，地址格式的最左边的一个或多个二的一个或多个二进制数用来指定网制数用来指定网络类型。型。1. A类网络地址类网络地址2. B类网络地址类网络地址3. C类网络地址类网络地址4. D类网络地址类网络地址5. E类网络地址类网络地址6. IP子网子网 最初网最初网络的形成，一般是由某的形成，一般是由某组织或公或公司司为了了实现具体目的而具体目的而设计的，的，组织或企或企业会会选择适合通信需要和适合通信需要和预算的硬件技算的硬件技术从而从而形成各自的物理网形成各自的物理网络。而互。而互联网就是要把网就是要把这些物理网些物理网络连接到一起接到一起实现信息共享。从上信息共享。从上面面IPIP地址的划分来看，地址的划分来看，A A类和和B B类地址地址为主机主机分配了太多的空分配了太多的空间，可分，可分别容容纳的主机数分的主机数分别为2 22424-2-2和和2 21616-2-2（全（全0 0或全或全1 1的主机号无效）。的主机号无效）。 事事实上，在上，在1 1个物理网个物理网络中，一般最多中，一般最多有几千台主机。因此有几千台主机。因此1 1个个A A类或或B B类地址只安地址只安排排给一个物理网一个物理网络会浪会浪费大量的网大量的网络地址。地址。这样，子网，子网编址技址技术就就应时而生了。而生了。表表表表7-14 7-14 子网子网子网子网编编编编址址址址举举举举例例例例 7.6.3 IPv4路由选择路由选择 路由器内存或者被配置路由器内存或者被配置为网关的主机内网关的主机内存中有路由表。当收到一份分存中有路由表。当收到一份分组并并进行行发送送时，它都要搜索，它都要搜索该表一次。当分表一次。当分组来自某个来自某个网网络接口接口时，IPIP首先首先检查目的目的IPIP地址是否地址是否为本机的本机的IPIP地址之一或者地址之一或者IPIP广播地址。如果是，广播地址。如果是，分分组就被就被传送到由送到由IPIP分分组头协议字段所指定字段所指定的的协议模模块进行行处理。如果不是，那么如果理。如果不是，那么如果IPIP层被被设置置为路由器的功能，就路由器的功能，就对分分组进行行转发；否；否则，分，分组被被丢弃。弃。 路由表中的每一表路由表中的每一表项都包含以下信息。都包含以下信息。 目的目的IPIP地址。它既可以是地址。它既可以是1 1个完整的主个完整的主机机IPIP地址、也可以是地址、也可以是1 1个网个网络IPIP地址。地址。 下一跳下一跳( (或下一站或下一站) )路由器的路由器的IPIP地址，或地址，或者有直接者有直接连接的网接的网络IPIP地址。下一跳路由器地址。下一跳路由器是指一个在直接相是指一个在直接相连网网络上的路由器，通上的路由器，通过它可以它可以转发分分组。 标志。其中一个志。其中一个标志指明路由的志指明路由的IPIP地地址是网址是网络地址地址还是主机地址，另一个是主机地址，另一个标志指志指明下一跳路由器是否明下一跳路由器是否为真正的下一跳路由器真正的下一跳路由器还是一个直接相是一个直接相连的接口。的接口。 为分分组的的传输指定一个网指定一个网络接口。接口。 IPIP路由路由选择主要完成以下主要完成以下这些功能。些功能。 （1 1）搜索路由表，）搜索路由表，寻找能与目的找能与目的IPIP地址地址完全匹配的表完全匹配的表项。如果找到，。如果找到，则把分把分组发送送给该表表项指定的下一跳路由器或直接指定的下一跳路由器或直接连接的接的网网络接口。接口。 （2 2）搜索路由表，）搜索路由表，寻找能与目的网找能与目的网络地址相匹配的表地址相匹配的表项。如果找到，。如果找到，则把分把分组发送送给该表表项指定的下一跳路由器或直接指定的下一跳路由器或直接连接接的网的网络接口。目的网接口。目的网络上的所有主机都可以上的所有主机都可以通通过这个表个表项来来处理。理。这种搜索网种搜索网络的匹配的匹配方法必方法必须运用子网掩运用子网掩码再定位到目的主机。再定位到目的主机。 （3)3)搜索路由表，搜索路由表，寻找找标为“默默认(default)(default)”的表的表项。如果找到，。如果找到，则把分把分组发送送给该表表项指定的下一跳路由器。指定的下一跳路由器。 （4 4）都没有成功，）都没有成功，则宣布宣布选路路错误。 7.6.4 IPv4分组的分片与重组分组的分片与重组7.6.5 下一代互联网的网际协议下一代互联网的网际协议IPv6 互互联网的网网的网络规模及模及业务的的剧增，暴露增，暴露了了现行的网行的网际协议IPv4IPv4存在很多不足，尤其存在很多不足，尤其是是IPv4IPv4地址短缺甚至地址空地址短缺甚至地址空间将要耗尽的将要耗尽的问题。 为了克服了克服IPv4IPv4的不足，的不足，IETFIETF早在早在19901990年年就开始了就开始了IPv4IPv4升升级协议的研究，的研究，19951995年年IETFIETF从几个最有希望的方案中从几个最有希望的方案中选择出最出最终方案并方案并正式正式发布布为IPv6IPv6，作，作为新一代互新一代互联网的网网的网际协议。近年来，。近年来，IPv6IPv6协议基本框架已逐步成基本框架已逐步成熟，并在广泛的范熟，并在广泛的范围内得到了内得到了实践和研究。践和研究。1. IPv6地址地址（1）地址类型）地址类型 IPv6IPv6分组的目的地址有如下三种基本类分组的目的地址有如下三种基本类型。型。 单播单播( (UnicastUnicast) )地址：标识结点的单个地址：标识结点的单个接口。发送给单播地址的分组将被传送到该接口。发送给单播地址的分组将被传送到该地址指向的接口。地址指向的接口。 组播播(Multicast)(Multicast)地址：地址：标识属于不同网属于不同网络结点的一点的一组接口。接口。发送送给组播地址的分播地址的分组将被将被传送到送到该地址所地址所标识的所有接口。的所有接口。 任播任播( (AnycastAnycast) )地址：地址：标识属于不同网属于不同网络结点的一点的一组接口。接口。发送送给任播地址的分任播地址的分组将被将被传送到送到该地址所地址所标识的某一最的某一最邻近的接近的接口。口。 （2）地址分配）地址分配 2. IPv6分组格式分组格式图图图图7-12 1Pv67-12 1Pv6分分分分组组组组的一般格式的一般格式的一般格式的一般格式3. 从从IPv4向向IPv6过渡过渡 下一代互下一代互联网的网网的网际协议IPv6IPv6解决了解决了IPv4IPv4地址空地址空间不足的不足的问题；提高了网；提高了网络的的处理效率；能理效率；能够更好的更好的处理流媒体理流媒体业务从而改从而改善善QoSQoS特性；同特性；同时在可在可扩展性、安全性等方展性、安全性等方面都明面都明显优于目前的于目前的IPv4IPv4协议。 但但IPv6IPv6与与IPv4IPv4并不兼容。由于在目前互并不兼容。由于在目前互联网中网中对IPv4IPv4设备进行了巨大投行了巨大投资，在短，在短时期内将期内将这些些设备更更换为IPv6IPv6设备是不可能的。是不可能的。因此，从因此，从IPv4IPv4发展到展到IPv6IPv6是一个共存是一个共存过渡、渡、渐进演化的工作。演化的工作。 (1) 双协议栈技术双协议栈技术(2) 隧道技术隧道技术7.7 TCP7.7 TCP传输控制协议（传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP） 提供了面向连接的数提供了面向连接的数据分组或数据流的可靠交付服务。据分组或数据流的可靠交付服务。TCP是是TCP/IP互联网协议族的一部分，但它是一个独立的十分流行的通用协议，互联网协议族的一部分，但它是一个独立的十分流行的通用协议，也适用于别的传输系统，例如它还可以在以太网之类的简单网络上运行。也适用于别的传输系统，例如它还可以在以太网之类的简单网络上运行。7.7.1 TCP 数据段结构数据段结构图图图图7-16 TCP7-16 TCP报报报报文段与文段与文段与文段与IPIP分分分分组组组组的封装的封装的封装的封装图图图图7-17 TCP7-17 TCP报报报报文段格式文段格式文段格式文段格式表表表表7-17 7-17 标标标标志字段的比特含志字段的比特含志字段的比特含志字段的比特含义义义义 图图图图7-18 TCP7-18 TCP伪伪伪伪首部格式首部格式首部格式首部格式7.7.2 TCP 连接连接 TCPTCP连接只与源接只与源IPIP地址、源地址、源TCPTCP端口号、端口号、目的目的IPIP地址和目的地址和目的TCPTCP端口号端口号这4 4个参数有关，个参数有关，即它只与两个端点系即它只与两个端点系统有关。有关。这样，TCPTCP连接与接与“虚虚电路路”连接是完全不同的，其接是完全不同的，其连接状接状态驻留在两个端点系留在两个端点系统中，因此中，因此TCPTCP连接接对传输分分组的中的中间网网络设备是毫无意是毫无意义的。下的。下面比面比较深入地深入地讨论如何建立和关如何建立和关闭一个一个TCPTCP连接。接。 第一步：源端第一步：源端TCPTCP首先向目的端首先向目的端TCPTCP发送送一个特殊的一个特殊的TCPTCP报文段。文段。该报文段不包含文段不包含应用用层数据，它将数据，它将该报文段首部中的文段首部中的SYNSYN标志志比特比特设置置为1 1，这个个报文段也被称文段也被称为SYN SYN 报文段。同文段。同时，源端，源端TCPTCP会会选择一个初始一个初始顺序序号号BFBF(isn_s)(isn_s)BFQBFQ，并将，并将这个个编号放到号放到初始的初始的SYNSYN报文段的序号字段中。文段的序号字段中。该报文段文段被封装到一个被封装到一个IPIP分分组中，并中，并发送送给目的主机。目的主机。 第二步：一旦装有第二步：一旦装有SYNSYN报文段的文段的IPIP分分组到达了目的主机到达了目的主机( (假假设它能到达它能到达) )，目的主机，目的主机将从将从该分分组中提取出中提取出SYNSYN报文段，文段，给该连接接分配分配TCPTCP缓冲区和冲区和变量，并向源端量，并向源端TCPTCP返回返回发送一个允送一个允许连接的接的报文段。文段。该报文段也不包文段也不包含任何含任何应用用层数据，但它的首部中装数据，但它的首部中装载着着3 3个关个关键信息。首先，信息。首先，SYNSYN被被设置置为1 1；其次，；其次，TCPTCP数据段首部的确数据段首部的确认字段被字段被设置置为isn_s+1isn_s+1；最后，服；最后，服务器器选择它自己的初始序号它自己的初始序号( (isn_disn_d) )并将并将该值放到放到TCPTCP报文段首部的序号文段首部的序号字段中。字段中。 这个允个允许连接数据段有效地接数据段有效地说明了明了“目目的主机已的主机已经接收到了要求开始接收到了要求开始连接的接的带有初有初始序号始序号为isn_sisn_s的的SYNSYN报文段并同意建立文段并同意建立该连接，目的端接，目的端TCPTCP报文段的初始序号文段的初始序号为isn_disn_d”。这个允个允许连接接报文段有文段有时被称被称为SYNACKSYNACK报文文段。段。 第三步第三步: :在接收到在接收到SYNACKSYNACK报文段之后，源文段之后，源端主机也会端主机也会给连接分配接分配缓冲区和冲区和变量，然后量，然后向目的主机向目的主机发送另外一个送另外一个报文段。文段。该报文段文段对目的主机的目的主机的SYNACKSYNACK报文段文段给出确出确认( (源端源端TCPTCP通通过将将值isn_d+1isn_d+1放入放入TCPTCP报文段首部的文段首部的确确认号字段中来完成号字段中来完成) )。此。此时TCPTCP连接已接已经建建立了，所以立了，所以SYNSYN被被设置置为0 0。 图图图图7-20 TCP7-20 TCP连连连连接的关接的关接的关接的关闭过闭过闭过闭过程程程程7.7.3 TCP 的可靠数据传输的可靠数据传输 TCPTCP通通过采用下列方法来提供数据采用下列方法来提供数据传输的可靠性。的可靠性。 应用数据被分割成用数据被分割成TCPTCP认为最适合最适合发送的送的报文段。尽量避免分文段。尽量避免分组在在传输过程中程中发生分片从而降低生分片从而降低错传的概率。的概率。 当当TCPTCP发出一个段后，它启出一个段后，它启动一个定一个定时器，等待目的端确器，等待目的端确认收到收到该报文段。如果文段。如果不能及不能及时收到一个确收到一个确认，将重，将重发这个个报文段。文段。如果如果还不能及不能及时收到确收到确认，TCPTCP将按照指数将按照指数增加的增加的时间规律重律重发此此报文段。文段。 在定在定时重重传之前，通之前，通过对收到重复收到重复确确认的的计数数设限可以根据特定算法限可以根据特定算法执行快速行快速重重传，在某些情况下，使，在某些情况下，使报文段重文段重传时间更更为合理。合理。 TCPTCP使用使用TCPTCP分分组头中的中的检验和，和，对数据在数据在传输过程中的任何程中的任何变化化进行端到端的行端到端的检验。如果收到段的。如果收到段的检验和有差和有差错，TCPTCP将将丢弃并不确弃并不确认收到收到该报文段，从而文段，从而为发送端送端提供重提供重发该段的依据。段的依据。 既然既然IPIP分分组会会发生重复，生重复，TCPTCP的接收的接收端必端必须丢弃重复的分弃重复的分组。 TCPTCP报文段封装文段封装进入入IPIP分分组传输，而，而IPIP分分组可能会失序的到达，因此接收到的可能会失序的到达，因此接收到的TCPTCP报文段也可能会失序。文段也可能会失序。TCPTCP对收到的收到的报文文段段进行重新排序，从而将收到的数据按照正行重新排序，从而将收到的数据按照正确的确的顺序交序交给应用用层。 TCPTCP能提供流量控制。能提供流量控制。TCPTCP连接的每接的每一端主机都有固定大小的接收一端主机都有固定大小的接收缓冲空冲空间，TCPTCP的接收端只允的接收端只允许另一端另一端发送接收端送接收端缓冲冲区所能接区所能接纳的数据，的数据，这将防止将防止较快主机致使快主机致使较慢主机的接收慢主机的接收缓冲区溢出。冲区溢出。 TCPTCP还能提供能提供拥塞控制。分塞控制。分组在网在网络中中传输时，网，网络设备如路由器都有固定大小如路由器都有固定大小的接收的接收缓冲空冲空间，主机，主机发送送较快会快会导致路由致路由器的器的缓冲区溢出。冲区溢出。TCPTCP可以根据下一站的反可以根据下一站的反馈信息，采取点到点的信息，采取点到点的拥塞控制方式，自适塞控制方式，自适应调整主机的数据整主机的数据发送速度，尽量降低路由送速度，尽量降低路由器器缓冲区冲区发生溢出的概率。生溢出的概率。