计算机网络技术基础课程课件设计传输层

计算机网络技术基础课程传输层-传输层负责在计算机网络中将数据可靠和有序地传递给应用程序它提供关键的端到端通信服务,确保数据正确无误地抵达目的地掌握传输层的工作原理和协议是理解计算机网络技术的基础传输层概述定义功能传输层负责将上层数据分段并进行可主要包括分段、重组、流量控制、差靠传输它提供了端到端的通信服错控制、端到端连接管理等务位置协议处于网络体系结构的第四层,位于网常见的传输层协议包括TCP和UDP,络层与应用层之间为上层应用提供不同的服务质量传输层协议和TCP UDP可靠连接（）TCPTCP提供面向连接的可靠数据传输服务，能保证数据不丢失且按序抵达无连接（）UDPUDP提供无连接的简单数据报服务，适用于对实时性要求高的应用报文段格式TCP和UDP使用不同的报文段格式来实现各自的功能连接管理TCP建立连接维护连接终止连接使用三次握手方式建立可靠的TCP连接客在连接期间双方交换数据包并及时确认通通过四次挥手有序地关闭TCP连接一方发户端发送SYN请求，服务端回复SYN-过保持活动探测报文可检测连接状态FIN请求关闭，对方回复ACK并等待一段时ACK，客户端最后发送ACK确认间后再发FIN可靠数据传输TCP序列号和确认1TCP使用序列号和确认信号来保证数据的可靠传输发送端将数据划分为段并附加序列号，接收端收到后发送确认信号重传机制2如果发送端未收到确认信号或收到重复的确认信号，则会重传相应的数据段这确保了数据的完整性差错校验3TCP在数据段中添加校验和，用于检测在传输过程中是否出现差错这有助于保证数据的正确性流量控制TCP响应速度1TCP动态调整发送速率以最大化网络带宽利用率吞吐量2TCP流量控制确保了数据传输的稳定性和可靠性空间buffer3TCP调节发送方和接收方之间的缓存容量TCP流量控制机制旨在动态地调整数据发送速率,以最大程度地利用网络带宽,同时确保数据传输的可靠性和稳定性它通过对发送方和接收方之间的缓存空间进行动态管理,协调双方的数据交换速度,避免缓存溢出或下溢拥塞控制TCP窗口调整1根据网络拥堵程度动态调整发送窗口慢启动2初始缓慢增加发送窗口拥塞避免3在拥塞未发生时稳步增加发送窗口快速恢复4迅速降低发送窗口以应对网络拥塞TCP拥塞控制机制通过动态调整发送窗口大小来有效应对网络拥塞它包括慢启动、拥塞避免、快速恢复等阶段系统地调整发送速率,可最大化网络吞吐量,提高TCP可靠传输性能特点和应用UDP特点应用场景UDP UDP用户数据报协议UDP是一种无连接的、非可靠的传输层协议它不UDP广泛应用于实时性要求高的场景,如视频会议、在线游戏、DNS提供数据包顺序保证、流量控制和重传机制,具有简单快速的特点等它适合于一次性数据传输,不需要建立连接和可靠性保证的应用面向连接的传输协议TCPTCP（Transmission ControlProtocol）是一种面向连接的可靠传输协议，它提供了一种端到端的数据流传输服务TCP通过建立和维护连接来保证数据能够正确和有序地传输，并且能够检测和纠正网络中出现的错误与UDP不同，TCP提供了更加可靠的数据传输机制，确保数据在传输过程中不会丢失或损坏TCP还提供了流量控制和拥塞控制机制，以适应网络环境的变化这些特性使得TCP成为互联网上最广泛使用的传输层协议之一报文段结构TCPTCP报文段由5个主要部分组成:固定报头、可选项、数据部分固定报头包含源端口号、目的端口号、序号、确认号、数据偏移、保留位、控制位、窗口大小、校验和和紧急指针可选项通常用来实现TCP的一些高级功能,如最大报文段长度、时间戳等数据部分包含实际传输的应用层数据连接建立和终止TCP握手建立1三次握手确立连接数据传输2在连接中双向传输数据连接终止3四次挥手安全关闭连接TCP连接建立采用三次握手机制,确保双方均准备就绪才开始传输数据连接建立后,双方可以双向传输数据当数据传输完成后,采用四次挥手机制来安全地关闭连接,避免数据丢失这种全过程确保了TCP传输的可靠性和安全性可靠数据传输机制TCP序号确认1每个数据段都有序号，接收端可确认收到的数据段重传机制2发送端监测接收端的确认信号，对丢失的数据段进行重传检验和验证3数据段带有校验和，接收端检验数据完整性顺序交付4接收端按序号顺序交付数据段，保证数据的有序性TCP通过序号确认、重传机制、检验和验证和顺序交付等措施实现可靠的数据传输发送端监测接收端的确认信号,对丢失的数据段进行重传,确保数据的完整性和有序性这种机制确保了TCP能可靠地传输数据,即使在网络环境不理想的情况下也能维持稳定的数据传输流量控制原理TCP接收窗口接收端通过调整接收窗口大小来控制发送端的发送速率,以免超出自身处理能力滑动窗口发送端维护一个滑动窗口,只有窗口内的报文段才能被发送,窗口大小动态调整累积确认接收端只需发送最新报文段的确认,发送端据此调整窗口大小和重发机制重传机制发送端设置重传定时器,在超时未收到确认时重发报文段,确保可靠传输拥塞控制算法TCP慢启动拥塞避免12TCP在连接建立初期以指数方式当接收端反馈拥塞信号时，TCP增加发送窗口大小，防止网络突线性增加发送窗口大小以渐进方然过载式占用网络资源快重传和快恢复拥塞控制算法34TCP通过快速检测和重传丢失分TCP使用AIMD算法动态调整发组，并快速恢复到合适的发送窗送窗口大小，有效避免网络拥口大小塞报文段结构UDP报文段格式报文段处理优势特点UDP UDPUDPUDP报文段由源端口号、目的端口号、长度UDP接收端根据目的端口号将报文段交付给UDP无需建立连接、无需维护状态信息、无和校验和四个字段组成它提供简单高效的数相应的应用进程报文段无需建立连接即可传流量控制和拥塞控制机制,可提供高效的数据传据传输服务输输服务特点及应用场景UDP无连接性尽力传输报文边界广播和多播UDP是无连接的传输层协议,不UDP不提供可靠性保证,但能够UDP保持数据包的边界完整性,UDP支持广播和多播传输,能够需要在发送和接收端建立连接,以更快的速度发送数据包,适用接收端能够准确地识别每个数据高效地向多个接收端同时发送数传输更为快捷于实时性要求较高的应用场景包,适用于需要保持报文边界的据,适用于视频直播等应用应用网络层与传输层的关系网络层提供路由和转发传输层提供端到端的通12信网络层负责将数据包从源传输到目的地，通过路由协议选择最优传输层为上层应用提供可靠或不路径可靠的数据传输服务，如TCP和UDP两层协调工作不同协议特点34网络层和传输层协同工作,为上层网络层IP协议提供无连接的数据应用提供端到端的数据通信服报服务,传输层TCP/UDP协议提务供端到端的服务传输层的服务质量可靠性时延确保数据准确无误地传输到目的地,并且最小化数据从发送到接收的延迟时间,保无丢失或重复证及时响应吞吐量优先级最大化单位时间内成功传输的数据量,满根据应用需求动态调整不同类型数据的传足高带宽应用需求输优先级传输层与应用层的关系应用层协议传输层服务应用层协议定义了应用程序之间的通信语义和格式，如HTTP、传输层提供可靠的端到端数据传输服务，如确保数据的完整性和顺FTP、SMTP等序性协议无关性协同设计应用层协议可基于不同的传输层协议（如TCP、UDP）运行，选择应用层和传输层需协同设计，以满足不同应用程序的性能和可靠性灵活需求传输层协议的发展历程早期发展1在计算机网络的起步阶段,传输层协议主要包括基于电路交换的用户数据报协议UDP和面向连接的传输控制协议TCP标准化与修订2随着网络技术的不断发展,TCP/IP协议族不断修订和完善,相关标准也不断制定,如TCP的快速重传、选择确认等技术新兴需求3随着移动互联网、物联网等新兴应用的兴起,传输层协议也开始面临新的挑战,需要进一步优化以适应不同场景的优缺点分析TCP可靠性流量控制连接管理TCP提供了可靠的数据传输服务,能够确保数据TCP实现了有效的流量控制,可以根据网络状况TCP提供了复杂的连接建立和终止机制,保证了完整性,适用于对数据准确性要求高的应用调整发送速率,避免网络拥塞数据传输的正确性的优缺点分析UDP优点缺点•简单快速，无需建立连接和维护状态信息•不可靠，数据包可能丢失、重复或乱序到达•开销小，适合实时应用如视频会议和在线游戏•没有拥塞控制机制，可能导致网络拥塞•支持一对多和多对多的数据传输•不适合要求高可靠性的应用，如文件传输•可以有效利用网络带宽，提高传输效率•无法提供端到端的流量控制和协议的选择TCP UDP可靠性时延敏感性TCP提供面向连接的可靠传输,而UDP是不可靠的数据报服务对UDP的无连接特性使其时延更低,适合对实时性要求高的应用,如视于需要高可靠性的应用,应选择TCP频会议和在线游戏数据包大小复杂性TCP有更多的头部开销,适合传输大文件,而UDP更适合传输小数据TCP需要进行连接建立和拆除,以及重传机制,相对更复杂UDP简包,如DNS查询单易用,适合对复杂性敏感的应用传输层的安全问题窃听和篡改拒绝服务12传输层数据容易遭受窃听和篡改TCP/UDP容易遭受SYN洪水、攻击,需要采取加密和认证措施UDP反射攻击等拒绝服务攻击,需要部署防御机制连接劫持回放攻击34传输层连接容易被劫持,需要加强重放之前的报文可能导致安全问连接管理和身份验证机制题,需要加入序列号等机制防范传输层协议性能分析延迟TCP连接建立和终止过程需要时间,而UDP没有连接建立过程,延迟更低可靠性TCP提供可靠的数据传输,能够检测丢失和重传,而UDP不提供这些功能吞吐量TCP通过流量控制和拥塞控制限制传输速度,而UDP不受这些限制,吞吐量更高资源开销TCP需要维护连接状态和缓存数据,开销更大,而UDP的开销较小传输层协议优化技术拥塞控制优化流量整形网络编码通过动态调整拥塞窗口大小和超时重传机制来使用流量整形算法控制数据传输速率,避免网络利用网络编码技术在网络节点对数据进行编码优化传输性能,减少丢包率和延迟拥塞并保证服务质量和重组,提高传输效率和可靠性传输层在云计算中的应用云基础设施负载均衡传输层协议在云计算环境中提供可靠的网传输层协议支持云端应用的水平扩展和负络连接和数据传输载均衡虚拟网络数据传输安全传输层协议支撑云计算的虚拟网络技术，传输层协议提供端到端的数据加密和安全实现资源池化和按需分配传输功能传输层在移动互联网中的应用移动设备优化跨网络接续针对移动设备的能耗、带宽限制和网络不稳定性,传输层协议需要进移动互联网场景下,设备可能在不同网络间切换,传输层需要提供无缝行特殊优化,如TCP的移动优化、UDP的无连接特性等的网络切换和数据传输机制移动端安全实时性需求移动设备面临更多安全风险,传输层需要提供可靠的加密和身份认证移动互联网应用对实时性和低延迟有更高要求,传输层需要针对不同机制来保护数据传输安全场景提供优化的服务质量传输层在物联网中的应用实时数据传输低功耗通信跨平台互操作安全性与可靠性物联网设备大多需要快速、可靠物联网设备大多受电池电量限物联网由各种厂商生产的异构设物联网涉及大量敏感数据传输,地传输数据,以支持实时监控和制,因此需要低功耗的传输协备组成,需要传输层协议提供跨需要传输层协议提供加密、认证控制传输层协议如TCP和议UDP作为无连接协议,比平台的互操作性TCP/IP协议等安全机制,并确保数据完整性UDP在物联网中发挥关键作用,TCP消耗更少的资源,在物联网栈作为事实标准,确保不同设备和可靠性TCP的重传机制在此确保数据在严苛的时间约束下及应用中较为普遍间可靠高效的数据交换发挥重要作用时送达传输层发展趋势及前景无处不在的互联网延迟优化技术125G、物联网和边缘计算的发展将支持实时、交互性应用的新型传使传输层协议在各种应用场景中输层协议将会出现,如QUIC协无处不在议安全和隐私保护智能化和自适应34传输层安全机制将更加重要,如端传输层协议将具备自动优化和自到端加密成为标配学习能力,提高网络性能。