《数据通信与计算机网络（第二版）》
电子教案
笫二十讲
运输服务和运输协议
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本讲内容
第八章 运输层
运输服务和服务质量
运输服务
服务质量
运输协议机制
寻址
A型网络服务上的运输协议
B型网络服务上的运输协议
C型网络服务上的运输协议
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运输层
• 运输层是OSI模型的第四层，它承上启下，
是整个网络协议体系的核心。
• 运输层的主要职能是在源计算机到目的计
算机之间提供可靠的、经济的数据传送服
务。服务是由运输实体（运输服务提供者）
来完成的，它使用网络层提供的服务，独
立于所使用的物理网络。
• 使用运输服务的实体可以是会话实体，也
可以直接是应用实体（运输服务用户、TS
用户）。
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运输层
• 运输实体
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运输服务
• 和网络层相似，运输层也提供两种类型的
服务。
– 面向连接的运输服务是一种可靠的服务，整个
连接生存期包括连接建立、数据传输和连接释
放三个阶段。
– 无连接的运输服务是一种不可靠的、高效的服
务，整个服务期间不需要建立连接。
• 为什么还需要运输服务？
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运输服务
• 运输层通过运输服务原语向运输用户提供服务。
– 如Unix的Socket、Windows的Winsock。
阶段 服务 原语 参数
连
接
建
立
建
立
连
接
被呼地址，主呼地址，选项，服务质量，TS用户数据
被呼地址，主呼地址，选项，服务质量，TS用户数据
响应地址，选项，服务质量，TS用户数据
响应地址，选项，服务质量，TS用户数据
数
据
传
输
常
规
数
据
TS用户数据
TS用户数据
加
速
数
据
TS用户数据
TS用户数据
连
接
释
放
释
放
连
接
TS用户数据
连接释放原因，TS用户数据
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服务质量
• 服务质量（Quality of Service，QoS）
– QoS衡量运输层的总体性能。
• 为满足运输层QoS，运输层需要弥补网络
层服务质量的缺陷。
– 如果网络层服务质量比较高，那么运输层实现
比较简单；
– 如果网络层服务质量比较低，那么运输层实现
比较复杂。
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服务质量
• 服务质量参数
– 连接建立延迟
– 连接建立失败概率
– 吞吐量
– 残留差错率
– 传输延迟
– 保护性
– 优先权
– 回弹率
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服务质量
• QoS协商（选项协商）
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运输协议机制
• 运输协议数据单元（Transport Protocol
Data Unit，TPDU）
TPDU 含 义
CR 运输连接请求，要求与对等运输实体建立运输连接
CC 确认，对CR TPDU的确认
DR 释放请求，要求释放与对等运输实体之间的运输连接
DC 确认，对DR TPDU的确认
DT，DATA 数据，一个运输实体向对等运输实体发送用户数据
AK，ACK 确认，对数据TPDU的认可
REJ，REJECT 拒绝，对数据TPDU拒绝接受
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运输协议机制
• 根据与用户要求的差错行为有关的质量对网
络服务分类：
– A型网络服务
具有可接受的残留差错率和可接受的被告知的差错率的
网络连接，也就是完美的网络服务。
– B型网络服务
具有可接受的残留差错率和不可接受的、被告知的差错
率的网络连接，即完美的分组递交，但若有故障发生时，
网络层则通过相应的网络服务报告该故障的发生。
– C型网络服务
具有不可接受的残留差错率的网络连接，即网络连接不
可靠，可能丢失（或有重复）分组。
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寻址
• 运输层寻址：运输服务访问点（Transport
Service Access Point，TSAP）。
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寻址
• 相对于TSAP，网络层寻址为网络服务访问
点 （ Network Service Access Point，
NSAP）。
• TCP/IP协议中
– TSAP即TCP为端口号（port number）
– NSAP即IP地址
– NSAP（IP地址）和TSAP（TCP端口号）的结
合唯一地标识了一个主机上的一个应用进程。
• 寻址例：一个时间服务进程
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A型网络服务上的运输协议
• A型网络提供可靠的网络服务，其上的运输
协议比较简单。
• A型网络服务可分为三种情况：
– 可靠、顺序、信息长度任意的网络服务
– 可靠、无序、信息长度任意的网络服务
– 可靠、无序、信息长度不能超过最大长度的网
络服务
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• 可靠的顺序网络服务
– 可接受任意长的信息
– 百分之百地可靠
– 按顺序传递数据到目的地
– 讨论3个问题
• 复用
• 流量控制
• 连接建立和终止
A型网络服务上的运输协议
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• 复用
– 运输协议实现对运输服务用户的复用：多个用
户使用同一个运输协议，它们通过TSAP加以
区分。
– 对于网络服务而言，运输实体也实现复用：
• 多条运输连接复用一条网络连接；
• 一条运输连接可以使用多条网络连接。
– 对应有2种复用
• 向上复用：复用/解复用
• 向下复用：分流/合流
A型网络服务上的运输协议
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A型网络服务上的运输协议
• 2种类型的流量控制
– 层内流控（对等流控）：指同一层内的实体之
间的流量控制。
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A型网络服务上的运输协议
– 层间流控：指不同层实体之间的流控。
• 一层实体向另一层实体发出信息时必须得到该实体
的同意，从而实现这两个层次之间的流量控制。
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• 对等流控的目的是为了限制数据（TPDU）
的发送速度，因为：
– 接收方用户可能跟不上数据流。
– 接收方运输实体可能跟不上TPDU流。
• 运输实体通过缓冲区实现对等流控的几种
措施：
1. 接收运输实体什么都不做。
2. 用网络服务来完成。
3. 滑动窗口机制
4. 信用量方案
A型网络服务上的运输协议
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• 信用量方案
– 方案的基本组成部分有：发送窗口与接收窗口，
每个窗口又有上缘和下缘。
• 对发送窗口，建立连接后，下缘置为0，上缘是对等
运输实体给出的信用量，发送一个TPDU后，下缘
加1，上缘通过AK TPDU调整，上缘和下缘之间的
差即是可发送的TPDU数，当上缘和下缘重合时不
能发送TPDU；
• 对接收窗口，初始时下缘置为0，确认后作调整，上
缘是对等实体的信用量，上缘和下缘之差表示可接
收的TPDU数，发信用量后调整。
A型网络服务上的运输协议
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A型网络服务上的运输协议
– 信用量方案例
• TPDU的确认和流量控制是分开的。
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• 连接建立
A型网络服务上的运输协议
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• 连接释放
A型网络服务上的运输协议
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• 可靠无序网络服务
– 网络服务百分之百可靠
– 数据长度为任意
– 但可能有失序情况发生
– 讨论1个问题：对于这种网络服务，为什么必
须使用序号来标明各TPDU之间的关系？
• 流控中的问题
• 连接建立中的问题
A型网络服务上的运输协议
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• 无序网络服务流控中的问题
A型网络服务上的运输协议
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A型网络服务上的运输协议
• 无序网络服务连接建立中的问题
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• 可靠有限长网络服务
– 网络服务不能接受任意长数据，即TPDU长度
不能超过某一最大值。
– 如果用户要求发送的数据块超过最大值，那么
必须把数据分割成较小的段，然后一段一段发
送，接收方再把这些段拼接成块，然后再交给
用户。
• 需要有一个块结束标志EOT，运输实体收到带有
EOT的DT TPDU后，把前面收到的没有EOT的DT
TPDU顺序拼接在一起交给用户。
A型网络服务上的运输协议
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B型网络服务上的运输协议
• B型网络服务：数据传输可靠（但可能不按
顺序），但可能有网络故障。
• 在任何情况下，运输实体必须能从数据丢
失或网络连接断开中得到恢复。序号是一
种有效的手段。
• 序号也是一种处理网络故障的有效手段。
– 网络连接复位
– 网络连接断开
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C型网络服务上的运输协议
• C型网络
– 网络服务不可靠，不仅有数据丢失、失序，而
且有网络复位、连接断开等。
– 相应的运输实体是最复杂和最困难的。
– 讨论6个问题
• 重传策略
• 重复检测
• 流量控制
• 连接建立
• 连接释放
• 崩溃恢复
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• 重传策略
– 需要重传的两种情况
• TPDU信息被破坏，但能到达目的运输实体；
• TPDU没有到达目的地。
– 使用确认-超时方法检测是否出现需要重传的情
况。
• 接收运输实体确认每个成功的TPDU 。
• 使用重传计时器判断超时。
C型网络服务上的运输协议
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– 如何设置合适的重传计时器值？
• 计时器值固定
• 基于观察值
– 运输层部分重要计时器
计时器 说明
重传计时器T1 重发一个未确认的TPDU
重建连接计时器 在同一对用户之间从释放连接到建立另一条连接间的最
小时间
窗口计时器 AK TPDU间的最大时间
重发CR计时器 重发CR TPDU的时间
保持计时器TR 收不到确认而终止连接的时间
不活动计时器I 收不到TPDU而终止连接的时间
C型网络服务上的运输协议
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• 重复检测
– 三种可能产生重复的情况
– 可以用序号来识别重复，但处理起来并不很容
易。
– 分两种情况对待：
• 在连接释放前收到重复TPDU。
• 在连接释放后收到重复TPDU。
C型网络服务上的运输协议
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• 对于连接释放前收到重复TPDU，需注意两种情况：
– 可能多个AK TPDU确认同一个DT TPDU；
– 在TPDU生存期内发生序号循环。
C型网络服务上的运输协议
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• 对于连接释放后的重复问题就比较难处理，特别
是连接释放后在同一对运输实体之间又建立一条
新的连接时更易产生问题。
• 解决办法：
– 序号跨越连接
• 下一条连接的序号从上一条连接的最后一个序号（加1）开始，
运输实体在建立连接时，把这个序号传送到对等运输实体。
– 使用连接标识符
• 每个TPDU都有这个标识符，每建立一条连接就产生一个以前
没有用过的连接标识符，当收到TPDU时，可以检查这个
TPDU是否为当前运输连接的。
C型网络服务上的运输协议
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– 如何解决当系统崩溃时无法知道序号或连接标
识符的问题？
• 引入生存期的概念：每个TPDU在通信子网中停留
时间不能超过生存期。
• 可用的技术
– 受限制的子网设计。
– 每个TPDU设置一个站计数器。
– 每个TPDU加上时间信息。
C型网络服务上的运输协议
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• 流量控制
– 使用修改过的信用量流控方案
• 以（AK N，CREDIT M）表示一个AK TPDU确认了
N（及以前的）DT TPDU，并且给出新的信用量值
M，允许发送运输实体发送N+1到N+M的DT TPDU。
这种机制是很有力的，能满足各种确认和信用量指
示的要求。
– 解决其中潜在的死锁
• 引入一个窗口计时器
• 对AK TPDU作出确认
C型网络服务上的运输协议
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• 连接建立
– C型网络中TPDU可能丢失或被延迟，导致两
次握手连接建立失败。
C型网络服务上的运输协议
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– 因此使用三次握手（Three-Way Handshake）方法建
立连接。
a) 正常
b) CR延迟
C型网络服务上的运输协议
运输实体A 运输实体B
CR X
CC Y,X
DT X,Y
A发起连接建立
B 接受
A 确认并发数据
旧的 CR X
CC Y,X
REJ Y
旧的CR X 到达B
B接受
A拒绝B的连接
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c) CC延迟
d) CR,DT 延迟
C型网络服务上的运输协议
CR X 旧的C
C Z,W
REJ Z CC Y
,X
DT X,Y
A发起连接建立
旧的CC到达A
A拒绝该CC
B接受
A接受正常的CC并发数据
旧的CR X
旧的DT X,WCC Y
,X
REJ Y
旧的CR到达B
B接受
旧的DT到达B
A拒绝
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• 连接释放
– 使用三次握手及计时器超时方法释放连接。
C型网络服务上的运输协议
a) 正常情况
DR
DR启动时钟
DC
停止钟
DC 启动时钟
ACK
删除连接
ACK
停止钟，删除连接
DR
DR启动时钟
DC
停止钟
DC 启动时钟
ACK
删除连接
超时，删除连接
…
…
丢失
b) ACK丢失
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C型网络服务上的运输协议
c) DC丢失 d) DC丢失及以后的每个DR均丢失
DR
启动时钟
DC
删除连接
DR
DR启动时钟
DC
启动时钟
DR
丢失
DR
超时，DR
ACK
停时钟，删除连接
停止钟
启动时钟
DC
启动时钟
DC
ACK
丢失
超时，DR
丢失
超时，删除连接
…
…
几次超时后，
删除连接
…
…
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• 崩溃恢复
– 当一个系统发生崩溃而又重新启动后，会形成
半开通状态。
– 清除半开通连接的一种方法
• 引入一个计时器，在一定的时间内若没有收到
TPDU，就发送一个“伪”TPDU（也称探测TPDU），
等待确认。
• 一旦由于某种原因而使一方处于不活动状态，另一
方就会收不到确认，连续若干次收不到确认即自动
释放连接。
C型网络服务上的运输协议
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练习题
运输层提供哪两类运输服务？在TCP/IP中分别对
应哪两个协议机制？在实际的应用中，二者的侧
重面是什么？
对于有序的可靠网络访问，TPDU序号一定需要
吗？如果没有序号，可能会损失什么功能？
使用两次握手方法建立连接是否可能产生死锁，
请举例说明。
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