詳細闡述數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^程

一、FTP客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)到FTP服務(wù)器端，詳述其工作過程。兩臺機器的連接情況如下圖所示：

詳細解答如下1.1、假設(shè)初始設(shè)置如下所示：客戶端FTP端口號為：32768服務(wù)器端FTP端口號為：21

1.2、不同網(wǎng)絡(luò)段上的兩臺計算機通過TCP/IP協(xié)議通訊的過程如下所示：協(xié)議是水平的，服務(wù)是垂直的。

物理層，指的是電信號的傳遞方式，透明的傳輸比特流。鏈路層，在兩個相鄰結(jié)點間的線路上無差錯地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信，數(shù)據(jù)傳送的單位是分組或包。傳輸層，負(fù)責(zé)主機中兩個進程之間的通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆笪亩?。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)點到點（point-to-point）的傳輸（這里的“點”指主機或路由器），而傳輸層負(fù)責(zé)端到端（end-to-end）的傳輸（這里的“端”指源主機和目的主機）。

1.3、數(shù)據(jù)包的封裝過程

不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段（segment），在網(wǎng)絡(luò)層叫做數(shù)據(jù)報（datagram），在鏈路層叫做幀（frame）。數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應(yīng)的首部，最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。兩臺計算機在不同的網(wǎng)段中，那么數(shù)據(jù)從一臺計算機到另一臺計算機傳輸過程中要經(jīng)過一個或多個路由器。1.4、工作過程（1）在PC1客戶端，將原始數(shù)據(jù)封裝成幀，然后通過物理鏈路發(fā)送給Switch1的端口1。形成的幀為：

注：發(fā)送方怎樣知道目的站是否和自己在同一個網(wǎng)絡(luò)段？每個IP地址都有網(wǎng)絡(luò)前綴，發(fā)送方只要將目的IP地址中的網(wǎng)絡(luò)前綴提取出來，與自己的網(wǎng)絡(luò)前綴比較，若匹配，則意味著數(shù)據(jù)報可以直接發(fā)送。也就是說比較二者的網(wǎng)絡(luò)號是否相同。本題中，PC1和PC2在兩個網(wǎng)絡(luò)段。（2）Switch1收到數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)幀進行校驗后，查看目的MAC地址，得知數(shù)據(jù)是要發(fā)送給PC2，所以Switch1就對數(shù)據(jù)幀進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，查看自己的MAC地址列表后，從端口2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由器的S0端口。（3）Router收到數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)進行校驗，然后對IP數(shù)據(jù)報進行分析，重新對數(shù)據(jù)進行封裝，查看路由表后，從S1端口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，此時得到新的數(shù)據(jù)幀如下：

注：目的IP和源IP地址不會被改的，改變的是MAC，路由器會把遠端的源MAC地址改成下一跳的MAC地址，然后就發(fā)送出去（4）Switch2接收到Router給它發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進行校驗后直接存儲轉(zhuǎn)發(fā)，查看自己的MAC地址列表后，將數(shù)據(jù)幀從端口1發(fā)送給PC2服務(wù)器端。（5）PC2服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)后，先進行校驗，然后進行拆分，得到TCP報文段，由此可以知道目的端口號是21，然后把數(shù)據(jù)交付給相應(yīng)的FTP應(yīng)用進程進行處理。
二、在數(shù)據(jù)的傳輸中會出現(xiàn)以下一些問題，該如何解決？1、針對數(shù)據(jù)鏈路層，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會出現(xiàn)差錯或者丟失的問題，也有兩端傳輸速度不同的問題，如何解決這些問題？答：首先我們假設(shè)主機A向主機B發(fā)送數(shù)據(jù)（1）差錯控制差錯控制方法分兩類，一類是自動請求重發(fā)ARQ，另一類是前向糾錯FEC，也叫前向糾錯碼(Forward Error Correction簡稱FEC)。 在ARQ方式中，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)差錯時，就設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā)，直到收到正確的碼字為止，ARQ方式只使用檢錯碼。在FEC方式中，接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯，而且能確定二進制碼元發(fā)生錯誤的位置，從而加以糾正，F(xiàn)EC方式必須使用糾錯碼。常用的糾錯碼有奇偶校驗碼、循環(huán)冗余碼和海明碼等例如：在數(shù)據(jù)幀中加上CRC，這樣主機B就可以檢驗所接收的數(shù)據(jù)是否有差錯，如果有差錯，那么主機B可以向主機A發(fā)送一個否認(rèn)幀NAK，以表示主機A應(yīng)當(dāng)重傳出現(xiàn)差錯的那個數(shù)據(jù)幀。（2）丟失的解決辦法超時重傳。如果主機A在發(fā)送完數(shù)據(jù)給主機B之后，若到了超時計時器所設(shè)置的重傳時間而還沒有收到主機B的任何確認(rèn)幀ACK，則主機A就重傳前面所發(fā)送的這一數(shù)據(jù)幀。（3）流量控制①假設(shè)主機A向主機B傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無差錯的，那么，最簡單的流量控制方法就是：發(fā)送方每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)就暫時停下來，接收方收到數(shù)據(jù)幀之后就交付給主機，然后發(fā)一信息給發(fā)送方，表示接收的任務(wù)已經(jīng)完成，這時，發(fā)送方再接著發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。在這種情況下，接收方的接收緩存的大小只要能夠裝得下一個數(shù)據(jù)幀即可。②滑動窗口：分別在發(fā)送端和接收端設(shè)置發(fā)送窗口和接收窗口發(fā)送窗口用來對發(fā)送端進行流量控制，為發(fā)送窗口的大小WT就是代表在還沒有收到對方確認(rèn)信息的情況下發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個數(shù)據(jù)幀。每收到對一個幀的確認(rèn)，發(fā)送窗口就向前滑動一個位置。由此也可以知道，第一種流量控制發(fā)法中，WT=1。在接收端設(shè)置接收窗口時為了控制可以接收哪些數(shù)據(jù)而不可以接收哪些數(shù)據(jù)，在接收端只有當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀收下。每收到一個序號正確的幀，接收窗口就向前滑動一個位置。
2、IP數(shù)據(jù)報有它的長度，而數(shù)據(jù)傳輸過程中，一些中間設(shè)備也有一個相關(guān)的設(shè)置MTU（最大傳輸單元），如果現(xiàn)在假設(shè)IP數(shù)據(jù)報的長度是5000字節(jié)，而MTU設(shè)置是1500字節(jié)，那么該怎么辦？答：解決的辦法是對IP數(shù)據(jù)報進行分片與重組。詳細過程如下：2.1、 IP v4數(shù)據(jù)報格式一個IP v4數(shù)據(jù)報由報頭和數(shù)據(jù)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)包括高層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而報頭是為了正確傳輸高層數(shù)據(jù)而增加的控制信息。報頭的前一部分是固定長度，共20字節(jié)，是所有IP數(shù)據(jù)報必須具有的。在報頭的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。下圖給出了IPv4數(shù)據(jù)報的格式義。

IP數(shù)據(jù)報的格式
2.2、不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的MTU值

一個路由器可能連接不同MTU的網(wǎng)絡(luò)，如下圖

2.3、IP數(shù)據(jù)報分片數(shù)據(jù)報分片時，每個分片前都要加上相應(yīng)的IP報頭，形成新的IP數(shù)據(jù)報，除包含一些分片控制域（如標(biāo)志、偏移量）外，分片的報頭和原IP數(shù)據(jù)報的報頭基本一樣。標(biāo)識符、標(biāo)志、偏移量3個字段在IP報頭中的作用是：標(biāo)識：占16bit，標(biāo)識數(shù)據(jù)報。當(dāng)數(shù)據(jù)報長度超出網(wǎng)絡(luò)最大傳輸單元（MTU）時，必須要進行分割，并且需要為分割段(fragment)提供標(biāo)識。所有屬于同一數(shù)據(jù)報的分割段被賦予相同的標(biāo)識值。標(biāo)志：占3bit，指出該數(shù)據(jù)報是否可分段。目前只有前兩個比特有意義。標(biāo)志字段中的最低位記為MF（More Fragment）。MF=1即表示后面“還有分片”的數(shù)據(jù)報。MF=0表這已是若干數(shù)據(jù)報片中的最后一個。標(biāo)志字段中間的一位記為DF（Don’t Fragment）。只有當(dāng)DF=0時才允許分片。片偏移：占13bit，若有分段時，用以指出該分段在數(shù)據(jù)報中的相對位置，也就是說，相對于用戶數(shù)據(jù)字段的起點，該片從何處開始。片偏移以8字節(jié)為偏移單位，即每個分片的長度一定是8字節(jié)（64Bit）的整數(shù)倍。
2.4、IP數(shù)據(jù)報重組在最終的目的主機上將接收到的所有分片進行重新組裝的過程就是IP數(shù)據(jù)報重組。這時要根據(jù)數(shù)據(jù)報的標(biāo)識、標(biāo)志、偏移量等字段將分段的各個IP數(shù)據(jù)報重新組裝成完整的原始數(shù)據(jù)報。
2.5本題的詳解過程數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分為5000字節(jié)長（使用固定首部），需要分片長度不超過1500字節(jié)的數(shù)據(jù)報片。因固定首部長度為20字節(jié)，因此每個數(shù)據(jù)報片的長度不能超過1480字節(jié)。于是分為4個數(shù)據(jù)報片，其數(shù)據(jù)報片的數(shù)據(jù)部分長度分別為1480字節(jié)、1480字節(jié)、1480字節(jié)和560字節(jié)。原始數(shù)據(jù)報首部被復(fù)制為各數(shù)據(jù)報片的首部，但必須修改有關(guān)字段的值。分片結(jié)果如下圖所示：

3、兩個主機的應(yīng)用進程，也會出現(xiàn)差錯和丟失，兩端的緩存也不同，如何控制流量？應(yīng)用進程如何與端口號進行匹配？答：因為運輸層提供的功能是應(yīng)用進程之間的邏輯通信，所以面向連接的傳輸控制協(xié)議TCP就保證了全雙工的可靠交付的服務(wù)。具體的有關(guān)差錯控制和流量控制如下面的詳細解釋：
3.1、運輸層為相互通信的應(yīng)用進程提供了邏輯通信，如下圖所示：

3.2、TCP發(fā)送報文段的示意圖如下：

3.3、TCP 的數(shù)據(jù)編號與確認(rèn)TCP 協(xié)議是面向字節(jié)的。TCP 將所要傳送的報文看成是字節(jié)組成的數(shù)據(jù)流，并使每一個字節(jié)對應(yīng)于一個序號。在連接建立時，雙方要商定初始序號。TCP 每次發(fā)送的報文段的首部中的序號字段數(shù)值表示該報文段中的數(shù)據(jù)部分的第一個字節(jié)的序號。TCP 的確認(rèn)是對接收到的數(shù)據(jù)的最高序號表示確認(rèn)。接收端返回的確認(rèn)號是已收到的數(shù)據(jù)的最高序號加 1。因此確認(rèn)號表示接收端期望下次收到的數(shù)據(jù)中的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號。
3.4、TCP 的流量控制與擁塞控制（1）滑動窗口（進行流量控制）TCP 采用大小可變的滑動窗口進行流量控制。窗口大小的單位是字節(jié)。在 TCP 報文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當(dāng)前給對方設(shè)置的發(fā)送窗口數(shù)值的上限。發(fā)送窗口在連接建立時由雙方商定。但在通信的過程中，接收端可根據(jù)自己的資源情況，隨時動態(tài)地調(diào)整對方的發(fā)送窗口上限值(可增大或減小)。

上圖（a）表示發(fā)送端要發(fā)送 900 字節(jié)長的數(shù)據(jù)，劃分為 9 個 100 字節(jié)長的報文段，而發(fā)送窗口確定為 500 字節(jié)。發(fā)送端只要收到了對方的確認(rèn)，發(fā)送窗口就可前移。發(fā)送 TCP 要維護一個指針。每發(fā)送一個報文段，指針就向前移動一個報文段的距離。上圖（b）表示發(fā)送端已發(fā)送了 400 字節(jié)的數(shù)據(jù)，但只收到對前 200 字節(jié)數(shù)據(jù)的確認(rèn)，同時窗口大小不變。現(xiàn)在發(fā)送端還可發(fā)送 300 字節(jié)。上圖（c）表示發(fā)送端收到了對方對前 400 字節(jié)數(shù)據(jù)的確認(rèn)，但對方通知發(fā)送端必須把窗口減小到 400 字節(jié)?，F(xiàn)在發(fā)送端最多還可發(fā)送 400 字節(jié)的數(shù)據(jù)。利用可變窗口大小進行流量控制雙方確定的窗口值是 400，如下圖所示：

（2）擁塞控制為了更好地進行擁塞控制，因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用一下三種技術(shù)，慢啟動(slow_start)、加速遞減(multiplicative decrease)和擁塞避免(congestion avoidance)?！皳砣苊狻辈⒎侵竿耆軌虮苊饬藫砣?。利用以上的措施要完全避免網(wǎng)絡(luò)擁塞還是不可能的?！皳砣苊狻笔钦f在擁塞避免階段把擁塞窗口控制為按線性規(guī)律增長，使網(wǎng)絡(luò)比較不容易出現(xiàn)擁塞。
3.5、端口號的識別（1）端口的概念：端口就是運輸層服務(wù)訪問點 TSAP。端口的作用就是讓應(yīng)用層的各種應(yīng)用進程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運輸層，以及讓運輸層知道應(yīng)當(dāng)將其報文段中的數(shù)據(jù)向上通過端口交付給應(yīng)用層相應(yīng)的進程。從這個意義上講，端口是用來標(biāo)志應(yīng)用層的進程。（2）端口在進程之間的通信中所起的作用

（3）端口號端口用一個 16 bit 端口號進行標(biāo)志。端口號只具有本地意義，即端口號只是為了標(biāo)志本計算機應(yīng)用層中的各進程。在因特網(wǎng)中不同計算機的相同端口號是沒有聯(lián)系的。端口號分為兩類：一類是熟知端口，其數(shù)值一般為 0～1023。當(dāng)一種新的應(yīng)用程序出現(xiàn)時，必須為它指派一個熟知端口。另一類則是一般端口，用來隨時分配給請求通信的客戶進程。端口的作用可用下圖來表示：

（4）插口TCP 使用“連接”(而不僅僅是“端口”)作為最基本的抽象，同時將 TCP 連接的端點稱為插口(socket)，或套接字、套接口。插口包括IP地址(32bit)和端口號(16bit)，共48bit。插口和端口、IP 地址的關(guān)系是：