詳細(xì)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(tái)機(jī)器的連接情況如下圖所示：

詳細(xì)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(hào)為：32768服務(wù)器端FTP端口號(hào)為：21

1.2、不同網(wǎng)絡(luò)段上的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)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(hào)的傳遞方式，透明的傳輸比特流。鏈路層，在兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)間的線路上無差錯(cuò)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(jī)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(jī)中兩個(gè)進(jìn)程之間的通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?bào)文段。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）的傳輸（這里的“點(diǎn)”指主機(jī)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(jī)和目的主機(jī)）。

1.3、數(shù)據(jù)包的封裝過程

不同的協(xié)議層對(duì)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(bào)（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(dá)目的主機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)在不同的網(wǎng)段中，那么數(shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳輸過程中要經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)段？每個(gè)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(bào)可以直接發(fā)送。也就是說比較二者的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是否相同。本題中，PC1和PC2在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)段。（2）Switch1收到數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)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(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)得到新的數(shù)據(jù)幀如下：

注：目的IP和源IP地址不會(huì)被改的，改變的是MAC，路由器會(huì)把遠(yuǎn)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(jìn)行校驗(yàn)后直接存儲(chǔ)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(jìn)行校驗(yàn)，然后進(jìn)行拆分，得到TCP報(bào)文段，由此可以知道目的端口號(hào)是21，然后把數(shù)據(jù)交付給相應(yīng)的FTP應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行處理。
二、在數(shù)據(jù)的傳輸中會(huì)出現(xiàn)以下一些問題，該如何解決？1、針對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)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(jī)A向主機(jī)B發(fā)送數(shù)據(jù)（1）差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制方法分兩類，一類是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ，另一類是前向糾錯(cuò)FEC，也叫前向糾錯(cuò)碼(Forward Error Correction簡(jiǎn)稱FEC)。 在ARQ方式中，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，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(cuò)碼。在FEC方式中，接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，而且能確定二進(jìn)制碼元發(fā)生錯(cuò)誤的位置，從而加以糾正，F(xiàn)EC方式必須使用糾錯(cuò)碼。常用的糾錯(cuò)碼有奇偶校驗(yàn)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(jī)B就可以檢驗(yàn)所接收的數(shù)據(jù)是否有差錯(cuò)，如果有差錯(cuò)，那么主機(jī)B可以向主機(jī)A發(fā)送一個(gè)否認(rèn)幀NAK，以表示主機(jī)A應(yīng)當(dāng)重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的那個(gè)數(shù)據(jù)幀。（2）丟失的解決辦法超時(shí)重傳。如果主機(jī)A在發(fā)送完數(shù)據(jù)給主機(jī)B之后，若到了超時(shí)計(jì)時(shí)器所設(shè)置的重傳時(shí)間而還沒有收到主機(jī)B的任何確認(rèn)幀ACK，則主機(jī)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(jī)A向主機(jī)B傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無差錯(cuò)的，那么，最簡(jiǎn)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(shí)停下來，接收方收到數(shù)據(jù)幀之后就交付給主機(jī)，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(shí)，發(fā)送方再接著發(fā)送下一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)幀即可。②滑動(dòng)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(duì)發(fā)送端進(jìn)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(duì)方確認(rèn)信息的情況下發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個(gè)數(shù)據(jù)幀。每收到對(duì)一個(gè)幀的確認(rèn)，發(fā)送窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)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(shí)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(hào)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(gè)序號(hào)正確的幀，接收窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)位置。
2、IP數(shù)據(jù)報(bào)有它的長(zhǎng)度，而數(shù)據(jù)傳輸過程中，一些中間設(shè)備也有一個(gè)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(bào)的長(zhǎng)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(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片與重組。詳細(xì)過程如下：2.1、 IP v4數(shù)據(jù)報(bào)格式一個(gè)IP v4數(shù)據(jù)報(bào)由報(bào)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(bào)頭是為了正確傳輸高層數(shù)據(jù)而增加的控制信息。報(bào)頭的前一部分是固定長(zhǎng)度，共20字節(jié)，是所有IP數(shù)據(jù)報(bào)必須具有的。在報(bào)頭的固定部分的后面是一些可選字段，其長(zhǎng)度是可變的。下圖給出了IPv4數(shù)據(jù)報(bào)的格式義。

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

一個(gè)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(bào)分片數(shù)據(jù)報(bào)分片時(shí)，每個(gè)分片前都要加上相應(yīng)的IP報(bào)頭，形成新的IP數(shù)據(jù)報(bào)，除包含一些分片控制域（如標(biāo)志、偏移量）外，分片的報(bào)頭和原IP數(shù)據(jù)報(bào)的報(bào)頭基本一樣。標(biāo)識(shí)符、標(biāo)志、偏移量3個(gè)字段在IP報(bào)頭中的作用是：標(biāo)識(shí)：占16bit，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度超出網(wǎng)絡(luò)最大傳輸單元（MTU）時(shí)，必須要進(jìn)行分割，并且需要為分割段(fragment)提供標(biāo)識(shí)。所有屬于同一數(shù)據(jù)報(bào)的分割段被賦予相同的標(biāo)識(shí)值。標(biāo)志：占3bit，指出該數(shù)據(jù)報(bào)是否可分段。目前只有前兩個(gè)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(bào)。MF=0表這已是若干數(shù)據(jù)報(bào)片中的最后一個(gè)。標(biāo)志字段中間的一位記為DF（Don’t Fragment）。只有當(dāng)DF=0時(shí)才允許分片。片偏移：占13bit，若有分段時(shí)，用以指出該分段在數(shù)據(jù)報(bào)中的相對(duì)位置，也就是說，相對(duì)于用戶數(shù)據(jù)字段的起點(diǎn)，該片從何處開始。片偏移以8字節(jié)為偏移單位，即每個(gè)分片的長(zhǎng)度一定是8字節(jié)（64Bit）的整數(shù)倍。
2.4、IP數(shù)據(jù)報(bào)重組在最終的目的主機(jī)上將接收到的所有分片進(jìn)行重新組裝的過程就是IP數(shù)據(jù)報(bào)重組。這時(shí)要根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、偏移量等字段將分段的各個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)重新組裝成完整的原始數(shù)據(jù)報(bào)。
2.5本題的詳解過程數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分為5000字節(jié)長(zhǎng)（使用固定首部），需要分片長(zhǎng)度不超過1500字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)片。因固定首部長(zhǎng)度為20字節(jié)，因此每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)片的長(zhǎng)度不能超過1480字節(jié)。于是分為4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)片，其數(shù)據(jù)報(bào)片的數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)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(bào)首部被復(fù)制為各數(shù)據(jù)報(bào)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(gè)主機(jī)的應(yīng)用進(jìn)程，也會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)和丟失，兩端的緩存也不同，如何控制流量？應(yīng)用進(jìn)程如何與端口號(hào)進(jìn)行匹配？答：因?yàn)檫\(yùn)輸層提供的功能是應(yīng)用進(jìn)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(cuò)控制和流量控制如下面的詳細(xì)解釋：
3.1、運(yùn)輸層為相互通信的應(yīng)用進(jìn)程提供了邏輯通信，如下圖所示：

3.2、TCP發(fā)送報(bào)文段的示意圖如下：

3.3、TCP 的數(shù)據(jù)編號(hào)與確認(rèn)TCP 協(xié)議是面向字節(jié)的。TCP 將所要傳送的報(bào)文看成是字節(jié)組成的數(shù)據(jù)流，并使每一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)序號(hào)。在連接建立時(shí)，雙方要商定初始序號(hào)。TCP 每次發(fā)送的報(bào)文段的首部中的序號(hào)字段數(shù)值表示該報(bào)文段中的數(shù)據(jù)部分的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。TCP 的確認(rèn)是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的最高序號(hào)表示確認(rèn)。接收端返回的確認(rèn)號(hào)是已收到的數(shù)據(jù)的最高序號(hào)加 1。因此確認(rèn)號(hào)表示接收端期望下次收到的數(shù)據(jù)中的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)。
3.4、TCP 的流量控制與擁塞控制（1）滑動(dòng)窗口（進(jìn)行流量控制）TCP 采用大小可變的滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制。窗口大小的單位是字節(jié)。在 TCP 報(bào)文段首部的窗口字段寫入的數(shù)值就是當(dāng)前給對(duì)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(shí)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(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整對(duì)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)，劃分為 9 個(gè) 100 字節(jié)長(zhǎng)的報(bào)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(duì)方的確認(rèn)，發(fā)送窗口就可前移。發(fā)送 TCP 要維護(hù)一個(gè)指針。每發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，指針就向前移動(dòng)一個(gè)報(bào)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(duì)前 200 字節(jié)數(shù)據(jù)的確認(rèn)，同時(shí)窗口大小不變?，F(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(duì)方對(duì)前 400 字節(jié)數(shù)據(jù)的確認(rèn)，但對(duì)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(jìn)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(jìn)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(dòng)(slow_start)、加速遞減(multiplicative decrease)和擁塞避免(congestion avoidance)。“擁塞避免”并非指完全能夠避免了擁塞。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(zhǎng)，使網(wǎng)絡(luò)比較不容易出現(xiàn)擁塞。
3.5、端口號(hào)的識(shí)別（1）端口的概念：端口就是運(yùn)輸層服務(wù)訪問點(diǎn) TSAP。端口的作用就是讓應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運(yùn)輸層，以及讓運(yùn)輸層知道應(yīng)當(dāng)將其報(bào)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(jìn)程。從這個(gè)意義上講，端口是用來標(biāo)志應(yīng)用層的進(jìn)程。（2）端口在進(jìn)程之間的通信中所起的作用

（3）端口號(hào)端口用一個(gè) 16 bit 端口號(hào)進(jìn)行標(biāo)志。端口號(hào)只具有本地意義，即端口號(hào)只是為了標(biāo)志本計(jì)算機(jī)應(yīng)用層中的各進(jìn)程。在因特網(wǎng)中不同計(jì)算機(jī)的相同端口號(hào)是沒有聯(lián)系的。端口號(hào)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(shí)，必須為它指派一個(gè)熟知端口。另一類則是一般端口，用來隨時(shí)分配給請(qǐng)求通信的客戶進(jìn)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(shí)將 TCP 連接的端點(diǎn)稱為插口(socket)，或套接字、套接口。插口包括IP地址(32bit)和端口號(hào)(16bit)，共48bit。插口和端口、IP 地址的關(guān)系是：