第4章 OSI傳輸層

學習目標 在學習本章之後，讀者將可以回答下列的問題： 為何需要傳輸層？ 在端點對端點的資料傳遞中，傳輸層的角色為何？ 在TCP/IP傳輸層中，TCP與UDP協定的角色為何？ 傳輸層的主要功能：可靠度、連接埠位址和分割等是如何運作？ TCP與UDP是如何處理各項主要功能？ TCP或UDP的使用時機為何？

圖4-1　OSI傳輸層

傳輸層的角色 傳輸層可以在終端使用者之間進行資料的傳輸，並且提供較高層協定可靠的資料傳輸服務

傳輸層的角色（續） 傳輸層的目的 支援可靠的通訊 TCP與UDP 連接埠位址 分割與重組：分解與結合

傳輸層的目的 在來源端和目的端主機的應用程式之間，追蹤個別的通訊 分割資料並且管理每個資料段 將資料段重組為資料流 辨別不同的應用程式 在終端使用者之間執行流量控制 啟動「錯誤恢復」（error recovery）機制 啟始一個會談（session）

傳輸層的目的（續） 圖4-2　啟動設備上的應用程式進行通訊

傳輸層的目的（續） 圖4-3　追蹤對話

傳輸層的目的（續） 圖4-4　分割

傳輸層的目的（續） 重組資料段：資料很可能會以不同的順序抵達。傳輸層主要是將資料段加以編號和排序，以確保資料段能夠重組成原本正確的順序 識別應用程式：TCP/IP協定稱此識別碼為「埠號」（port number）。凡是存取網路的軟體程序，都會被賦予一個唯一的埠號

傳輸層的目的（續） 流量控制：限制來源端所傳送的資料量是傳輸層的工作 錯誤恢復機制：傳輸層可以確保所有片段資料會順利抵達目的地 啟始一個會談：傳輸層可以透過連線導向的方式，在應用程式間建立一個會談（session）

傳輸層的目的（續） 資料需求的差異 為滿足各種不同應用的需求，必須要有多種的傳輸層協定 UDP（User Datagram Protocol），只能在應用程式間傳遞資料片段的基本功能 如TCP（Transmission Control Protocol），則具備一些附加的功能，如確保資料在應用程式間可靠的傳遞

支援可靠的通訊 追蹤所傳輸的資料 收到資料後發出回應 重傳任何未收到回應的資料

支援可靠的通訊（續） 圖4-5　傳輸層協定

TCP與UDP 「傳輸控制協定」（TCP）和「使用者資料包協定」（UDP）

TCP與UDP（續） 使用者資料包協定（UDP） UDP傳輸的資料單位，稱為「資料包」（datagram） 應用程式包括：網域名稱系統（DNS）、視訊串流、IP語音電話（VoIP）

TCP與UDP（續） 傳輸控制協定（TCP） TCP是一種連線導向（connection-oriented）的通訊協定 應用程式包括：Web瀏覽器、電子郵件、檔案傳輸 圖4-7　TCP資料包

連接埠位址 圖4-8　辨識各種交談

連接埠位址（續） 埠號位址型態與工具 周知埠號（數字0到1023） 註冊埠號（數字1024到49151） 動態或私有埠號（數字49152到65535）

連接埠位址（續） 表4-1　周知埠號

連接埠位址（續） 表4-2　註冊埠號

連接埠位址（續） 動態或私有連接埠：動態或私有連接埠（數字49152到65535）也稱為Ephemeral連接埠 表4-3　TCP/UDP共用埠號

連接埠位址（續） netstat命令：有時候，必須知道在網路主機中，哪個運作中的TCP連線是處於開啟狀態。Netstat是一個重要的網路公用程式，可用於確認這些連線

連接埠位址（續）

分割與重組：分解與結合 圖4-9　傳輸層功能

TCP通訊協定：可靠的通訊 TCP經常被稱作是連線導向的協定，是一種保證可靠度，並依序由傳送端至接收端發送資料的協定。 連線的建立和終止 「三向信號交換」（three-way handshake）方法 流量控制、視窗的擁擠控制以及資料的重傳

TCP通訊協定：可靠的通訊（續） 進行可靠的交談 TCP伺服器程序 建立和終止TCP連線 TCP三向信號交換 終止TCP會談

進行可靠的交談 採用連線導向的會談（session）

TCP伺服器程序 於伺服器上執行的每個應用程式，都會有一個對應的埠號，是由系統管理員手動方式設定或為預設值 圖4-10　用戶端傳送TCP請求

建立和終止TCP連線 在通訊完成後，則須關閉會談並終止連線

TCP三向信號交換 確認目的設備存在於網路上 驗證目的設備中有一個運作中的服務，可以接受目的埠號的請求，以建立與用戶端的會談 通知目的設備，來源用戶端嘗試在該埠號上建立一個通訊會談

TCP三向信號交換（續） 圖4-11　建立TCP連線：SYN ACK

終止TCP會談 圖4-12　TCP連線終止：FIN ACK

採用視窗技術的TCP回應 TCP傳送資料段中的回應編號至來源端，告知接收端正期望接收下一個位元組，此類回應稱之為「期望回應」（expectational acknowledgement） 在接收到回應值之前，啟始端可以傳送的資料量，稱之為「視窗長度」（window size）。「視窗長度」是TCP標頭中的一個欄位

採用視窗技術的TCP回應（續） 圖4-13　TCP資料段的回應

TCP重新傳輸 TCP提供一些管理資料段遺失的方法，其中的一項機制是重新傳輸未獲回應的資料段

TCP擁擠控制：資料段遺失的最小化 TCP標頭中的「視窗長度欄位」（window size field），可指定在獲得回應前所能傳輸的資料量

TCP擁擠控制：資料段遺失的最小化（續） 動態視窗長度：若接收端因緩衝區記憶體限制而需要降低通訊速率時，它可以傳送較小的視窗長度值做為回應 圖4-15　TCP擁擠和流量控制

UDP通訊協定：低虛工通訊 提供基本傳輸層功能的簡單通訊協定 非連線導向的運作方式 不提供複雜的重新傳輸、排序和流程控制機制

UDP通訊協定：低虛工通訊（續） UDP：低虛工與可靠度的比較 UDP資料包重組 UDP伺服器程序與請求 UDP用戶端程序

UDP：低虛工與可靠度的比較 因為UDP的額外虛工較低，且不必如TCP提供一些可靠度功能

UDP資料包重組 圖4-16　UDP資料組合

UDP伺服器程序與請求 以UDP為基礎的伺服器應用程式，會有對應的已知或註冊的埠號

UDP用戶端程序 主從式通訊是由用戶端的應用程式所啟始，由該應用程式向伺服器程序發出資料請求 目的連接埠（destination port）通常是眾所周知或用於伺服器程序的已註冊埠號

UDP用戶端程序（續） 圖4-17　用戶端傳送UDP請求

摘要 傳輸層藉由下列方式提供資料網路的需求： UDP和TCP是常見的傳輸層協定 在來源和目的主機上的應用程式之間，追蹤個別的通訊 分割資料並且管理每個資料段 組合資料段成為應用程式的資料流 識別不同的應用程式 在使用者之間執行流量控制 啟用「錯誤回復原」機制 啟始一個會談 UDP和TCP是常見的傳輸層協定