第五章 传输层
5—01 试说明运输层在协议栈中的地位和作用，运输层的通信和网络层的通信有什么 重要区别？为什么运输层是必不可少的？
答：运输层处于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层，向它上面的应 用层提供服务
运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信，但网络层是为主机之间提供逻辑 通信（面向主机，承担路由功能，即主机寻址及有效的分组交换）。
各种应用进程之间通信需要“可靠或尽力而为”的两类服务质量，必须由运输 层以复用和分用的形式加载到网络层。
5—02 网络层提供数据报或虚电路服务对上面的运输层有何影响？
：网络层提供数据报或虚电路服务不影响上面的运输层的运行机制。但提供不同的服务质量。
5—03 当应用程序使用面向连接的TCP和无连接的IP时，这种传输是面向连接的还是 面向无连接的？
答：都是。这要在不同层次来看，在运输层是面向连接的，在网络层则是无连接的。
5—04 试用画图解释运输层的复用。画图说明许多个运输用户复用到一条运输连接上 ，而这条运输连接有复用到IP数据报上。
5—05 试举例说明有些应用程序愿意采用不可靠的UDP，而不用采用可靠的TCP。 答：VOIP：由于语音信息具有一定的冗余度，人耳对VOIP数据报损失由一定的承受度， 但对传输时延的变化较敏感。有差错的UDP数据报在接收端被直接抛弃，TCP数据报出错则会引起重传，可能带来较大的时延扰动。因此VOIP宁可采用不可靠的UDP，而不愿意采用可靠的TCP。
5—06 接收方收到有差错的UDP用户数据报时应如何处理？
答：丢弃
5—07 如果应用程序愿意使用UDP来完成可靠的传输，这可能吗？请说明理由 答：可能，但应用程序中必须额外提供与TCP相同的功能。
5—08 为什么说UDP是面向报文的，而TCP是面向字节流的？
答：发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对 应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。发送方TCP对应用程序交下来的报文数据块，视为无结构的字节流（无边界约束，课分拆/合并），但维持各字节
5—09 端口的作用是什么？为什么端口要划分为三种？
答：端口的作用是对TCP/IP体系的应用进程进行统一的标志，使运行不同操作系统的计 算机的应用进程能够互相通信。熟知端口，数值一般为0~1023.标记常规的服务进程； 登记端口号，数值为1024~49151，标记没有熟知端口号的非常规的服务进程；
5—10 试说明运输层中伪首部的作用。
答：用于计算运输层数据报校验和。
5—11 某个应用进程使用运输层的用户数据报UDP，然而继续向下交给IP层后，又封
装成IP数据报。既然都是数据报，可否跳过UDP而直接交给IP层？哪些功能UDP提供了但IP没提提供？
答：不可跳过UDP而直接交给IP层
IP数据报IP报承担主机寻址，提供报头检错；只能找到目的主机而无法找到目的进程。 UDP提供对应用进程的复用和分用功能，以及提供对数据差分的差错检验。
5—12 一个应用程序用UDP，到IP层把数据报在划分为4个数据报片发送出去，结果前 两个数据报片丢失，后两个到达目的站。过了一段时间应用程序重传UDP，而IP层仍然 划分为4个数据报片来传送。结果这次前两个到达目的站而后两个丢失。试问：在目的 站能否将这两次传输的4个数据报片组装成完整的数据报？假定目的站第一次收到的后 两个数据报片仍然保存在目的站的缓存中。
答：不行重传时，IP数据报的标识字段会有另一个标识符。仅当标识符相同的IP数据报片才能组装成一个IP数据报。前两个IP数据报片的标识符与后两个IP数据报片的标识符不同，因此不能组装成一个IP数据报。
5—13 一个UDP用户数据的数据字段为8192季节。在数据链路层要使用以太网来传送 。试问应当划分为几个IP数据报片？说明每一个IP数据报字段长度和片偏移字段的值。 答：6个数据字段的长度：前5个是1480字节（P89），最后一个是800字节。
片偏移字段的值分别是：0，1480，2960，4440，5920和7400.
5—14 一UDP用户数据报的首部十六进制表示是：06 32 00 45 00 1C E2 17.试求源 端口、目的端口、用户数据报的总长度、数据部分长度。这个用户数据报是从客户发送 给服务器发送给客户？使用UDP的这个服务器程序是什么？
解：源端口1586，目的端口69，UDP用户数据报总长度28字节，数据部分长度20字节。 此UDP用户数据报是从客户发给服务器（因为目的端口号<1023，是熟知端口）、服务器程序是TFTP。
5—15 使用TCP对实时话音数据的传输有没有什么问题？使用UDP在传送数据文件时会 有什么问题？
答：如果语音数据不是实时播放（边接受边播放）就可以使用TCP，因为TCP传输可靠。 接收端用TCP讲话音数据接受完毕后，可以在以后的任何时间进行播放。但假定是实时 传输，则必须使用UDP。UDP不保证可靠交付，但UCP比TCP的开销要小很多。因此只要应用程序接受这样的服务质量就可以使用UDP。
5—16 在停止等待协议中如果不使用编号是否可行？为什么？
答:分组和确认分组都必须进行编号，才能明确哪个分则得到了确认。
5—17 在停止等待协议中，如果收到重复的报文段时不予理睬（即悄悄地丢弃它而其 他什么也没做）是否可行？试举出具体的例子说明理由。
答：收到重复帧不确认相当于确认丢失
5—18 假定在运输层使用停止等待协议。发送发在发送报文段M0后再设定的时间内未 收到确认，于是重传M0，但M0又迟迟不能到达接收方。不久，发送方收到了迟到的对M0的确认，于是发送下一个报文段M1，不久就收到了对M1的确认。接着发送方发送新的报文段M0，但这个新的M0在传送过程中丢失了。正巧，一开始就滞留在网络中的M0现在到达接收方。接收方无法分辨M0是旧的。于是收下M0，并发送确认。显然，接收方后来收到的M0是重复的，协议失败了。试画出类似于图5-9所示的双方交换报文段的过程。 答：旧的M0被当成新的M0。
5—19 试证明：当用n比特进行分组的编号时，若接收到窗口等于1（即只能按序接收 分组），当仅在发送窗口不超过2n-1时，连接ARQ协议才能正确运行。窗口单位是分组
解：见课后答案。
5—20 在连续ARQ协议中，若发送窗口等于7，则发送端在开始时可连续发送7个分组 。因此，在每一分组发送后，都要置一个超时计时器。现在计算机里只有一个硬时钟。 设这7个分组发出的时间分别为t0,t1…t6,且tout都一样大。试问如何实现这7个超时计 时器（这叫软件时钟法）？解：见课后答案。
5—21 假定使用连续ARQ协议中，发送窗口大小事3，而序列范围[0,15],而传输媒体 保证在接收方能够按序收到分组。在某时刻，接收方，下一个期望收到序号是5.
试问：
（1） 在发送方的发送窗口中可能有出现的序号组合有哪几种？
（2） 接收方已经发送出去的、但在网络中（即还未到达发送方）的确认分组可能有 哪些？说明这些确认分组是用来确认哪些序号的分组。
5—22 主机A向主机B发送一个很长的文件，其长度为L字节。假定TCP使用的MSS有1460字节。
（1） 在TCP的序号不重复使用的条件下，L的最大值是多少？
（2） 假定使用上面计算出文件长度，而运输层、网络层和数据链路层所使用的首部 开销共66字节，链路的数据率为10Mb/s，试求这个文件所需的最短发送时间。
解：（1）L_max的最大值是2^32=4GB,G=2^30.
(2) 满载分片数Q={L_max/MSS}取整=2941758
发送的总报文数N=Q*(MSS+66)+{（L_max-Q*MSS）+66}=4489122708+682=4489123390 总字节数是N=4489123390字节，发送4489123390字节需时间为：N*8/（10*10^6） =3591.3秒，即59.85分，约1小时。
5—23 主机A向主机B连续发送了两个TCP报文段，其序号分别为70和100。试问：
（1） 第一个报文段携带了多少个字节的数据？
（2） 主机B收到第一个报文段后发回的确认中的确认号应当是多少？
（3） 如果主机B收到第二个报文段后发回的确认中的确认号是180，试问A发送的第 二个报文段中的数据有多少字节？
（4） 如果A发送的第一个报文段丢失了，但第二个报文段到达了B。B在第二个报文 段到达后向A发送确认。试问这个确认号应为多少？
解：（1）第一个报文段的数据序号是70到99，共30字节的数据。
（2）确认号应为100.（3）80字节。（4）70
5—24 一个TCP连接下面使用256kb/s的链路，其端到端时延为128ms。经测试，发现 吞吐量只有120kb/s。试问发送窗口W是多少？（提示：可以有两种答案，取决于接收等 发出确认的时机）。
解：
来回路程的时延等于256ms(=128ms×2).设窗口值为X(注意:以字节为单位),假定一次最大发送量等于窗口值,且发射时间等于256ms,那么,每发送一次都得停下来期待再次得到下一窗口的确认,以得到新的发送许可.这样,发射时间等于停止等待应答的时间,结果,测到的平均吞吐率就等于120Kbps,即8X÷(256×0.001+8X÷（256×1000）)=120×1000
X=7228
所以,窗口值为7228字节.
5—25 为什么在TCP首部中要把TCP端口号放入最开始的4个字节？
答：在ICMP的差错报文中要包含IP首部后面的8个字节的内容，而这里面有TCP首部中的源端口和目的端口。当TCP收到ICMP差错报文时需要用这两个端口来确定是哪条连接出了差错。
5—26 为什么在TCP首部中有一个首部长度字段，而UDP的首部中就没有这个这个字段 答：TCP首部除固定长度部分外，还有选项，因此TCP首部长度是可变的。UDP首部长度是固定的。
5—27 一个TCP报文段的数据部分最多为多少个字节？为什么？如果用户要传送的数据的字节长度超过TCP报文字段中的序号字段可能编出的最大序号，问还能否用TCP来传送 答：65495字节，此数据部分加上TCP首部的20字节，再加上IP首部的20字节，正好是IP数据报的最大长度65535.（当然，若IP首部包含了选择，则IP首部长度超过20字节 ，这时TCP报文段的数据部分的长度将小于65495字节。）数据的字节长度超过TCP报文段中的序号字段可能编出的最大序号，通过循环使用序号，仍能用TCP来传送。
5—28 主机A向主机B发送TCP报文段，首部中的源端口是m而目的端口是n。当B向A发送回信时，其TCP报文段的首部中源端口和目的端口分别是什么？
答：分别是n和m。
5—29 在使用TCP传送数据时，如果有一个确认报文段丢失了，也不一定会引起与该 确认报文段对应的数据的重传。试说明理由。
答：还未重传就收到了对更高序号的确认。
5—30 设TCP使用的最大窗口为65535字节，而传输信道不产生差错，带宽也不受限制 。若报文段的平均往返时延为20ms，问所能得到的最大吞吐量是多少?
答：在发送时延可忽略的情况下，最大数据率=最大窗口*8/平均往返时间=26.2Mb/s。 5—31 通信信道带宽为1Gb／s，端到端时延为10ms。TCP的发送窗口为65535字节。试 问:可能达到的最大吞吐量是多少?信道的利用率是多少?
答：
L=65536×8+40×8=524600
C=109b/s
L/C=0.0005246s
Td=10×10-3s
0.02104864
Throughput=L/(L/C+2×Td)=524600/0.0205246=25.5Mb/s
Efficiency=(L/C)//(L/C+2×D)=0.0255
最大吞吐量为25.5Mb/s。信道利用率为25.5/1000=2.55%
5—32 什么是Karn算法?在TCP的重传机制中，若不采用Karn算法，而是在收到确认时 都认为是对重传报文段的确认，那么由此得出的往返时延样本和重传时间都会偏小。试 问：重传时间最后会减小到什么程度?
答：Karn算法：在计算平均往返时延RTT时，只要报文段重传了，就不采用其往返时延 样本。
设新往返时延样本Ti
RTT（1）=a*RTT（i-1）+（1-a）*T（i）；
RTT^（i）=a* RTT（i-1）+（1-a）*T（i）/2；
RTT（1）=a*0+(1-a)*T(1)= (1-a)*T(1);
RTT^（1）=a*0+(1-a)*T(1)/2= RTT（1）/2
RTT（2）= a*RTT（1）+（1-a）*T（2);
RTT^（2）= a*RTT（1）+（1-a）*T（2)/2;
= a*RTT（1）/2+（1-a）*T（2)/2= RTT（2）/2
RTO=beta*RTT,在统计意义上，重传时间最后会减小到使用karn算法的1/2.
5—33 假定TCP在开始建立连接时，发送方设定超时重传时间是RTO=6s。
（1）当发送方接到对方的连接确认报文段时，测量出RTT样本值为1.5s。试计算现在的 RTO值。
（2）当发送方发送数据报文段并接收到确认时，测量出RTT样本值为2.5s。试计算现在 的RTO值。
答：
（1）据RFC2988建议，RTO=RTTs+4*RTTd。其中RTTd是RTTs的偏差加权均值。 初次测量时，RTTd（1）= RTT（1）/2；
后续测量中，RTTd（i）=（1-Beta）* RTTd（i-1）+Beta*{ RTTs- RTT（i）}
Beta=1/4
依题意，RTT（1）样本值为1.5秒，则
RTTs（1）=RTT（1）=1.5s RTTd(1)=RTT(1)/2=0.75s
RTO(1)=RTTs(1)+4RTTd(1)=1.5+4*0.75=4.5(s)
（2）RTT（2）=2.5 RTTs（1）=1.5s RTTd（1）=0.75s
RTTd（2）=（1-Beta）* RTTd（1）+Beta*{ RTTs（1）- RT
（2）}=0.75*3/4+{1.5-2.5}/4=13/16
RTO(2)=RTTs（1）+4RTTd（2）=1.5+4*13/16=4.75s
5—34 已知第一次测得TCP的往返时延的当前值是30 ms。现在收到了三个接连的确认 报文段，它们比相应的数据报文段的发送时间分别滞后的时间是：26ms，32ms和24ms。 设α=0．9。试计算每一次的新的加权平均往返时间值RTTs。讨论所得出的结果。 答：a=0.1， RTTO=30
RTT1=RTTO*(1-a) +26*a=29.6
RTT2=RTT1*a+32(1-a)=29.84
RTT3=RTT2*a+24（1-a）=29.256
三次算出加权平均往返时间分别为29.6，29.84和29.256ms。
可以看出，RTT的样本值变化多达20%时，加权平均往返
5—35 试计算一个包括5段链路的运输连接的单程端到端时延。5段链路程中有2段是 卫星链路，有3段是广域网链路。每条卫星链路又由上行链路和下行链路两部分组成。 可以取这两部分的传播时延之和为250ms。每一个广域网的范围为1500km，其传播时延 可按150000km／s来计算。各数据链路速率为48kb／s，帧长为960位。
答：5段链路的传播时延=250*2+（1500/150000）*3*1000=530ms
5段链路的发送时延=960/（48*1000）*5*1000=100ms
所以5段链路单程端到端时延=530+100=630ms
5—36 重复5-35题，但假定其中的一个陆地上的广域网的传输时延为150ms。 答：760ms
5—37 在TCP的拥塞控制中，什么是慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复算法?这里每 一种算法各起什么作用? “乘法减小”和“加法增大”各用在什么情况下?
答：慢开始：在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口cwnd设置为一个最大报文段 MSS的数值。在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口增加至多一个MSS的数值 。用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口cwnd，可以分组注入到网络的速率更加合理 拥塞避免：
当拥塞窗口值大于慢开始门限时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
拥塞避免算法使发送的拥塞窗口每经过一个往返时延RTT就增加一个MSS的大小。 快重传算法规定：
发送端只要一连收到三个重复的ACK即可断定有分组丢失了，就应该立即重传丢手的报 文段而不必继续等待为该报文段设置的重传计时器的超时。
快恢复算法：
当发送端收到连续三个重复的ACK时，就重新设置慢开始门限 ssthresh
与慢开始不同之处是拥塞窗口 cwnd 不是设置为 1，而是设置为ssthresh
若收到的重复的AVK为n个（n>3），则将cwnd设置为ssthresh
若发送窗口值还容许发送报文段，就按拥塞避免算法继续发送报文段。
若收到了确认新的报文段的ACK，就将cwnd缩小到ssthresh
乘法减小：
是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现一次超时（即出现一次网络拥塞） ，就把慢开始门限值 ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以 0.5。当网络频繁出现拥塞时，ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注入到网络中的分组数。
加法增大：
是指执行拥塞避免算法后，在收到对所有报文段的确认后（即经过一个往返时间），就 把拥塞窗口 cwnd增加一个 MSS 大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞
5—38 设TCP的ssthresh的初始值为8(单位为报文段)。当拥塞窗口上升到12时网络发 生了超时，TCP使用慢开始和拥塞避免。试分别求出第1次到第15次传输的各拥塞窗口大 小。你能说明拥塞控制窗口每一次变化的原因吗？
答：拥塞窗口大小分别为：1，2，4，8，9，10，11，12，1，2，4，6，7，8，9. 5—39 TCP的拥塞窗口cwnd大小与传输轮次n的关系如下所示：
cwnd
n 1
1 2
2 4
3 8
4 16
5 32
6 33
7 34
8 35
9 36
10 37
11 38
12 39
13
cwnd
n 40
14 41
15 42
16 21
17 22
18 23
19 24
20 25
21 26
22 1
23 2
24 4
25 8
26
（1）试画出如图5-25所示的拥塞窗口与传输轮次的关系曲线。
（2）指明TCP工作在慢开始阶段的时间间隔。
（3）指明TCP工作在拥塞避免阶段的时间间隔。
（4）在第16轮次和第22轮次之后发送方是通过收到三个重复的确认还是通过超市检测 到丢失了报文段？
（5）在第1轮次，第18轮次和第24轮次发送时，门限ssthresh分别被设置为多大？
（6）在第几轮次发送出第70个报文段？
（7）假定在第26轮次之后收到了三个重复的确认，因而检测出了报文段的丢失，那么 拥塞窗口cwnd和门限ssthresh应设置为多大？
答：（1）拥塞窗口与传输轮次的关系曲线如图所示（课本后答案）：
（2） 慢开始时间间隔：【1，6】和【23，26】
（3） 拥塞避免时间间隔：【6，16】和【17，22】
（4） 在第16轮次之后发送方通过收到三个重复的确认检测到丢失的报文段。在第22轮 次之后发送方是通过超时检测到丢失的报文段。
（5） 在第1轮次发送时，门限ssthresh被设置为32在第18轮次发送时，门限ssthresh被设置为发生拥塞时的一半，即21.在第24轮次发送时，门限ssthresh是第18轮次发送时设置的21
（6） 第70报文段在第7轮次发送出。
（7） 拥塞窗口cwnd和门限ssthresh应设置为8的一半，即4.
5—40 TCP在进行流量控制时是以分组的丢失作为产生拥塞的标志。有没有不是因拥 塞而引起的分组丢失的情况?如有，请举出三种情况。
答：当Ip数据报在传输过程中需要分片，但其中的一个数据报未能及时到达终点，而终点组装IP数据报已超时，因而只能丢失该数据报；IP数据报已经到达终点，但终点的缓存没 有足够的空间存放此数据报；数据报在转发过程中经过一个局域网的网桥，但网桥在转
发该数据报的帧没有足够的差错空间而只好丢弃。
5—41 用TCP传送512字节的数据。设窗口为100字节，而TCP报文段每次也是传送100 字节的数据。再设发送端和接收端的起始序号分别选为100和200，试画出类似于图5-31 的工作示意图。从连接建立阶段到连接释放都要画上。
5—42 在图5-32中所示的连接释放过程中，主机B能否先不发送ACK=x+1的确认? (因 为后面要发送的连接释放报文段中仍有ACK=x+1这一信息)
答：如果B不再发送数据了，是可以把两个报文段合并成为一个，即只发送FIN+ACK报文段。但如果B还有数据报要发送，而且要发送一段时间，那就不行，因为A迟迟收不到确认，就会以为刚才发送的FIN报文段丢失了，就超时重传这个FIN报文段，浪费网络资源。
5—43 在图(5-33)中，在什么情况下会发生从状态LISTEN到状态SYN_SENT，以及从状 态SYN_ENT到状态SYN_RCVD的变迁?
答：当A和B都作为客户，即同时主动打开TCP连接。这时的每一方的状态变迁都是： CLOSED----àSYN-SENT---àSYN-RCVD--àESTABLISHED
5—44 试以具体例子说明为什么一个运输连接可以有多种方式释放。可以设两个互相 通信的用户分别连接在网络的两结点上。
答：设A,B建立了运输连接。协议应考虑一下实际可能性：
A或B故障，应设计超时机制，使对方退出，不至于死锁；
A主动退出，B被动退出
B主动退出，A被动退出
5—45 解释为什么突然释放运输连接就可能会丢失用户数据，而使用TCP的连接释放 方法就可保证不丢失数据。
答：当主机1和主机2之间连接建立后，主机1发送了一个TCP数据段并正确抵达主机2，接着主机1发送另一个TCP数据段，这次很不幸，主机2在收到第二个TCP数据段之前发出了释放连接请求，如果就这样突然释放连接，显然主机1发送的第二个TCP报文段会丢失。而使用TCP的连接释放方法，主机2发出了释放连接的请求，那么即使收到主机1的确认后，只会释放主机2到主机1方向的连接，即主机2不再向主机1发送数据，而仍然可接受主机1发来的数据，所以可保证不丢失数据。
5—46 试用具体例子说明为什么在运输连接建立时要使用三次握手。说明如不这样做 可能会出现什么情况。
答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作（双方都知道彼此已 准备好），也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。 假定B给A发送一个连接请求分组，A收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两 次握手的协定，A认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，B在A的 应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道A是否已准备好，不知道A建议什么样的序 列号，B甚至怀疑A是否收到自己的连接请求分组，在这种情况下，B认为连接还未建立 成功，将忽略A发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。
而A发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。
5—47 一个客户向服务器请求建立TCP连接。客户在TCP连接建立的三次握手中的最后 一个报文段中捎带上一些数据，请求服务器发送一个长度为L字节的文件。假定：
（1）客户和服务器之间的数据传输速率是R字节/秒，客户与服务器之间的往返时间是 RTT（固定值）。
（2）服务器发送的TCP报文段的长度都是M字节，而发送窗口大小是nM字节。
（3）所有传送的报文段都不会出错（无重传），客户收到服务器发来的报文段后就及 时发送确认。
（4）所有的协议首部开销都可忽略，所有确认报文段和连接建立阶段的报文段的长度 都可忽略（即忽略这些报文段的发送时间）。
试证明，从客户开始发起连接建立到接收服务器发送的整个文件多需的时间T是： T=2RTT+L/R 当nM>R(RTT)+M
或 T=2RTT+L/R+(K-1)[M/R+RTT-nM/R] 当nM<R(RTT)+M
其中，K=[L/nM]，符号[x]表示若x不是整数，则把x的整数部分加1。
解：
发送窗口较小的情况，发送一组nM个字节后必须停顿下来，等收到确认后继续发送。 共需K=[L/nM]个周期：其中
前K-1个周期每周期耗时M/R+RTT,共耗时（K-1）（M/R+RTT）
第K周期剩余字节数Q=L-（K-1）*nM，需耗时Q/R
总耗时=2*RTT+(K-1)M/(R+RTT)+Q/R=2*RTT+L/R+(K-1)[( M/R+RTT)-nM/R]