一、FTP客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)到FTP服務器端，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、假設初始設置如下所示：

客戶端FTP端口號為：32768

服務器端FTP端口號為：21

1.2、不同網(wǎng)絡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)絡層，負責為分組交換網(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，負責主機中兩個進程之間的通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆笪亩巍?/p>

網(wǎng)絡層負責點到點（point-to-point）的傳輸（這里的“點”指主機或路由器），而傳輸層負責端到端（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)到傳輸介質上，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應的首部，最后將應用層數(shù)據(jù)交給應用程序處理。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)絡段？每個IP地址都有網(wǎng)絡前綴，發(fā)送方只要將目的IP地址中的網(wǎng)絡前綴提取出來，與自己的網(wǎng)絡前綴比較，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)絡號是否相同。本題中，PC1和PC2在兩個網(wǎng)絡段。

（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)幀進行存儲轉發(fā)，查看自己的MAC地址列表后，從端口2將數(shù)據(jù)轉發(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服務器端。

（5）PC2服務器端收到數(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)交付給相應的FTP應用進程進行處理。

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，當接收端發(fā)現(xiàn)差錯時，就設法通知發(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)送一個否認幀NAK，以表示主機A應當重傳出現(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置的重傳時間而還沒有收到主機B的任何確認幀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，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，一些中間設備也有一個相關的設置MTU（最大傳輸單元），如果現(xiàn)在假設IP數(shù)據(jù)報的長度是5000字節(jié)，而MTU設置是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，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。

標識符、標志、偏移量3個字段在IP報頭中的作用是：

標識：占16bit，標識數(shù)據(jù)報。當數(shù)據(jù)報長度超出網(wǎng)絡最大傳輸單元（MTU）時，必須要進行分割，并且需要為分割段(fragment)提供標識。所有屬于同一數(shù)據(jù)報的分割段被賦予相同的標識值。

標志：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。

標志字段中間的一位記為DF（Don’t Fragment）。只有當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)報的標識、標志、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)報首部被復制為各數(shù)據(jù)報片的首部，但必須修改有關字段的值。分片結果如下圖所示：

3、兩個主機的應用進程，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。具體的有關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

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 的確認是對接收到的數(shù)據(jù)的最高序號表示確認。接收端返回的確認號是已收到的數(shù)據(jù)的最高序號加 1。因此確認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)值就是當前給對方設置的發(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，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，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，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)標準推薦使用一下三種技術，慢啟動(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)絡擁塞還是不可能的。“擁塞避免”是說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訪問點 TSAP。

端口的作用就是讓應用層的各種應用進程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運輸層，以及讓運輸層知道應當將其報文段中的數(shù)據(jù)向上通過端口交付給應用層相應的進程。

從這個意義上講，端口是用來標志應用層的進程。

（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 端口號進行標志。

端口號只具有本地意義，即端口號只是為了標志本計算機應用層中的各進程。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。當一種新的應用程序出現(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 地址的關系是：