Главная › Интернет › Что можно делать с tcp протоколом. Протокол TCP — назначение и функционал

Что можно делать с tcp протоколом. Протокол TCP — назначение и функционал

TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей. Для обеспечения надежной доставки данных на уровне транспортного протокола в приложениях используется протокол TCP, проверяющий факт доставки данных по сети в нужном порядке. TCP – надежный, потоковый протокол, требующий создания логический соединений. Надежность TCP обеспечивает механизм подтверждения приема с повторной передачей. При использовании данного механизма повторная отправка данных будет происходить до тех пор, пока не получит от системы-адресата подтверждение, что данные были успешно переданы.

Каждый пакет содержит контрольную сумму, посредством которой получатель определяет целостность данных. Если пакет получен в целостности и сохранности, получатель отправляет источнику подтверждение. Поврежденные пакеты просто игнорируются получателем. По истечении определенного интервала времени отправитель снова выполняет передачу пакетов, для которых не были получены подтверждения.

Рассмотрим процесс так называемого “рукопожатия” – установления TCP-соединения. Со стороны клиента отправляется пакет с выставленным флагом SYN – это означает инициализацию TCP-сессии. На данном этапе хостом будет сгенерирован порт источника и порт назначения (порт источника выбирается случайно из диапазона 1024 – 655535). Порт назначения зависит от конкретной службы (http – 80, ftp – 21, pop3 – 110).

При получении пакета сервер, если он не против соединения, посылает ответный пакет с битами SYN, ACK. ACK – означает бит подтверждения. Также в TCP-заголовке сервер генерирует произвольное число Sequence number, а к числу Acknowledgment number прибавляет единицу.

Наконец хост передает пакет, подтверждающий получение данных от сервера, а также непосредственно первый блок данных.

В заголовке протокола TCP содержится поле, которое называется Sequence Number, в которое заносится номер некоторой последовательности. Так же есть поле Acknowledgment Number, которое говорит о подтверждении пакета с этим номером. Числа Sequence Number, Acknowledgment Number применяются для сохранения порядка следования данных. Но если говорить более конкретно, то Sequence Number является точкой отчета для системы нумерации байтов. Из соображений безопасности ISN следует быть случайным числом. Acknowledgment Number служит для подтверждения приема и управления потоком. Подтверждение сообщает источнику, какой объем данных получен и сколько еще данных адресат способен принять. Номер подтверждения – это порядковый номер следующего байта, ожидаемый адресатом.

Поле Windows size (размер окна) – содержит количество байт, которое способен принять адресат. Окно является указанием источнику, что можно продолжать передачу сегментов, если общий объем передаваемых байт меньше байтового окна адресата. Адресат управляет потоком байтов источника, изменяя размер окна. Нулевое окно предписывает отправителю прекратить передачу, пока не будет получено ненулевое значение окна.

Поля Source port, Destination port – порт источника, порт назначения. UGR,

Поля UGR, ACK, PSH, RST, SYN. FIN – управляющие биты:

UGR – указатель срочности, показывает приоритет TCP-пакетов
ACK – подтверждение, помечает этот пакет как подтверждение получения
PSH – выталкивание, выталкивает поставленные в очередь данные из буферов
RST – сброс, сбрасывает соединение TCP по завершению или после разрыва
SYN – синхронизация, синхронизирует соединение
FIN – завершение, завершает передачу данных

На рисунке ниже показан поток данных TCP с нулевым значением исходного порядкового номера. Адресат получил и подтвердил получение 2000 байт, поэтому текущий номер подтверждения ACK = 2001. Кроме того, адресат обладает возможностью принять еще 6000 байт, а поэтому предъявляет окно со значением 6000. Источник отправляет сегмент размером 2000 байт с порядковым номером SN = 4001. Для байтов 2001 и последующих еще не были получены подтверждения, однако источник продолжает передачу данных, пока не исчерпаны ресурсы окна. Если на момент заполнения окна источником для уже отправленных данных не получены подтверждения, по истечению определенного интервала времени источник повторно передает данные, начиная с первого неподтвержденного байта.

Данный метод гарантирует надежность доставки данных адресату. Кроме того, TCP отвечает за доставку полученных от IP данных соответствующему приложению. Приложение, которому предназначаются данные, обозначается 16-битным числом, номером порта. Значения исходный порт и порт назначения находятся в заголовке TCP. Корректный обмен данными с прикладным уровнем – это важная составляющая функциональности служб транспортного уровня.

Процедура закрытия TCP-соединения подразумевает освобождение памяти, выделенной для буферов и переменных, и может происходить по инициативе любой из сторон. Клиентский процесс генерирует команду закрытия соединения, которая приводит к отправке TCP-клиентом специального сегмента. В заголовке этого сегмента флаг FIN установлен в 1. Получив данный сегмент, сервер подтверждает это. Затем сервер отсылает клиенту завершающий сегмент, в котором бит FIN также установлен в 1; в свою очередь, получение этого сегмента подтверждается клиентом. После этого все ресурсы соединения на обеих сторонах освобождаются.

Подписывайтесь на нашу

Протокол TCP

TCP или Transmission Control Protocol, используется как надежный протокол, обеспечивающий взаимодействие через взаимосвязанную сеть компьютеров. TCP проверяет, что данные доставляются по назначению и правильно.

TCP - это ориентированный на соединения протокол, предназначенный для обеспечения надежной передачи данных между процессами, выполняемыми или на одном и том же компьютере или на разных компьютерах. Термин "ориентированный на соединения" означает, что два процесса или приложения прежде чем обмениваться какими-либо данными должны установить TCP-соединение. В этом TCP отличается от протокола UDP, являющегося протоколом "без организации соединения", позволяющим выполнять широковещательную передачу данных неопределенному числу клиентов.

Когда приложение отправляет данные, используя TCP, они перемещаются вниз по стеку протоколов. Данные проходят по всем уровням и в конце концов передаются через сеть как поток битов. Каждый уровень в наборе протоколов TCP/IP добавляет к данным некоторую информацию в форме заголовков.

Когда пакет прибывает на конечный узел в сети, он снова проходит через все уровни снизу доверху. Каждый уровень проверяет данные, отделяя от пакета свою информацию в заголовке и наконец данные достигают серверного приложения в той же самой форме, в какой они покинули приложение-клиент:

Прежде чем рассматривать, как TCP устанавливает соединение с другим хостом TCP, приведем несколько терминов, которые необходимо определить:

Сегмент

Порция данных, которую TCP отправляет IP, называется сегментом TCP.

Дейтаграмма

Порция данных, которую IP отправляет уровню сетевого интерфейса, называется дейтаграммой IP.

Порядковый номер

Каждый сегмент TCP, отправленный через соединение, имеет назначенное ему число, которое называется "порядковым номером" (sequence number). Оно используется, чтобы гарантировать прибытие данных в правильном порядке.

Чтобы понять, как работает TCP, вкратце рассмотрим структуру заголовка TCP:

Порядковые номера и номера подтверждений используются TCP, чтобы гарантировать, что все данные прибывают в правильном порядке, а биты управления содержат разнообразные флаги, указывающие статус данных. Таких битов управления (обычно представляемых трехбуквенными сокращениями) всего шесть:

URG - указывает, что сегмент содержит срочные данные.

ACK - указывает, что сегмент содержит номер подтверждения.

PSH - указывает, что данные нужно протолкнуть к получающему пользователю.

RST - сбрасывает соединение.

SYN - используется для синхронизации порядковых номеров.

FIN - указывает конец данных.

Для установления соединения TCP использует процесс, называемый "трехфазным квитированием" (Three-Phase Handshake) . Как следует из названия, этот процесс включает три шага:

Клиент инициирует взаимодействие с сервером, посылая сегмент с установленным битом SYN. Этот сегмент содержит начальный порядковый номер клиента.

Сервер отвечает отправкой сегмента с установленными битами SYN и ACK. Этот сегмент содержит начальный порядковый номер сервера (не связанный с порядковым номером клиента) и номер подтверждения, на единицу больший порядкового номера клиента (т.е. равный следующему порядковому номеру, ожидаемому от клиента).

Клиент должен подтвердить этот сегмент отправкой обратно сегмента с установленным битом ACK. Номер подтверждения будет на единицу больше порядкового номера сервера, а порядковый номер будет равен номеру подтверждения сервера (т. е. на единицу больше начального порядкового номера клиента).

Теперь, узнав в общих чертах, как TCP устанавливает соединения, рассмотрим немного подробнее несколько операций TCP, чтобы понять, как TCP передает данные.

TCP передает данные порциями, которые называются сегментами. Чтобы гарантировать правильное и в должном порядке получение сегментов, каждому из них назначается порядковый номер. Получатель отправляет подтверждение получения сегмента. Если подтверждение не получено до истечения интервала - тайм-аута, данные отправляются еще раз. Каждому октету (восьми битам) данных назначается порядковый номер. Порядковый номер сегмента равен порядковому номеру первого октета данных в сегменте и это число отправляется в заголовке TCP данного сегмента.

TCP использует порядковые номера, чтобы гарантировать, что дублирующие данные получающему приложению переданы не будут и данные будут доставлены в правильном порядке. Заголовок TCP содержит контрольную сумму, чтобы гарантировать корректность данных при доставке. Если получен сегмент с неверной контрольной суммой, он просто отбрасывается, и подтверждение не отправляется. Это означает, что, когда значение тайм-аута истечет, отправитель повторит передачу сегмента.

TCP управляет объемом направляемых ему данных, возвращая с каждым подтверждением "размер окна". "Окно" - это объем данных, который может принять получатель. Между прикладной программой и потоком данных в сети располагается буфер данных. "Размер окна" фактически представляет собой разность между размером буфера и объемом сохраненных в нем данных. Это число отправляется в заголовке, чтобы информировать удаленный хост о текущем размере окна. Такой прием называется "скользящим окном" ("Sliding Window") .

На транспортном уровне работают 2 протокола: TCP и UDP.

UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм. Является ненадежным протоколом передачи данных, потому что он не устанавливает и не поддерживает соединения с удаленными узлами. То есть он просто передает данные на нижестоящий уровень и дальнейшая судьба этих данных его не интересует.
Кроме того, он не исправляет ошибки в принятых данных. Если будут обнаружены ошибки, то данные сегменты будут просто уничтожены и без запроса повторной передачи.

Для чего тогда такой протокол нужен?

Он очень полезен там, где передаваемые данные очень критичны к задержкам. Например, при передаче видео и голоса. Там недопустимы задержки, но можно пожертвовать несколькими пакетами в случае обнаружения ошибок - человеческие ухо и глаз не способны заметить потерю нескольких пакетов (если, конечно, число таких пакетов не слишком велико).
Однако для передачи чувствительных данных он совсем не годится, например, при передаче файлов - в данном случае задержки допустимы, но файл должен быть доставлен целостным.

Протокол добавляет следующий заголовок к передаваемым данным

Порт отправителя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое хочет общаться с таким же или другим приложением по сети. Например, Skype использует порт 80. Хотя может использовать и другие порты в зависимости от настроек. То есть, если Алиса пишет сообщение Кате по Skype, то компьютер Кати, приняв сообщение, сможет по номеру порта отправителя определить какое приложение отправило данное сообщение.

Порт получателя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое принимает сообщения от удаленных узлов. Иными словами, приложение “слушает” сеть на этом порту. Например, тот же Skype может принимать сообщение на порту 80. То есть, если Алиса отправит сообщение Кате на порт 80, то компьютер Кати его примет (при условии, что Skype будет в это время работать). Однако если, Алиса отправит на порт 100, а Катя слушает на порту 80, то компьютер Кати просто cбросит принятое сообщение.

А сколько всего может быть таких портов?

Всего насчитывается 65535 портов. Из них с 0 по 1023 зарезервированы под стандартные приложения, такие как FTP, SMTP, SNMP и другие. Остальные порты с 1024 и по 65535 могут быть использованы для любых других приложений. Эти порты еще называют динамическими, потому что у них нет жесткой привязки к определенному приложению и могут меняться от сеанса к сеансу.

Длина дейтаграммы - определяет длину всего сегмента, включая и сам заголовок.

Контрольная сумма - используется для проверки на наличие ошибок.

Как работает проверка?

Способ довольно примитивный. Передающий компьютер вычисляет контрольную сумму всего сегмента по специальному алгоритму и помещает это значение в поле Checksum. Затем принимающий компьютер вычисляет контрольную сумму данного сегмента и сравнивает с суммой в поле Checksum . Если значения совпадают, то сегмент принимается, в противном случае уничтожается.

Ничего, UDP не заботится о дальнейшей судьбе потерянных данных.

TCP (Transmission Control Protocol) - Протокол Управления Передачей. Надежный протокол передачи данных. С помощью него устанавливается и поддерживается связь с удаленными узлами, управляется скорость передачи данных, контролируются ошибки при передаче данных.

Вот как выглядит заголовок сегмента TCP

С некоторыми полями мы уже знакомы. Опишем новые поля.

Порядковый номер - каждый байт в отправленном сегменте нумеруется для того, чтобы на приеме правильно собрать все сегменты в единый поток. Кроме того, с помощью номера контролируется весь поток данных и исправляются поврежденные сегменты.

Номер подтверждения - чтобы убедиться, что все переданные сегменты достигли адресата используются номера подтверждения. Например, узел А отправил сегмент с порядковым номером 45 узлу В. Когда узел В примет сегмент с номером 45, то отправит узлу А пустой сегмент с подтверждающим номером 46. Узел А будет знать, что все в порядке и отправит следующий сегмент под номером 46.

Флаги - специальные знаки-сигналы, указывающие на состояние сессии. Например, запрос на установление соединения или запрос на разрыв соединения.

Размер окна - определяет количество байт для отправки за один раз. Принимающий узел отправит подтверждение только для последнего байта в сегменте. Таким образом не нужно отправлять подтверждение за каждый байт, экономя тем самым время и канал связи. Например, если размер окна равен 500, то передающий узел сразу же отправит 500 байт данных в сегменте. Принимающий узел, получив все 500 байт, отправит лишь одно подтверждение. Размер окна может меняться в течении всего сеанса связи для регулирования скорости передачи.

А кто устанавливает размер окна?

Оба участника соединения. Например, принимающий узел сообщает передающему узлу размер окна исходя из того, как быстро принимающий узел справляется с поступающими данными. Если он не успевает обработать данные, то уменьшает размер и окна и передающий узел обязан уменьшить объем передаваемых данных.
Чтобы лучше понять назначение всех этих полей рассмотрим принцип работы протокола на примере установления соединения.

Установление соединения (Трехэтапное квитирование)

Процесс установления связи осуществляется в 3 этапа.

Этап 1

Когда сторона А хочет установить связь со стороной В, то сторона А отправляет запрос с установленным флагом SYN. После этого узел А переходит в состояние SYN SENT. Узел В остается в состоянии LISTEN:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP (для упрощения восприятия некоторые данные опущены):

Генерируется порядковый номер ISNa = 1 и формируется запрос на установление соединения. Если по истечении таймаута со стороны В не поступает никакого ответа, то узел А снова отправит запрос узлу В.

Этап 2

Когда сторона В принимает запрос SYN, то тоже генерируется порядковый номер ISNb = 200 (в реальности номер может принимать другие значения) для своего сегмента. Для формирования ответа стороне А, узел В устанавливает 2 флага: SYN и ACK. Причем в качестве номера подтверждения берется порядковый номер сегмента стороны А и увеличивается на 1, то есть 1 + 1. Это означает, что запрос успешно принят и ожидается следующий сегмент с номером 2. После того, как сегмент отправлен, узел В переходит в состояние SYN-RECEIVED, узел А остается в состоянии SYN SENT:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Если по истечении таймаута от узла А не поступит подтверждения, то узел В снова отправит свой запрос.

Этап 3

После того, как узел А примет сразу 2 флага SYN и ACK, причем ACK будет на 1 больше ISN узла А, то сторона А сразу отправит второй сегмент узлу В. ISN будет увеличен на 1. Флаг будет установлен на ACK со значением ISNb + 1, то есть 200 + 1

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

После этого соединение считается успешно установленным, то есть помечается как ESTABLISHED.

Отказ в установлении соединения

Если сторона В по каким-то причинам не может установить соединение со стороной А, то генерируется ответ с флагом RST, которой информирует о прекращении попыток установления связи:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Завершение связи

Когда одна из сторон желает завершить сеанс связи, то формирует запрос FIN и переходит в состояние FIN_WAIT 1

Сторона В подтверждает запрос отправкой ACK и переходит в состояние CLOSE_WAIT. Сразу же вслед посылается запрос FIN. После этого узел В переходит в состояние LAST_ACK:

Сторона А подтверждает отправкой ACK и переходит в состояние CLOSED. Когда узел В примет ACK, то также перейдет в состояние CLOSED. На этом сеанс связи завершен:

Контроль над искаженными и потерянными данными

Концепция TCP такова, что передатчик ожидает от приемника получение подтверждения успешного принятия байта. Пока передатчик не убедится, что данные успешно доставлены получателю он не будет передавать следующую порцию данных.
Однако подтверждать каждый переданный байт слишком дорогое удовольствие - растет нагрузка на сеть, значительно замедляется работа протокола.
Поэтому передатчик отправляет сразу несколько сегментов и ждет подтверждения от приемника. Приемнику в свою очередь достаточно отправить одно подтверждение на последний полученный сегмент.
Передатчик поймет, что все отправленные сегменты успешно получены и сразу же отправит очередной набор сегментов

Для реализации данного механизма и используются порядковые и подтверждающие номера. Каждый сегмент нумеруется первым байтом полезной нагрузки. Затем приемник посылает подтверждающий сегмент, где указывает номер первого байта следующего сегмента. Например, первый сегмент имеет 100 байт полезной нагрузки (заголовок не учитывается), второй сегмент - 200 байт. Первому байту первого сегмента присваивается номер 1, у первого байта второго сегмента номер соответственно равен 101 (100 + 1) и так далее

Теперь посмотрим как будет проходить передача сегментов

Вот как это выглядит в сетевом анализаторе:

Если сложить ISN = 2155299270 первого сегмента с длиной данных Len = 711, то получится ISN = 2155299981 второго сегмента. Таким способом приемник формирует ACK SN для 3-го сегмента.

С этим разобрались. Но что произойдет, если данные потеряны или искажены в процессе передачи?

Представим, что сегмент дошел до получателя, однако содержит ошибки. Это проверяется с помощью контрольной суммы. Тогда приемник сбросит искаженный сегмент и отправит подтверждение только за предпоследний сегмент. Передатчик поймет, что первые 2 сегмента получены без ошибок и снова отправит 3-й сегмент

Теперь посмотрим, что произойдет, если один сегмент не дойдет до получателя. В данном случае приемник вышлет подтверждение только за принятые сегменты. А о 3-ем сегменте он вообще ничего не знает, поэтому ничего не отправит.
Передатчик будет ждать определенное время и не дождавшись подтверждения за 3-й сегмент отправит его снова

Вот так и достигается контроль над ошибками данных.

Контроль за передачей данными (Метод скользящего окна)

Протокол TCP является дуплексным, то есть может одновременно работать на прием и передачу. Для этого на приеме и передаче устанавливаются буферы.
Передающий буфер содержит переданные, но еще не подтвержденные байты, а также байты готовые для передачи.
Приемный буфер содержит принятые байты для последующей обработки.

Но для чего нужны буферы, разве не может приемник сразу же обработать поступивший сегмент?

Буферы необходимы для постановки в очередь принятые и передаваемые данные, так как производительность приёмной и передающей систем, а также самой сети разные, то велика вероятность, что система не сможет на “лету” обработать большой объем данных.

Мы знаем, что передатчик может сразу отправить несколько сегментов данных, не дожидаясь подтверждения на каждый сегмент.
Но что делать, если передатчик передает данные с большой скоростью, а буфер приемника не успевает их всех вместить?

Тогда приемник просто сбросит новые поступающие данные и отправит подтверждения только на полученные и обработанные сегменты.
Передатчику придется повторно отправлять данные, пока не получит подтверждения успешного получения.

В данной ситуации приемник работает на пределе своих возможностей, а сеть постоянно загружена. Поэтому в TCP предусмотрен механизм контроля за передачей данных с помощью метода скользящего окна.

И как работает данный механизм?

В TCP заголовке имеется поле “Размер окна (Window size )”, которое указывает на то, сколько байт приемник способен принять. Иными словами это говорит о доступности буфера и наличии в нем свободного пространства для поступающих данных.
После установления соединения приемник сообщает передатчику размер окна. Например, приемник сообщил, что окно равно 5 байтам. Передатчик передаст 5 байт информации и ждет подтверждения:

В буфере передатчика в очереди на отправку стоят следующие байты, но они не будут отправлены, пока не будут подтверждены уже отправленные байты. Приемник посылает подтверждение и уведомляет о размере окна равным 5, то есть говорит: “В моем буфере есть 5 свободных мест. Пришли мне еще 5 байт.”

Окно в передающем буфере сместится на 5 байт и новая порция данных будет передана приемнику:

Теперь посмотрим, что произойдет, если приемник не успевает обработать все полученные данные и в его буфере свободное место только для 2-х байт:

Передатчик готов передать следующие 5 байт информации, так как получил подтверждение от приемника. Однако приемник также уведомил передатчик, что в приемном буфере свободно только для 2-х байт, то есть сообщает следующее: “Снижай скорость передачи. Готов принять пока 2 байта.”

И передатчик уменьшает окно и передает только 2 байта

В процессе передачи данных размер окна может постоянно меняться. Это зависит от загруженности сети и производительности передатчиков/приемников.

Что происходит, когда в буфере приемника совсем нет места?

Тогда приемник установит размер окна равным 0. Это означает прекратить передачу данных.

Как же передатчик узнает, что буфер приемника снова готов к работе?

После получения нулевого размера окна передатчик запускает специальный таймер, по истечении которого передатчик отправит пробный сегмент. Если буфер свободен, то приемник ответит на этот пробный сегмент и укажет новый размер окна, в противном случае снова укажет нулевое окно.

Итак подведем краткие итоги.
В таблице представлены сравнение протоколов UDP и TCP, а также функции, возложенные на транспортный уровень

Функции	TCP	UDP
Управление потоком	Да	Нет
Контроль над ошибками	Да	Нет
Скорость	Медленный	Быстрый
Установление соединения	Да	Нет
Использование в приложениях чувствительных к задержкам данных	Нет (иногда допустимо)	Да
Использование в приложениях менее чувствительных к задержкам данных	Да	Да (но не всегда)
Регулирование скорости передачи данных	Да	Нет
Запрос на повторную передачу потерянного или искаженного сегмента	Да	Нет
Многоканальный	Да	Да Назад

). В отличие от приложение получит данные точно в такой же последовательности, в какой они были отправлены, и без потерь.

Реализация TCP, как правило, встроена в ядро системы, хотя есть и реализации TCP в контексте приложения.

TCP часто обозначают «TCP/IP». Когда осуществляется передача от компьютера к компьютеру через Internet, TCP работает на верхнем уровне между двумя конечными системами, например, интернет-браузер и интернет-сервер. Также TCP осуществляет надежную передачу потока байт от одной программы на некотором компьютере в другую программу на другом компьютере. Программы для электронной почты и обмена файлами используют TCP. TCP контролирует длину сообщения, скорость обмена сообщениями, сетевой трафик.

Формат TCP-сегмента

Формат TCP-сегмента

Бит	0 - 3	4 - 9	10 - 15	16 - 31
0	Порт источника			Порт назначения
32	Номер последовательности
64	Номер подтверждения
96	Смещение данных	Зарезервировано	Флаги	Окно
128	Контрольная сумма			Указатель важности
160	Опции (необязательное)
160/192+	Данные

Порт источника

Порт назначения

Порт назначения идентифицирует порт, на который отправлен пакет.

Номер последовательности

Номер последовательности выполняет две задачи:

Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности и первый байт данных - это номер последовательности плюс 1.
В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных - номер последовательности

Поскольку TCP-поток в общем случае может быть длинее, чем число различных состояний этого поля, то все операции с номером последовательности должны выполняться по модулю 2^32. Это накладывается практическое ограничение на использование TCP. Если скорость передачи комуникационной системы такова, чтобы в течение MSL (максимального времени жизни сегмента) произошло переполнение номера последовательности, то в сети может появиться два сегмента с одинаковым номером, относящихся к разным частям потока, и приёмник получит некорректные данные.

Номер подтверждения

Если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.

Смещение данных

Это поле определяет размер заголовка пакета TCP в 32-битных словах. Минимальный размер составляет 5 слов, а максимальный - 15, что составляет 20 и 60 байт соответственно. Смещение считается от начала заголовка TCP.

Зарезервировано

Зарезервировано (6 бит) для будущего использования и должны устанавливаться в ноль. Из них два (7-й и 8-й) уже определены:

CWR (Congestion Window Reduced) - Поле «Окно перегрузки уменьшено» - флаг установлен отправителем, чтоб указать, что получен пакет с установленным флагом ECE (RFC 3168)
ECE (ECN-Echo) - Поле «Эхо ECN» - указывает, что данный хост способен на ECN (явное уведомление перегрузки) и для указания отправителю о перегрузках в сети (RFC 3168)

Флаги (управляющие биты)

Это поле содержит 6 битовых флагов:

URG - Поле "Указатель важности" задействовано (англ. Urgent pointer field is significant )
ACK - Поле "Номер подтверждения" задействовано (англ. Acknowledgement field is significant )
PSH - (англ. Push function ) инструктирует получателя протолкнуть данные, накопившиеся в приемном буфере, в приложение пользователя
RST - Оборвать соединения, сбросить буфер (очистка буфера) (англ. Reset the connection )
SYN - Синхронизация номеров последовательности (англ. Synchronize sequence numbers )
FIN (англ. final , бит) - флаг, будучи установлен, указывает на завершение соединения (англ. FIN bit used for connection termination ).

Контрольная сумма

Поле контрольной суммы - это 16-битное дополненение суммы всех 16-битных слов заголовка и текста. Если сегмент содержит нечетное число октетов в заголовке /или тексте, последние октеты дополняются справа 8 нулями для выравнивания по 16-битовой границе. Биты заполнения (0) не передаются в сегменте и служат только для расчета контрольной суммы. При расчете контрольной суммы значение самого поля контрольной суммы принимается равным 0.

Указатель важности

16-битовое значение положительного смещения от порядкового номера в данном сегменте. Это поле указывает порядковый номер октета которым заканчиваются важные (urgent) данные. Поле принимается во внимание только для пакетов с установленным флагом URG.

Механизм действия протокола

Состояния сеанса TCP

Состояния сеанса TCP
CLOSED	Начальное состояние узла. Фактически фиктивное
LISTEN	Сервер ожидает запросов установления соединения от клиента
SYN-SENT	Клиент отправил запрос серверу на установление соединения и ожидает ответа
SYN-RECEIVED	Сервер получил запрос на соединение, отправил ответный запрос и ожидает подтверждения
ESTABLISHED	Соединение установлено, идёт передача данных
FIN-WAIT-1	Одна из сторон (назовём её узел-1) завершает соединение, отправив сегмент с флагом FIN
CLOSE-WAIT	Другая сторона (узел-2) переходит в это состояние, отправив, в свою очередь сегмент ACK и продолжает одностороннюю передачу
FIN-WAIT-2	Узел-1 получает ACK, продолжает чтение и ждёт получения сегмента с флагом FIN
LAST-ACK	Узел-2 заканчивает передачу и отправляет сегмент с флагом FIN
TIME-WAIT	Узел-1 получил сегмент с флагом FIN, отправил сегмент с флагом ACK и ждёт 2*MSL секунд, перед окончательным разрушением канала
CLOSING	Обе стороны инициировали закрытие соединения одновременно: после отправки сегмента с флагом FIN узел-1 также получает сегмент FIN, отправляет ACK и находится в ожидании сегмента ACK (подтверждения на свой запрос о разъединении)

Установка соединения

Процесс начала сеанса TCP называется «тройным рукопожатием». Клиент, который намеревается установить соединение, посылает серверу сегмент с номером последовательности и флагом SYN. Сервер получает сегмент, запоминает номер последовательности и пытается создать сокет (буфера и управляющие структуры памяти) для обслуживания нового клиента. В случае успеха сервер посылает клиенту сегмент с номером последовательности и флагами SYN и ACK, и переходит в состояние SYN-RECEIVED. В случае неудачи сервер посылает клиенту сегмент с флагом RST.

Если клиент получает сегмент с флагом SYN, то он запоминает номер последовательности и посылает сегмент с флагом ACK, если он одновременно получает и флаг ACK (что обычно и происходит), то он переходит в состояние ESTABLISHED. Если клиент получает сегмент с флагом RST, то он прекращает попытки соединиться.

Если клиент не получает ответа в течение 10 секунд, то он повторяет процесс соединения заново.

Если сервер в состоянии SYN-RECEIVED получает сегмент с флагом ACK, то он переходит в состояние ESTABLISHED. В противном случае после таймаута он закрывает сокет и переходит в состояние CLOSED.

Процесс называется «тройным рукопожатием», поскольку возможен процесс установления соединения с использованием 4 сегментов (SYN в сторону сервера, ACK в сторону клиента, SYN в сторону клиента, ACK в сторону сервера), но для экономии времени используется 3 сегмента.

Передача данных

При обмене данными приемник использует номер последовательности, содержащийся в получаемых сегментах, для восстановления их исходного порядка. Приемник уведомляет передающую сторону о номере последовательности, до которой он успешно получил данные, включая его в поле «номер подтверждения». Все получаемые данные, относящиеся к промежутку подтвержденных последовательностей, игнорируются. Если полученный сегмент содержит номер последовательности больший, чем ожидаемый, то данные из сегмента буферизируется, но номер подтвержденной последовательности не изменяется. Если в последствии будет принят сегмент, относящийся к ожидаемому номеру последовательности, то порядок данных будет автоматически восстановлен исходя из номеров последовательностей в сегментах.

Для того, чтобы передающая сторона не отправляла данные интенсивнее, чем их может обработать приемник, TCP содержит средства управления потоком. Для этого используется поле «окно». В сегментах, направляемых от приемника передающей стороне в поле «окно» указывается текущий размер приемного буфера. Передающая сторона сохраняет размер окна и отправляет данных не более, чем указал приемник. Если приемник указал нулевой размер окна, то передача данных в направлении этого узла не происходит, до тех пор пока приемник не сообщит о большем размере окна.

В некоторых случаях передающее приложение может явно затребовать протолкнуть данные до некоторой последовательности принимающему приложению, не буферизируя их. Для этого используется флаг PSH. Если в полученном сегменте обнаруживается флаг PSH, то реализация TCP отдает все буферизированные на текущий момент данные принимающему приложению. «Проталкивание» используется, например, в интерактивных приложениях. В сетевых терминалах нет смысла ожидать ввода пользователя после того, как он закончил набирать команду. Поэтому последний сегмент, содержащий команду, обязан содержать флаг PSH, чтобы приложение на принимающей стороне смогло начать её выполнение.

Завершение соединения

Завершение соединения можно рассмотреть в три этапа: 1. Посылка серверу от клиента флагов FIN и ACK на завершения соединения. 2. Сервер посылает клиенту флаги ответа ACK , FIN, что соединение закрыто. 3. После получение этих флагов клиент закрывает соединение и в подтверждение отправляет серверу ACK , что соединение закрыто.

Известные проблемы

Максимальный размер сегмента

TCP требует явного указания максимального размера сегмента (MSS) в случае, если виртуальное соединение осуществляется через сегмент сети, где максимальный размер блока (MTU , IPIP, а так же MTU туннеля меньше чем стандартный, поэтому сегмент TCP максимального размера имеет длину пакета больше, чем MTU. Поскольку фрагментация в подавляющем большинстве случаев запрещена, то такие пакеты отбрасываются.

Проявление этой проблемы выглядит как «зависание» соединений. При этом «зависание» может происходить в произвольные моменты времени, а именно тогда, когда отправитель использовал сегменты длинее допустимого размера.

Для решения этой проблемы на маршрутизаторах применяются правила Firewall-а, добавляющие параметр MSS во все пакеты, инициирующие соединения, чтобы отправитель использовал сегменты допустимого размера.

MSS может так же управляться параметрами операционной системы.

Обнаружение ошибок при передачи данных

Хотя протокол осуществляет проверку контрольной суммы по каждому сегменту, используемый алгоритм считается слабым . Так в 2008 году не обнаруженная сетевыми средствами ошибка в передаче одного бита, привела к остановке серверов системы Amazon Web Services .

В общем случае распределенным сетевым приложениям рекомендуется использовать дополнительные программные средства для гарантирования целостности передаваемой информации .

Реализация

См. также

Ссылки

RFC 793 - Transmission Control Protocol

Литература

Терри Оглтри Модернизация и ремонт сетей = Upgrading and Repairing Networks. - 4-е изд. - М.: «Вильямс» , 2005. - С. 1328. - ISBN 0-7897-2817-6
Дуглас Камер Сети TCP/IP, том 1. Принципы, протоколы и структура = Internetworking with TCP/IP, Vol. 1: Principles, Protocols and Architecture. - М.: «Вильямс» , 2003. - С. 880. - ISBN 0-13-018380-6

Андрей Робачевский, Сергей Немнюгин, Ольга Стесик Операционная система UNIX. - 2-е изд. - "БХВ-Петербург" , 2007. - С. 656. - ISBN 5-94157-538-6

Основные протоколы TCP/IP
Прикладной уровень	IMAP4
Передача файлов			XDR
Транспортный уровень	TCP ·	IPv4 ·

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:49, 28 января 2017.

NUMBEREDHEADINGS__

Стек протоколов ТСР/IP

IP-сеть

IP-сеть (какой является Интернет) отличается от глобальных сетей тем, что является составной сетью из подсетей, число которых измеряется тысячами. Для Интернета характерно использование стека протоколов не эталонной модели OSI, а эталонной модели TCP/IP . На рис. 1 представлен стек протоколов TCP/IP и его соответствие уровням модели OSI. Отличительной особенностью TCP/IP является также то, что IP-пакеты могут передаваться с использованием различных технологий составных сетей, в том числе посредством уже рассмотренных глобальных сетей Х.25, FR и ATM, которые являются самостоятельными со своими протоколами, адресацией и др. Другой особенностью является то, что эталонная модель TCP/IP в отличие от эталонной модели OSI была разработана под конкретную составную сеть (интерсеть или internet). Подсети, составляющую эту составную сеть, соединяются между собой маршрутизаторами. Такими подсетями могут быть как локальные, так и глобальные сети различных технологий.

Прикладной уровень стека TCP/IP (уровень 4) соответствует трём верхним уровням модели OSI. К протоколам прикладного уровня относятся протокол переноса файлов (FTP); протокол электронной почты (SMTP); протокол, используемый для создания страниц во всемирной паутине WWW (HTTP) - основа для доступа к связанным между собой документам; протокол преобразования (DNS) текстовых имен в сетевые IP-адреса, простой протокол сетевого управления (SNMP), протоколы соответственно сигнализации и передачи данных (SIP, RTP/RTCP) в IP-телефонии или речь поверх IP (VoIP-Voice over IP) и др. К протоколам прикладного уровня относятся также протоколы информационной безопасности Kerberos, PGP, SET и др.

Рис. 1. Стек протоколов TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP (уровень 3) обеспечивает передачу данных между прикладными процессами. Транспортный уровень включает два протокола TCP и UDP. Протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) является надёжным протоколом с установлением соединения, позволяющим управлять потоком, т.е. без ошибок доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину составной сети. Для того чтобы обеспечить надёжную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения. Это позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню в том порядке, в котором они были отправлены. Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются в виде множества очередей к точкам входа прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие очереди, однозначно определяющие приложение в пределах хоста, называется портами. За портами каждого стандартного приложения определён номер например, порт TCP № 21 - за протоколом передачи файла FTP (File Transport Protocol). Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного узла имеет название сокет (socket). Каждое логическое соединение идентифицируется парой сокетов взаимодействующих процессов. Второй протокол транспортного уровня -протокол пользователей дейтаграмм UDP (User Data Protocol) является простейшим дейтаграммным протоколом (т.е. без установления соединения). К протоколу транспортного уровня относится протокол информационной безопасности SSL/TLS. Протоколы прикладного и транспортного уровней стека уровней TCP/IP устанавливаются на оконечных станциях (хостах) сети.

Межсетевой уровень стека TCP/IP

Межсетевой уровень стека TCP/IP (уровень 2) , называемый также сетевым уровнем (по модели OSI), является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перенос пакетов данных в пределах всей составной сети. Протоколы межсетевого уровня поддерживают интерфейсы с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети. Основным протоколом межсетевого уровня является межсетевой протокол IP (Internet Protocol). Он обеспечивает продвижение пакета между подсетями - от одного пограничного маршрутизатора до другого, до тех пор, пока пакет не попадёт в сеть назначения. Протокол IP так же, как и протоколы функций коммутации глобальных сетей связи (FR, ATM и др.), устанавливается не только на оконечных пунктах (хостах), но и на всех маршрутизаторах сети. Маршрутизатор представляет собой процессор, который связывает между собой две сети (подсети). Протокол межсетевого уровня работает в режиме без установления соединения (дейтаграммный режим), в соответствии с которым он не отвечает за доставку пакета до узла назначения. При потере пакета в сети протокол IP не пытается восстановить его.

В заголовке IP-пакета содержится IP-адрес отправителя и получателя - по 4 байта каждый. К межсетевому уровню относятся также протоколы, выполняющие функции составления и коррекции таблиц маршрутизации RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). К протоколу сетевого уровня относится протокол информационной безопасности IPSec. Уровень сетевого доступа стека TCP/IP (уровень 1) отвечает за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей составной сети. Перемещение пакета можно рассматривать как последовательность «прыжков» от одного маршрутизатора к другому. На очередном маршрутизаторе на сетевом уровне определяется сетевой адрес следующего по маршруту маршрутизатора. Чтобы передать пакет IP этому маршрутизатору, надо перенести его через некоторую подсеть. Для этого необходимо использовать транспортные средства этой подсети. Задача уровня сетевого доступа сводится к инкапсуляции (вложению) пакета в блок данных этой промежуточной сети и в преобразовании сетевых адресов граничных маршрутизаторов этой подсети в новый тип адреса, принятой в технологии промежуточной сети.

Пример переноса данных в IP-сети

На примере IP-сети (рис. 2) покажем перенос данных оконечной станции А локальной вычислительной сети (подсети) Ethernet в оконечную станцию В сети (подсети) АТМ. Как видно из рисунка в эту составную сеть еще входит сеть (подсеть) Frame Relay. В основу приведенного упрощенного описания положен пример межсетевого взаимодействия сетей Ethernet и АТМ, приведенный в работе . Дополнительно в эту составную сеть введена сеть (подсеть) Frame Relay. Принцип маршрутизации и краткое описание протоколов маршрутизации в сети Интернет приведены в следующей главе. Для того, чтобы технология TCP/IP могла решать задачу объединения сетей, ей необходима собственная глобальная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях. Таким адресом является IP-адрес, состоящий из адреса подсети (префикса) и адреса оконечного устройства (хоста). Приведем пример адресации подсети и хоста. IP-адрес 200.15.45.126/25 означает, что 25 старших бит из выделенных 4-х байт под адресацию являются адресом подсети, а оставшиеся 7 бит означают адрес хоста в этой сети.

Как видно из предыдущих глав, глобальные сети Frame Relay и АТМ имеют различные системы нумерации, которые отличаются от системы нумерации локальной вычислительной сети (ЛВС) технологии Ethernet. Каждый компьютер Ethernet имеет уникальный физический адрес, состоящий из 48 бит. Этот адрес называется МАС-адресом и относится к канальному уровню - управлению доступом к среде MAC (Media Access Control). Для организации межсетевого взаимодействия подсетей различной технологии и адресации используются маршрутизаторы, включающие IP-пакеты. В состав этих пакетов входят глобальные IP-адреса. Каждый интерфейс маршрутизатора IP-сети и оконечного устройства включает два адреса – локальный адрес оконечного устройства подсети и IP-адрес.

Рис. 2. Пример взаимодействия двух устройств

Рассмотрим продвижение IP-пакета в сети (рис. 2).

Протоколы TCP/IP

Ниже приводится краткое описание протокола прикладного уровня SNMP и протокола транспортного уровня TCP архитектуры TCP/IP.

Протокол прикладного уровня SNMP

Большие сети не могут быть настроены и управляться вручную в плане изменения конфигурации сети, устранения неисправности в сети, сбора параметров о качестве обслуживания. Если в сети используется оборудование разных производителей, необходимость таких средств становится особенно необходимой. В связи с этим были разработаны стандарты сетевого управления. Одним из наиболее широко используемых является простой протокол управления сетью SNMP (Simple Network Management Protocol) . Приведем краткие сведения об архитектуре сетевого управления. Система сетевого управления включает инструментальные средства для решения задач управления. При этом необходимо использование уже имеющегося оборудования путем внедрения в него дополнительных аппаратных и программных средств для управления сетью. Это программное обеспечение размещается в хостах, коммуникационных процессорах и других устройствах сети. Модель сетевого управления, используемая для SNMP состоит из следующих элементов:

станция управления, выполняющая роль интерфейса между сетевым администратором и системой сетевого управления. Станция управления позволяет осуществить мониторинг сети и управление сетью. В этой станции имеется база данных с информацией, полученной из информационных баз всех управляемых объектов сети;
агент управления (хосты, коммутаторы и др.), которые отвечают на запросы от станции управления. Агент обеспечивает информацией станцию и без запроса;
агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств.

Станция управления и агенты взаимодействуют по протоколу SNMP. Так как управление сетью задача многоцелевая, приведем некоторые возможности использования протокола SNMP в сети Frame Relay . Агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств. Форум Frame Relay стандартизировал MIB для устройств Frame Relay. В большинстве служб Frame Relay провайдер собирает информации от агентов SNMP в каждом коммутаторе FR и записывает ее в центральную базу MIB для общего пользования. Тем самым пользователю предоставляется единый источник статистической информации обо всех соединениях виртуальных каналов сети. Это дает возможность отследить свои потоки данных в сети провайдера от коммутатора к коммутатору. Можно использовать SNMP для сбора статистики и аварийных сообщений от собственного оборудования, подключенного к сети FR. Для этого приходится работать с множеством MIB. Для сбора данных на основе SNMP можно использовать виртуальный канал FR.

SNMP может управлять конфигурацией сети. Для сети FR это касается как физической, так и логической конфигурации сети, включая установление адресации, определение DLCI, назначение полосы пропускания для PVC. SNMP может управлять устранением неисправностей в сети при получении системой управления аварийных сообщений от агента сетевого устройства.

Обеспечение информационной безопасности протокола SNMP

В документе RFC 2574 определяется модель USM (User Security Model – модель защиты пользователя) при использовании протокола SNMP. USM разрабатывалась с целью защиты от угроз следующих типов.

Модификация информации. По пути следования сообщения, сгенерированного авторизованным объектом, некоторый другой объект может изменить это сообщение, чтобы выполнить несанкционированные операции управления (например, установив соответствующие значения объекта управления). Суть угрозы заключается в том, что несанкционированный объект может изменить любые параметры управления, включая параметры конфигурации, выполняемых действий и контроля.
Имитация. Объект может пытаться выполнить не разрешенные для него операции управления, отождествляя данный объект с некоторым авторизованным объектом.
Модификация потока сообщений. Протокол SNMP предназначен для работы над транспортным протоколом, не предполагающим установку соединений. Существует угроза переупорядочения, задержки или воспроизведения (дублирования) сообщений SNMP для несанкционированного управления. Например, можно скопировать и впоследствии воспроизвести сообщение, вызывающее перезапуск устройства.
Разглашение информации. Наблюдая за потоком обмена данными между администратором и агентом, объект может выяснить значения управляемых объектов и распознать подлежащие регистрации события. Например, наблюдение за набором команд, изменяющих пароли, может позволить атакующему узнать новые пароли.

Протокол транспортного уровня TCP

Протокол транспортного уровня TCP выполняет функцию управления потоками между оконечными пунктами, так как уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм. Дейтаграммы с уровня IP могут прибывать в неправильном порядке. Восстанавливает сообщения из таких дейтаграмм протокол TCP, обеспечивая этим надежный режим установленного соединения с низкой вероятностью потери пакета. Механизм управления потоками, используемый ТСP, отличается от механизма восстановления правильной последовательности кадров в Х.25 и называется схемой кредитов. В этой схеме считается, что каждый передаваемый байт данных имеет порядковый номер. Границы между сообщениями не сохраняются. Например, если отправляющий прикладной процесс записывает в ТСP-поток четыре 512-байтовые порции данных, эти данные могут быть доставлены получающему процессу в виде четырех 512-байтовых порций, либо двух 1024-байтовых порций, либо одной 2048-байтовой порции. Каждая протокольная единица PDU TCP называется сегментом TCP и включает в заголовок сегмента порт источника данных и порт получателя. Значения портов идентифицируют соответствующих пользователей (приложения) двух объектов TCP.

Логическая связь относится именно к данной паре значения портов. В процессе связи каждый объект отслеживает сегменты TCP, получаемые от другой стороны или отправленные другой стороне, для того, чтобы регулировать поток сегментов и восстанавливать утерянные или поврежденные сегменты. Стандартный номер порта однозначно идентифицирует тип приложения, однако он не может однозначно идентифицировать прикладной процесс этого приложения. Одно приложение может одновременно осуществлять несколько процессов. Поэтому прикладной процесс однозначно определяется в пределах сети и в пределах отдельного компьютера парой (IP-адрес, номер порта) и называется сокетом (socket). Логическое TCP-соединение однозначно идентифицируется парой сокетов, определенных для этого соединения двумя взаимодействующими сокетами.

При работе на хост-отправителе протокол TCP рассматривает информацию, поступающую к нему от уровня приложений, как неструктурированный поток байтов. Эти данные буферируются средствами TCP. На уровень IP из буфера «вырезаются» сегменты, к которым добавляются заголовки. В состав заголовка входят сегменты SYN и ACK, служащие для установления TCP-соединения.

Для передачи сегмента данных имеются три поля, связанные с управлением потоком (восстановлением целостности принятого сообщения): порядковый номер (SN), номер подтверждения (AN) и окно (W) .Когда транспортный объект отправляет сегмент, он помещает в поле данных сегмента порядковый номер первого байта. Принимающий объект подтверждает получение сегмента с помощью обратного сегмента, в котором (АN=i, W=j), что означает:

все байты до SN=i-1 подтверждены. Следующий ожидаемый байт имеет номер АN=i.
разрешается отправить дополнительное окно из W=j байт данных, т.е. байты от I до i+j-1.

Таким образом, протокол TCP обеспечивает надежную доставку сообщений, поступающих из сети от ненадежного дейтаграммного протокола на межсетевом уровне. В сети Х.25 функцию надежной доставки выполняет канальный уровень модели OSI, который был подробно рассмотрен в предыдущих главах, а в сети Frame Relay эту функцию выполняет протокол ITU-T Q.921.