Сообщение tcp передается в поле данных. Протокол TCP

Протокол TCP (TransmissionControlProtocol, протокол управления передачей) представляет собой надежный протокол с установлением соединения, являющийся альтернативой UDP, и отвечающий за большинство передач пользовательских данных по сетям TCP/IP, и даже внесший свой вклад в название всего набора протоколов. Протокол TCP, как определено в документе RFC 793, обеспечивает приложения всем диапазоном транспортных услуг, включая подтверждение получения пакетов, отслеживание ошибок и их исправление, а также управление потоком.

Протокол TCP предназначен для передачи относительно больших объемов информации, которая заведомо не сможет быть упакована в один пакет. Информация обычно принимает форму целых файлов, которые должны быть разделены на множественные дейтаграммы для передачи. Информация, поставляемая Транспортному уровню, в терминологии протокола TCP рассматривается как последовательность (sequence), которую протокол разбивает на сегменты (segment) для передачи по сети. Как и в случае протокола UDP, сегменты затем упаковываются в IP-дейтаграммы, которые могут преодолевать маршрут до места назначения различными способами. Поэтому, протокол TCP снабжает каждый из сегментов порядковым номером для того, чтобы система-получатель смогла собрать их воедино в правильном порядке.

Перед началом любой передачи пользовательских данных с применением протокола TCP две системы обмениваются сообщениями с целью установления соединения. Это позволяет убедиться, что система-получатель функционирует и в состоянии принять данные. Как только соединение установлено и начинается процесс передачи данных, система-получатель периодически посылает сообщения, подтверждающие прием пакетов. Эти сообщения оповещают систему-отправителя о потерянных пакетах, а также обеспечивают ее информацией, используемой при контроле скорости потока передачи.

Формат TCP –сообщения

Функции полей TCP-заголовка описаны ниже.

Порт источника (SourcePort), 2 байта. Идентифицирует номер порта передающей системы, используемый процессом, который создал информацию, переносимую TCP-сегментами. В некоторых случаях это может быть фиктивный номер порта, выделенный клиентом специально для данной транзакции.

Порт назначения (DestinationPort), 2 байта. Указывает номер порта системы назначения, на который должна быть передана информация ТСР-сегментов. Номера портов перечислены в документе "AssignedNumbers", а также в файле SERVICES каждой ТСР/1Р-системы.

Порядковый номер (SequenceNumber), 4 байта. Определяет положение конкретного сегмента по отношению ко всей последовательности данных.

Подтвержденный номер (AcknowledgmentNumber), 4 байта. Задает максимальный номер байта в сегменте, увеличенный на единицу, который подтверждающая система ожидает получить от отправителя. Используется совместно с битом управления АСК.

Смещение данных (DataOffset), 4 бита. Задает длину в 4-байтных словах, TCP-заголовка (который может содержать опции, увеличивающие его размер вплоть до 60 байт).

Зарезервировано (Reserved), 6 битов. Выделено для последующих применений.

Биты управления (ControlBits), 6 битов. Содержит шесть 1-битных флагов, выполняющих перечисленные ниже функции:

URG - показывает, что последовательность содержит срочные данные (urgentdata) и активирует поле указателя срочности;

АСК - отмечает, что сообщение является подтверждением ранее полученных данных и активирует поле номера подтверждения;

PSH - предписывает системе-получателю передать всю информацию текущей последовательности, полученную на данный момент, приложению, идентифицированному полем порта назначения, не дожидаясь поступления остальных фрагментов;

RST - инструктирует систему-получателя отбросить все сегменты текущей последовательности, полученные к настоящему моменту, и начать установление TCP-соединение заново;

SYN - используется во время процедуры установления соединения для синхронизирования нумераторов переданных данных между взаимодействующими системами;

FIN - извещает другую систему, что передача данных закончена и соединение должно быть завершено.

Окно (Window), 2 байта. Реализует механизм управления потоком протокола TCP (скользящее окно) путем объявления количества байтов, которое система-получатель может принять от системы-источника.

Контрольная сумма (Checksum), 2 байта. Содержит результат вычисления контрольной суммы с учетом TCP-заголовка, данных, а также псевдозаголовок, составленный из полей IP-адреса источника, протокола, IP-адреса назначения из IP-заголовка плюс длина всего ТСР-сообщения.

Указатель срочности (UrgentPointer), 2 байта. Задействуется совместно с битом URG, определяет данные последовательности, которые должны рассматриваться получателем как срочные.

Опции (Options), переменный размер. Может содержать дополнительные конфигурационные параметры для TCP-соединения вместе с битами выравнивания, требуемыми для того, чтобы привести размер поля до ближайшего значения, кратного 4 байтам. Возможные опции перечислены ниже.

Максимальный размер сегмента (MaximumSegmentSize). Задает размер максимального сегмента, который текущая система может получить от другой системы, соединенной с ней.

Фактормасштабаокна (Window Scale Factor). Используется для увеличения размера поля окна с 2 до 4 байтов.

Временная отметка (Timestamp). Используется для хранения временных отметок пакетов данных, которые система-получатель возвращает отправителю с целью подтверждения. Это позволяет отправителю измерять время путешествия данных в оба конца.

Данные (Data), переменный размер. Может включать в себя сегменты данных, поступившие с вершины протокольного стека, от протоколов Прикладного уровня. В пакетах SYN, АСК и FIN это поле оставляется пустым.

IPX/SPX: Для обеспечения транспортных услуг для операционной системы NovellNetWare, фирмой Novell был создан свой собственный стек протоколов, получивший общее название по наименованию протокола Сетевого уровня - IPX (InternetworkPacketExchange, межсетевой обмен пакетами). По аналогии с TCP/IP этот стек иногда также называют IPX/SPX. Вторая часть этого обозначения соотносится с SPX (SequencedPacketeXchange, последовательный обмен пакетами), протоколом, работающим на Транспортном уровне. Однако, в отличие от комбинации TCP и IP, которая повсеместно встречается в TCP/IP- сетях и предназначена в основном для доставки большого количества трафика, комплекс IPX/SPX в сетях NetWare можно встретить относительно редко.

Протоколы IPX в нескольких аспектах похожи на TCP/IP. Оба стека протоколов задействуют на Сетевом уровне ненадежные протоколы без установления соединения (IPX и IP соответственно) для переноса дейтаграмм, содержащих данные множества протоколов верхних уровней, что обеспечивает широкий спектр услуг для различных применений. Подобно IP, IPX отвечает за адресацию дейтаграмм и маршрутизацию их к месту назначения в другой сети.

Однако в отличие от TCP/IP протоколы IPX были разработаны для применения в локальных сетях, и не поддерживают той почти неограниченной масштабируемости, свойственной протоколам Интернета. IPX не обладает такой самостоятельной адресной системой, какая имеется у протокола IP. Системы в сети NetWare идентифицируют другие системы посредством аппаратных адресов, "зашитых" в платы сетевых адаптеров в сочетании с адресом сети, назначенным администратором (или ОС) во время инсталляции операционной системы.

Дейтаграммы IPX переносятся внутри стандартных кадров протокола Канального уровня точно так же, как дейтаграммы IP. Протоколы IPX не имеют собственных протоколов Канального уровня. Тем не менее, в большинстве сетей данные IPX инкапсулируются кадрами Ethernet или TokenRing.

Протокол IPX

IPX базируется на протоколе IDP (InternetworkDatagramPacket, межсетевой обмен дейтаграммами), разработанном для сетевых служб Xerox (XNS, XeroxNetworkServices). IPX обеспечивает базовые транспортные услуги без установления соединения между системами интерсети при широковещательной и однонаправленной передаче. Большая часть обычного трафика между серверами NetWare или между клиентами и серверами переносится посредством дейтаграмм IPX.

Заголовок дейтаграммы IPX имеет длину 30 байтов (для сравнения: размер заголовка IP равен 20 байтам). Назначение полей заголовка перечислено ниже.

Контрольная сумма (Checksum), 2 байта. В оригинальном заголовке IDP это поле содержит значение CRC для дейтаграммы. Так как протоколы Канального уровня сами выполняют проверку контрольных сумм, то данная функция при обработке дейтаграмм IPX не задействована и поле всегда содержит шестнадцатеричное значение ffff.

Длина (Length), 2 байта. Задает размер дейтаграммы в байтах, включая заголовок IPX и поле данных.

Управление доставкой (TransportControl), 1 байт. Это поле также известно как счетчик транзитов (hopcount). Оно фиксирует количество маршрутизаторов, через которые прошла дейтаграмма на пути к месту назначения. Передающая система сбрасывает его в 0, а каждый из маршрутизаторов при обработке дейтаграммы увеличивает значение счетчика на 1. Как только количество транзитных маршрутизаторов достигает 16, последний из них отбрасывает дейтаграмму.

Тип пакета (Packet Туре), 1 байт. Идентифицирует сервис или протокол верхнего уровня, который создал данные, переносимые дейтаграммой. Используются следующие значения:

0 - не определен;

1 - RoutingInformationProtocol (RIP, протокол информации маршрутизации);

4 - ServiceAdvertisingProtocol (SAP, протокол извещения об услугах);

5 - SequencedPacketExchange (SPX, последовательный обмен пакетами);

17 - NetWare Core Protocol (NCP, основнойпротокол NetWare).

Адрессетиназначения (Destination Network Address), 4 байта. Указывает сеть, в которой расположена система-получатель, содержит значение, выделенное администратором или операционной системой во время инсталляции NetWare.

Адрес узла назначения (DestinationNodeAddress), 6 байтов. Определяет сетевой интерфейс компьютера, которому должны быть доставлены данные, представляет собой аппаратный адрес протокола Канального уровня. Широковещательные сообщения передаются с шестнадцатеричным адресом ffffffffffff.

Сокет назначения (DestinationSocket), 2 байта. Отвечает за идентификацию процесса, выполняющегося на системе-получателе, для которого, собственно, и предназначены данные внутри дейтаграммы. Используетсяодноизследующихзначений:

0451 - NetWare Core Protocol;

0452 - Service Advertising Protocol;

0453 - Routing Information Protocol;

0455 - NetBIOS;

0456 - диагностический пакет;

0457 - пакет присваивания номера (serializationpacket);

4000-6000 - сокеты, отведенные процессам сервера;

9000 - NetWareLinkServicesProtocol;

9004 - IPXWAN Protocol.

Адрес сети источника (SourceNetworkAddress), 4 байта. Идентифицирует сеть, в которой находится система, пославшая дейтаграмму. Используется значение, выделенное администратором или операционной системой во время инсталляции NetWare.

Адрес узла источника (SourceNodeAddress), 6 байтов. Содержит аппаратный адрес протокола Канального уровня для сетевого интерфейса компьютера, который отправил дейтаграмму.

Сокет источника (SourceSocket), 2 байта. Определяет процесс, выполняющийся на локальной системе, сформировавший данные пакета. Применяются те же значения, что и для поля сокета назначения.

Данные (Data), переменной длины. Информация, сгенерированная протоколом вышележащего уровня.

Поскольку IPX является протоколом без установления соединения, для подтверждения правильности доставленных данных он полагается на протоколы верхних уровней. Тем не менее, клиенты NetWare активируют системные часы таймаута запроса, по истечении которого таймер вынуждает их повторно отправить дейтаграмму IPX, если ответ не был получен в течение заданного периода времени.

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") .

Транспортный уровень

Задача транспортного уровня - это передача данных между различными приложениями, выполняемых на всех узлах сети. После того, как пакет доставляется с помощью IP-протокола на принимающий компьютер, данные должны быть отправлены специальному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, кроме того, приложение может иметь несколько точек входа, действуя в качестве адреса назначения для пакетов данных.

Пакеты, приходящие на транспортный уровень операционной системы организованы в множества очередей к точкам входа различных приложений. В терминологии TCP/IP такие точки входа называются портами.

Transmission Control Protocol

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) - является обязательным протоколом стандарт TCP/IP , определенный в стандарте RFC 793, "Transmission Control Protocol (TCP)".

TCP - это протокол транспортного уровня, предоставляющий транспортировку (передачу) потока данных, с необходимостью предварительного установления соединения, благодаря чему гарантирует уверенность в целостности получаемых данных, также выполняет повторный запрос данных в случае потери данных или искажения. Помимо этого протокол TCP отслеживает дублирование пакетов и в случае обнаружения - уничтожает дублирующиеся пакеты.

В отличие от протокола UDP гарантирует целостность передаваемых данных и подтверждения отправителя о результатах передачи. Используется при передаче файлов, где потеря одного пакета может привести к искажению всего файла.

TCP обеспечивает свою надежность благодаря следующему:

Данные от приложения разбиваются на блоки определенного размера, которые будут отправлены.
Когда TCP посылает сегмент, он устанавливает таймер, ожидая, что с удаленного конца придет подтверждение на этот сегмент. Если подтверждение не получено по истечении времени, сегмент передается повторно.
Когда TCP принимает данные от удаленной стороны соединения, он отправляет подтверждение. Это подтверждение не отправляется немедленно, а обычно задерживается на доли секунды
TCP осуществляет расчет контрольной суммы для своего заголовка и данных. Это контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения, целью которой является выявить любое изменение данных в процессе передачи. Если сегмент прибывает с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его и подтверждение не генерируется. (Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут и осуществит повторную передачу.)
Так как TCP сегменты передаются в виде IP датаграмм, а IP датаграммы могут прибывать беспорядочно, также беспорядочно могут прибывать и TCP сегменты. После получения данных TCP может по необходимости изменить их последовательность, в результате приложение получает данные в правильном порядке.
Так как IP датаграмма может быть продублирована, принимающий TCP должен отбрасывать продублированные данные.
TCP осуществляет контроль потока данных. Каждая сторона TCP соединения имеет определенное пространство буфера. TCP на принимающей стороне позволяет удаленной стороне посылать данные только в том случае, если получатель может поместить их в буфер. Это предотвращает от переполнения буферов медленных хостов быстрыми хостами.

Порядковый номер выполняет две задачи:

Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности - ISN (Initial Sequence Number), и первый байт данных, которые будут переданы в следующем пакете, будет иметь номер последовательности, равный ISN + 1.
В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот номер последовательности.

Номер подтверждения - если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.
Длина заголовка - задается словами по 32бита.
Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.
Контрольная сумма - включает псевдо заголовок, заголовок и данные.
Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.
URG - флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если =0 то поле игнорируется.
ACK - флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.
PSH - флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.
RST - флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении
SYN - флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.
FIN - флаг окончание передачи со стороны отправителя

Рассмотрим структуру заголовка TCP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

TCP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки TCP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

TCP порты используют определенный порт программы для доставки данных, передаваемых с помощью протокола управления передачей (TCP). TCP порты являются более сложными и работают иначе, чем порты UDP. В то время как порт UDP работает как одиночная очередь сообщений и как точка входа для UDP-соединения, окончательной точкой входа для всех соединений TCP является уникальное соединение. Каждое соединение TCP однозначно идентифицируется двумя точками входа.

Каждый отдельный порт сервера TCP может предложить общий доступ к нескольким соединениям, потому что все TCP соединения идентифицируются двумя значениями: IP-адресом и TCP портом (сокет).

Все номера портов TCP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

TCP программы используют зарезервированные или хорошо известные номера портов, как показано на следующем рисунке.

Установление соединения TCP

Давайте теперь посмотрим, как устанавливается TCP-соединения. Предположим, что процесс, работающий на одном хосте, хочет установить соединение с другим процессом на другом хосте. Напомним, что хост, который инициирует соединение называется «клиентом», в то время как другой узел называется «сервером».

Перед началом передачи каких-либо данных, согласно протоколу TCP, стороны должны установить соединение. Соединение устанавливается в три этапа (процесс «трёхкратного рукопожатия» TCP).

Запрашивающая сторона (которая, как правило, называется клиент) отправляет SYN сегмент, указывая номер порта сервера, к которому клиент хочет подсоединиться, и исходный номер последовательности клиента (ISN).
Сервер отвечает своим сегментом SYN, содержащим исходный номер последовательности сервера. Сервер также подтверждает приход SYN клиента с использованием ACK (ISN + 1). На SYN используется один номер последовательности.
Клиент должен подтвердить приход SYN от сервера своим сегментов SYN, содержащий исходный номер последовательности клиента (ISN+1) и с использованием ACK (ISN+1). Бит SYN установлен в 0, так как соединение установлено.

После установления соединения TCP, эти два хоста могут передавать данные друг другу, так как TCP-соединение является полнодуплексным, они могут передавать данные одновременно.

Протоколы транспортного уровня предназначены для обеспечения непосредственного информационного обмена между двумя пользовательскими процессами. Существует два типа протоколов транспортного уровня – сегментирующие протоколы и не сегментирующие протоколы доставки дейтаграмм.

Сегментирующие протоколы транспортного уровня, разбивают исходное сообщение на блоки данных транспортного уровня - сегменты.

Протоколы доставки дейтаграмм не сегментируют сообщение и отправляют его одним куском, который называется «дейтаграмма». При этом функции установления и разрыва соединения, управления потоком не нужны. Протоколы доставки дейтаграмм просты для реализации, однако, не обеспечивают гарантированной и достоверной доставки сообщений.

В качестве протоколов транспортного уровня в сети Internet могут быть использованы два протокола:

UDP User Datagram Protocol
TCP Transmission Control Protocol

Идентификация процессов на транспортном уровне

Для организации информационного взаимодействия на транспортном уровне должен быть указан сетевой адрес абонента и номер порта процесса. В данном случае порт является виртуальным интерфейсом транспортного уровня. Взаимодействие процессов пользователя с портами может производиться по различным схемам:

Синхронизация процесса
Буферизация поступающих данных

При использовании первой схемы, поступление данных от внешней системы в порт вызывает прерывание выполнения соответствующего процесса. Использование буферов промежуточного хранения для каждого порта обеспечивает возможность асинхронного обмена с портом.

Перечень номеров назначенных портов приведен в документе IETF STD 2

Транспортный протокол UDP

Описание принципов построения протокола UDP приведено в RFC 768. Для передачи сообщений UDP используются пакеты IP. Сообщения UDP в данном случае размещаются в поле данных переносящего их пакета.

Формат сообщения UDP

Дейтаграммы UDP имеют переменную длину и состоят из заголовка сообщения UDP header и собственно сообщения UDP Data. На рисунке приведена структура заголовка сообщения UDP.

Поле UDP DESTINATION PORT

В этом поле должен быть размещен номер порта процесса, которому предназначено данное сообщение.

Поле UDP SOURCE PORT

В этом поле может быть размещен номер порта процесса, который является источником данного сообщения. Это поле формируется в том случае, если характер информационного взаимодействия предполагает формирование отклика.

Поле UDP MRSSAGE LENGTH

В поле UDP MRSSAGE LENGTH размещается выраженная в байтах длина сообщения UDP. Сообщение минимальной длины – 8 байт состоит из одного заголовка.

UDP SOURCE PORT	UDP DESTINATION PORT
UDP MRSSAGE LENGTH	UDP CHECKSUM
DATA

Поле UDP CHECKSUM

В этом поле может размещаться контрольная сумма сообщения. В том случае, если контрольная сумма сформирована, она должна быть вычислена с учетом псевдо- заголовка UDP, который является не частью дейтаграммы, а фрагментом пакета IP и содержит адреса сетевого уровня источника и станции назначения.

Использование протокола UDP

Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку сообщений в сети Internet. Этот протокол может быть использован в тех приложениях, которые либо не нуждаются в этом качестве, либо обеспечивают гарантированность доставки другими средствами. Примерами приложений, которые используют протокол UDP, являются TELNET и TFTP.

Транспортный протокол TCP

Протокол TCP используется для обеспечения надежного информационного обмена на транспортном уровне в сетях Internet. Первое описание протокола приведено в RFC 793.

Особенности реализации информационного обмена TCP

Существует достаточно много причин, которые могут помешать пакету, который передается в сети, успешно достичь станции назначения. Таким образом, если не будут использованы специальные методы для обеспечения гарантированной доставки, принятое сообщение может существенным образом отличаться от того сообщения, которое было передано.

Надежный информационный обмен предполагает следующие возможности:

Потоковый обмен
Использование виртуальных соединений
Буферизированная передача данных
Неструктурированный поток
Обмен в режиме полного дуплекса

Потоковый обмен

Надежное транспортное соединение позволяет обеспечить такой режим информационного взаимодействия, когда приемник получает абсолютно ту же последовательность байтов, которая была передана отправителем.

Использование виртуальных соединений

Надежный информационный обмен на транспортном уровне может быть интерпретирован виртуальным логическим соединением. На начальной стадии одна из взаимодействующих сторон инициирует установление соединения, используя при этом по мере необходимости процедуры аутентификации. В процессе информационного обмена через установленное соединение обе стороны контролируют его качество и при возникновении проблем с передачей данных инициируют процесс разрыва соединения и формируют соответствующие сообщения для протоколов верхних уровней.

Буферизированная передача данных

Использование буферов позволяет согласовать скорость информационного обмена в канале передачи данных с значением скорости передачи данных приложением пользователя.

Для обеспечения требования доставки трафика, который чувствителен к временным задержкам, в дополнение к буферу может быть использован дополнительный механизм «push» - поршень. Использование данного механизма обеспечивает форсирование передачи содержимого буфера в тот момент, когда в него попадают данные, которые чувствительны к временным задержкам.

Методы обеспечения надежного информационного взаимодействия в TCP.

Для обеспечения гарантированной доставки сообщений протокол TCP использует аппарат позитивного квитирования с повторной передачей (positive acknowledgement with retransmission). Обычно при использовании данной схемы получатель информации посылает специальный сигнал ACK в подтверждение ее получения. Дальнейшее выполнение информационного обмена может быть выполнено только в том случае, если передающая сторона получит это подтверждение.

Простая процедура квитирования

Передающая сторона приостанавливает передачу очередного сегмента до получения подтверждения о приеме предыдущего сегмента. Интервал ожидания устанавливается равным значению задержки повторной передачи – retransmit timer. Если в течение этого интервала времени не будет получено подтверждение о приеме переданного сегмента, передача данного сегмента выполняется повторно.

Квитирование с использованием скользящего окна

Применение простой процедуры квитирования не обеспечивает достаточную эффективность использования пропускной способности каналов передачи данных. По крайней мере, половину времени системы ожидают получения подтверждения. Более эффективной в этом смысле является процедура квитирования с использованием скользящего окна, которая позволяет передающей стороне передать несколько сегментов сообщения, не дожидаясь получения подтверждения о приеме.

Максимальное число сегментов, которые передающая сторона может передать до получения подтверждения приема первого из них, называется ОКНОМ

При использовании этого механизма принимающая сторона может передавать подтверждение на получение сразу нескольких сегментов.

Процедуры управления потоком TCP

Протокол TCP оперирует с данными, которые поступают в виде потока байтов, которые сгруппированы в сегменты. Для передачи каждого сегмента используется отдельная дейтаграмма.

Описанный в предыдущем параграфе метод скользящего окна используется протоколом TCP для обеспечения выполнения двух функций:

Управление скоростью передачи данных
Обеспечение надежной доставки передаваемых данных

Процедура скользящего окна в протоколе TCP реализуется применительно к байтам. Каждому байту входного потока присваивается порядковый номер. Для управления процессом передачи используется три указателя.

Первый указывает границу между последним байтом, который был передан и получение которого подтверждено и первым переданным, но неподтвержденным байтом.

Второй указывает границу между последним переданным байтом, подтверждение о получении для которого еще не получено, и первым байтом, который может быть передан, до получения подтверждения о приеме предыдущих переданных байтов.

Третий указывает границу между последним байтом, который может быть передан, до получения подтверждения о приеме предыдущих переданных байтов и остальной частью информационного потока.

Процедура управления потоком заключается в согласовании скорости, с которой передаются данные с пропускной способностью канала их передачи.

Для обеспечения управления потоком в протоколе TCP предусмотрена возможность изменения размера окна. Каждое сообщение подтверждения содержит в себе значение представляемого размера окна - (window advertisement) которое в общем случае определяет размер буфера, который может быть использован в текущий момент для приема информации.

Использование скользящего окна для управления информационным потоком делает ненужным использование дополнительных механизмов для управления переполнением.

Особенности практической реализации протокола TCP

Синдром неоптимального окна

При использовании протокола TCP на линиях, пропускная способность которых была различной в различных направлениях, пользователи могли наблюдать возникновение ситуации, которая получила название синдром неоптимального окна – silly window syndrome - SWS. Данная ситуация характеризуется тем, что одно из взаимодействующих приложений «А» может передавать данные с существенно большей скоростью, чем другое - «В». Если изначально сторона «В» установила размер своего окна равным величине своего буфера, вполне может получиться так, что сторона «А» заполнит весь буфер до того, как получит первое уведомление об изменении размера окна. Исчерпав лимит байтов, установленный для передачи, сторона «А» перейдет в режим ожидания подтверждения. Когда сторона «В» начнет обработку поступивших данных, она сможет освободить некоторую часть буфера и передаст уведомление о соответствующем изменении размера приемного окна. Сторона «А» быстро заполнит освободившееся место в буфере и опять перейдет в режим ожидания. Наиболее неприятным следствием возникновения такой ситуации будет то, что канал передачи данных в направлении от «А» к «В» будет использоваться крайне неэффективно, поскольку сегменты TCP будут использоваться для переноса небольших объемов данных (до 1 байта). Соотношение долей полезной нагрузки и служебной информации в данном случае будет крайне неудачным. Для того, чтобы избежать возникновения SWS в практической реализации протокола TCP используются несколько различных способов.

Способы предотвращение появления SWS на приемной стороне

Для того, чтобы предотвратить возникновение SWS, приемной стороне достаточно передавать представления только для больших изменений размеров окна. Это означает, что сообщение ACK с новым значением размера окна передается не сразу после того, как появится свободное место во входном буфере, а только после того, как размер этого свободного место будет достаточен для приема минимального установленного объема передаваемой информации. Например, в качестве такого минимального объема может быть использован половинный объем приемного буфера. Некоторые реализации протокола TCP могут также использовать в качестве представления величины окна максимальную длину передаваемого сегмента.

Другим способом, который также может быть использован на приемной стороне для предотвращения возникновения эффекта SWS, является процедура задержки подтверждений. Этот метод довольно прост для реализации и в тоже время достаточно эффективен. Действительно, задержка ответа на некоторое постоянное время, позволит избежать SWS и одновременно повысить эффективность использования канала передачи данных – поскольку на все сегменты, которые поступят на приемник в течение интервала задержки, будет сформировано только одно подтверждение. Использование фиксированной задержки подтверждения рекомендовано стандартом для предотвращения SWS. Следует, однако, иметь в виду, что выбор слишком большого времени задержки может привести к повторной передаче сегмента.

Способы предотвращение появления SWS на передающей стороне

Для предотвращения появления SWS передающая сторона может использовать алгоритм Нейгла (Nagle). Суть этого алгоритма заключается в том, что первая порция информации передается немедленно после попадания в буфер, все последующие дожидаются, пока в буфере накопится достаточный для передачи объем данных.

Предыдущая лекция
Протоколы внешней маршрутизации

На транспортном уровне стека TCP/IP используются два основных протокола: TCP и UDP . Общее представление о функциях транспортного уровня можно получит в соответствующей статьей. В данном тексте речь пойдёт о протоколе TCP (Transmission Control Protocol), который используется для обеспечения надёжной доставки данных на транспортном уровне.

Существуют общие задачи транспортного уровня, с которыми справляется как TCP, так и UDP . Основных задач собственно две: сегментация данных , приходящих с уровня приложений и адресация приложений (передающего и принимающего) при помощи портов. Подробнее об этом можно прочесть в статье, посвященной транспортному уровню .

Помимо этого, TCP обеспечивает:

Надёжную доставку сегментов.
Упорядочивание сегментов при получении.
Работу с сессиями.
Контроль за скоростью передачи.

Рассмотрим эти возможности более детально.

Надёжная доставка сегментов

Под надёжной доставкой подразумевается автоматическая повторная пересылка недошедших сегментов. Каждый сегмент маркируется при помощи специального поля - порядкового номера (sequence number). После отправки некоторого количества сегментов, TCP на отправляющем узле ожидает подтверждения от получающего, в котором указывается порядковый номер следующего сегмента, который адресат желает получить. В случае, если такое подтверждение не получено, отправка автоматически повторяется. После некоторого количества неудачных попыток, TCP считает, что адресат не доступен, и сессия разрывается.

Таким образом, надёжная доставка не означает, что ваши данные дойдут в случае, если кто-то выдернул кабель из коммутатора. Она означает, что разработчик ПО, использующий TCP на транспортном уровне знает, что если сессия не разорвалась, то всё что он поручил отправить будет доставлено получателю без потерь. Существует множество данных, критичных к потере любой порции информации. Например, если вы скачиваете приложение из интернета, то потеря одного байта будет означать, что вы не сможете воспользоваться тем что скачали. По этой причине многие протоколы уровня приложений используют для транспорта TCP.

Упорядочивание сегментов при получении

Как несложно догадаться, каждый сегмент на нижний уровнях TCP/IP обрабатывается индивидуально. То есть, как минимум, он будет запакован в индивидуальный пакет. Пакеты идут по сети и промежуточные маршрутизаторы в общем случае уже ничего не знают о том, что запаковано в эти пакеты. Часто пакеты с целью балансировки нагрузки могут идти по сети разными путями, через разные промежуточные устройства, с разной скоростью. Таким образом получатель, декапсулировав их, может получить сегменты не в том порядке, в котором они отправлялись.

TCP автоматически пересоберёт их в нужном порядке используя всё то же поле порядковых номеров и передаст после склейки на уровень приложений.

Работа с сессиями

Перед началом передачи полезных данных, TCP позволяет убедиться в том, что получатель существует, слушает нужный отправителю порт и готов принимать данные для этого устанавливается сессия при помощи механизма трёхстороннего рукопожатия (three-way handshake), о котором можно прочесть в соответствующей статье. Далее, в рамках сессии передаются полезные пользовательские данные. После завершения передачи сессия закрывается, тем самым получатель извещается о том, что данных больше не будет, а отправитель извещается о том, что получатель извещён.

Контроль за скоростью передачи

Контроль за скоростью передачи позволяет корректировать скорость отправки данных в зависимости от возможностей получателя. Например, если быстрый сервер отправляет данные медленному телефону, то сервер будет передавать данные с допустимой для телефона скоростью.

Благодаря механизму скользящего окна (sliding window), TCP может работать с сетями разной надёжности. Механизм плавающего окна позволяет менять количество пересылаемых байтов, на которые надо получать подтверждение от адресата. Чем больше размер окна, тем больший объём информации будет передан до получения подтверждения. Для надёжных сетей подтверждения можно присылать редко, чтобы не добавлять трафика, поэтому размер окна в таких сетях автоматически увеличивается. Если же TCP видит, что данные теряются, размер окна автоматически уменьшается. Это связанно с тем, что если мы передали, например, 3 килобайта информации и не получили подтверждения, то мы не знаем, какая конкретно часть из них не дошла и вынуждены пересылать все три килобайта заново. Таким образом, для ненадёжных сетей, размер окна должен быть минимальным.

Механизм скользящего окна позволяет TCP постоянно менять размер окна - увеличивать его пока всё нормально и уменьшать, когда сегменты не доходят. Таким образом, в любой момент времени размер окна будет более или менее адекватен состоянию сети.

Структура TCP

Заголовок TCP сегмента имеет следующую структуру:

Source port и Destination port - это соответственно номера портов получателя и отправителя, идентифицирующие приложений на отправляющем и принимающем узлах.
Sequence number и Acknowledgment number - это порядковый номер сегмента и номер подтверждения, которые используются для надёжной доставки. Например, если отправитель шлёт сегмент с SN 100, то получатель может ответить на него ACK 101 SN200, что означает: «Я получил твой сегмент с номером 100 и жду от тебя 101-го, кстати, у меня своя нумерация. Мои номера начинаются с 200» Отправитель, в свою очередь, может ответить SN101 ACK201, что означает «Я получил от тебя сегмент с номером 200, могу принять следующий 201-ый, а вот тебе мой 101-ый сегмент, которого ты ждёшь». Ну и так далее.
Header length - Это четырёхбитное поле, содержащее в себе длину заголовка TCP сегмента.
Reserved - 6 зарезервированных на всякий случай бит.
Control - поле с флагами, которые используются в процессе обмена информацией и описывают дополнительное назначение сегмента. Например, флаг FIN используется для завершения соединений, SYN и ACK - для установки.
Window - содержит размер окна, о чём было сказано выше.
Checksumm - контрольная сумма заголовка и данных.
Urgent - признак важности (срочности) данного сегмента.
Options - дополнительное необязательное поле, которое может использоваться, например, для тестирования протокола.
В разделе данных содержатся собственно данные, полученные от протокола уровня приложений, либо их кусок, если данные пришлось разбивать.