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:
СегментПорция данных, которую TCP отправляет IP, называется сегментом TCP.
ДейтаграммаПорция данных, которую IP отправляет уровню сетевого интерфейса, называется дейтаграммой IP.
Порядковый номерКаждый 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") .
За время развития вычислительных сетей было предложено и реализовано много протоколов обмена данными, самыми удачными из которых явились семейство протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей/межсетевой протокол).
ТСР/IР – это набор протоколов, состоящий из следующих компонентов:
· межсетевой протокол (Internet Protocol) , обеспечивающий адресацию в сетях (IP-адресацию);
· межсетевой протокол управления сообщениями (Internet Control Message Protocol – ICMP) , который обеспечивает низкоуровневую поддержку протокола IP, включая такие функции, как сообщения об ошибках, квитанции, содействие в маршрутизации и т. п.;
· протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol – ARP) , выполняющий преобразование логических сетевых адресов в аппаратные, а также обратный ему RARP (Reverse ARP);
· протокол пользовательских датаграмм (User Datagramm Protocol – UDP) ;
· протокол управления передачей (Transmission Control Protocol – TCP) .
Протокол UDP обеспечивает передачу пакетов без проверки доставки, в то время как протокол TCP требует установления виртуального канала и соответственно подтверждения доставки пакета с повтором в случае ошибки.
Этот набор протоколов образует самую распространенную модель сетевого обмена данными, получившую название – TCP/IP. Модель TCP/IP иерархическая и включает четыре уровня.
Прикладной уровень определяет способ общения пользовательских приложений. В системах "клиент-сервер" приложение-клиент должно знать, как посылать запрос, а приложение-сервер должно знать, как ответить на запрос. Этот уровень обеспечивает такие протоколы, как HTTP, FTP, Telnet.
Транспортный уровень позволяет сетевым приложениям получать сообщения по строго определенным каналам с конкретными параметрами.
На сетевом уровне определяются адреса включенных в сеть компьютеров, выделяются логические сети и подсети, реализуется маршрутизация между ними.
На канальном уровне определяется адресация физических интерфейсов сетевых устройств, например, сетевых плат. К этому уровню относятся программы управления физическими сетевыми устройствами, так называемые, драйверы.
Как уже отмечалось ранее, в сетях с коммутацией пакетов, а модель TCP/IP относится к таким, для передачи по сети сообщение (сформированное на прикладном уровне) разбивается на пакеты или датаграммы. Пакет или датаграмма – это часть сообщения с добавленным заголовком пакета или датаграммы.
На транспортном уровне к полезной информации добавляется заголовок – служебная информация. Для сетевого уровня полезной информацией является уже пакет или датаграмма транспортного уровня. К ним добавляется заголовок сетевого уровня.
Полученный блок данных называется IP-пакетом. Полезной нагрузкой для канального уровня является уже IP-пакет. Здесь перед передачей по каналу к нему добавляются собственный заголовок и еще завершитель. Получившийся блок называется кадром. Он и передается по сети.
Переданный по сети кадр в пункте назначения преобразуется в обратном порядке, проходя по уровням модели снизу вверх.
Выводы по теме
1. Протокол сетевого обмена информацией – это перечень форматов передаваемых блоков данных, а также правил их обработки и соответствующих действий.
2. Протокол обмена данными – это подробная инструкция о том, какого типа информация передается по сети, в каком порядке обрабатываются данные, а также набор правил обработки этих данных.
3. В настоящее время почти все сети в мире являются сетями коммутации пакетов.
4. Существуют два принципа организации обмена данными: установление виртуального соединения с подтверждением приема каждого пакета и передача датаграмм.
5. При виртуальном соединении пункт приема информации уведомляет отправителя о правильном или неправильном приеме каждого пакета. Виртуальным его называют потому, что в отличие от телефонного коммутированного канала обмен информацией может идти по различным физическим путям даже в процессе передачи одного сообщения.
6. При передаче датаграммы короткие пакеты пересылаются адресату без подтверждения получения каждой из них, а о получении всего сообщения целиком должна уведомить целевая программа.
7. ТСР/IР – это набор протоколов, состоящий из следующих компонентов: межсетевой протокол (IP), межсетевой протокол управления сообщениями (ICMP), протокол разрешения адресов (ARP), протокол пользовательских датаграмм (UDP) и протокол управления передачей (TCP).
Вопросы для самоконтроля
1. Что понимается под протоколом передачи данных?
2. Охарактеризуйте сети с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов.
3. Чем отличается соединение по виртуальному каналу от передачи датаграмм?
4. Какие протоколы образуют модель TCP/IP?
5. Какие уровни входят в сетевую модель TCP/IP?
6. Дайте характеристику всех уровней модели TCP/IP и укажите соответствующие этим уровням протоколы.
7. Соотнесите по уровням модели TCP/IP понятия "пакет" и "кадр". Чем они отличаются?
8. Какой протокол обеспечивает преобразование логических сетевых адресов в аппаратные?
Многим знакома аббревиатура TCP, гораздо меньшее количество людей знает, что это протокол передачи данных. Но практически никто не знает, как он устроен.
Внимание! Этот материал рассчитан на тех, кого действительно интересуется вопросом: «Как устроена сеть, и что я могу сделать, если буду это знать». Если же тебя еще смущают слова вроде DNS, Telnet, Socket — то можешь сразу забить на этот материал — такие «страшные» слова тут конечно не встретятся, но от этого содержание понятней не станет…
Для тех кто остался:
Наверное, многие из вас слышали такие слова как SYN-flooding или IP-spoofing. Все это разновидности атак — первая D.O.S., вторая
состоит в подмене IP-адреса. На первый взгляд между этими примерами нет ничего общего, но между тем, это не так — обе эти атаки не возможны без глубокого знания протокола TCP, протокола на котором стоит
Inet.
Спецификация протокола TCP описана в RFC793 . Рекомендую тебе ознакомится с этим документом, потому как хоть я и постараюсь повести до тебя самое важное, снабдив это важное соответствующими комментариями, которых ты не найдешь в мануале, но все же из-за малого объема и практического угла зрения, могу и упустить некоторые тонкости.
Данные, передаются в виде пакетов. Такая организация передачи означает, что данные, какого размера они ни были, разбиваются на отдельные фрагменты, которые формируются в пакеты (формирование пакетов предполагает, что к данным прибавляется служебный заголовок), после чего в виде пакетов данные передаются по сети (причем порядок передачи пактов может нарушаться). Принимающая система «собирает» из пакетов исходный массив данных на основании заголовков пакетов. Это не очень понятно, но только до тех пор, пока не рассмотрим структуру пакетов.
Структура TCP-пакета:
Поясню только самые важные места:
Адрес получателя, порт получателя и адрес отправителя, порт отправителя — это надеюсь понятно.
Sequence Number(SYN) — номер очереди или последовательный номер, показывает порядковый номер пакета при передаче, именно поэтому принимающая система собирает пакеты именно так, как надо, а не в том порядке, как они пришли.
Acknowledgment Number(ACK) — номер подтверждения, показывает, на пакет с каким SYN отвечает удаленная система, таким образом мы имеем представление, что удаленная система получила наш пакет с данным
SYN.
Контрольные биты- 6 бит (на схеме между reversed и window). Значения битов:
URG: поле срочного указателя задействовано
ACK: поле подтверждения задействовано
PSH: функция проталкивания
RST: перезагрузка данного соединения
SYN: синхронизация номеров очереди
FIN: нет больше данных для передачи
DATA — это непосредственно те данные, которые мы хотим передать.
Думаю, для начала это все, что нужно, чтобы понять принцип работы протокола. Более подробно о значении остальных полей ты можешь прочитать в в RFC793. Ну а мы лучше разберем как же все-таки это работает на практике.
Когда мы хотим установить соединение, мы отправляем удаленной системе пакет следующей структуры:
Client — SYN (856779) — Host
Где Client- это мы, a Host — это удаленная система. Как ты видишь, мы посылаем пакет лишь с указанием SYN — это значит, что этот пакет первый, мы ни на что не отвечаем (отсутствует ACK). Данный пакет выглядит примерно так:
20 53 52 43 00 00 44 45 53 54 00 00 08 00 45 00 00 2C C3 00 40 00 20 06 10 0C CB 5E FD BA CB 5E F3 47 04 07 00 17 00 0D 12 CB 00 00 00 00 60 02 20 00 D9 70 00 00 02 04 05 B4 2D
Интересный момент в том, откуда берется SYN. SYN образуется от первоначального номера очереди
(ISN) — это 32-битный номер от 1 до 4294967295 (2 в 32-ой степени). ISN при перезагрузке системы равен 1, затем каждую секунду он увеличивается на 128000 (строго говоря изменение происходит каждые 4 микросекунды) + при каждом установленном соединении он увеличивается на 64000. Получается, что цикл уникальности ISN, при условии того, что никакие соединения не устанавливались, составляет примерно 4,55 часа. Поскольку ни один пакет так долго по сети не путешествует, мы можем полагать, что SYN будет абсолютно уникальным.
Получив наш пакет, удаленная система отвечает, что получила и готова установить соединение. Данные пакет выглядит так:
Host — SYN (758684758) и ACK (856780) — Client
Как видишь, удаленная система дает понять, что получила наш пакет. Для этого она посылает нам ACK с номером «наш SYN+1». В добавок к этому удаленная система посылает нам свой SYN (мы же тоже будем отвечать). А ответ наш будет такой:
Client — SYN (856780) и ACK (758684759) — Host
Думаю тебе уже должно быть все понятно. Если кто не понял, то пакет означает следующее: ваш пакет с SYN (758684758) получен, соединение установлено, наш SYN равен 856780.
Эту процедуру называют «трехкратным подтверждением» или «трехкратным рукопожатием». Первые два этапа необходимы для синхронизации SYN наших систем, а третий — подтверждение того, что синхронизация произошла.
Далее у нас идет обмен данными, т.е. то, для чего соединение и устанавливалось. Причем надо заметить, что на всех стадиях обеспечение сохранности данных, передаваемых с использованием протокола TCP, осуществляется следующим образом: посланный пакет помещается в буфер и если за определенное время от удаленной системы не приходит пакет с подтверждением (ACK), то пакет посылается снова; если же подтверждение пришло, то пакет считается посланным успешно и удаляется из буфера.
Ну соединение нам больше не нужно, можно его и закрыть. Этот этап снова будет
состоять из нескольких стадий — надеюсь ты уже в состоянии сам прочитать эти пакеты.
Client — FIN(4894376) и ACK (1896955378) — Host
Host — ACK (4894377) — Client
Host — FIN (1896955378) и ACK (4894377) — Client
Client — ACK (1896955378) — Host
Думаю, ничего сложного здесь нет. Единственное, что стоит отметить — это флаг FIN, который означает желание завершить соединение.
Подводя небольшие итоги вышеизложенному, отметим в каких же случаях изменяются/не изменяются порядковые номера:
Передача одного FIN Пакета = +1
Передача одного SYN Пакета = +1
Передача одного ACK Пакета = 0
Передача одного SYN/ACK Пакета = +1
Передача одного FIN/ACK Пакета = +1
Изменение за 1 секунду = +128,000
Установление одного соединения = +64,000
Возможно, кто-то спросит: «А что будет, если машин получит пакет с таким ACK, которого не было?» (SYN=ACK-1, а пакет с таким SYN мы не посылали). Получив ответ непонятно на что, мы в свою очередь ответим удаленной системе NACK-пакетом (означает «не знаю о чем ты», никакого соединения не устанавливается), но, надеюсь, более подробно мы поговорим с тобой об этом в следующий раз.
). 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.
| 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 назначения идентифицирует порт, на который отправлен пакет.
Номер последовательности выполняет две задачи:
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.
Если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.
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 (6 бит) для будущего использования и должны устанавливаться в ноль. Из них два (7-й и 8-й) уже определены:
Это поле содержит 6 битовых флагов:
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.
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.
| 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) |
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.
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 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.
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.
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 .
| Основные протоколы TCP/IP | |||
|---|---|---|---|
| Прикладной уровень |
IMAP4 |
||
| Передача файлов | XDR | ||
| Транспортный уровень | TCP · | IPv4 · | |
Транспортные протоколы TCP и UDP стека протоколов TCP/IP обеспечивают передачу данных между любой парой прикладных процессов , выполняющихся в сети, и предоставляют интерфейс для протокола IP путем демультиплексирования нескольких процессов, использующих в качестве адресов транспортного уровня порты. Для каждого прикладного процесса (ПП) (приложения), выполняемого в компьютере, может быть сформировано несколько точек входа , выступающих в качестве транспортных адресов , называемых портами (рис.4.60).
Существуют два способа присвоения порта приложению:
· централизованный (присвоенные или назначенные номера от 0 до 1023), использующий стандартные номера, присвоенные общедоступным службам (приложениям), например: FTP – 21, telnet – 23, SMTP – 25, DNS – 53, HTTP – 80.
· локальный (динамические номера от 1024 до 65535), предоставляющий произвольный номер из списка свободных номеров при поступлении запроса от приложения пользователя.
Динамические номера портов приложений являются уникальными в пределах каждого компьютера, но могут совпадать с номерами портов в других компьютерах. Различие между ними определяется только различием интерфейсов каждого из компьютеров, задаваемых IP-адресами.
Таким образом, пара «IP-адрес; номер порта », называемая сокетом (socket), однозначно определяет прикладной процесс в сети.
Номера UDP- и TCP-портов в пределах одного и того же компьютера могут совпадать, хотя и идентифицируют разные приложения. Поэтому при записи номера порта обязательно указывается тип протокола транспортного уровня, например 2345/TCP и 2345/UDP. В некоторых случаях, когда приложение может обращаться по выбору к протоколу UDP или TCP, ему могут быть назначены одинаковые номера UDP- и TCP-портов, например DNS-приложению назначен номер 53 – 53/UDP и 53/TCP.
Транспортный протокол UDP
UDP – транспортный протокол, обеспечивающий передачу данных в виде дейтаграмм между любой парой прикладных процессов , выполняющихся в сети, без установления соединения . Сегменты состоят из 8-байтового заголовка, за которым следует поле данных. Заголовок UDP-сегмента показан на рис.4.61.
Наиболее широко UDP используется при выполнении клиент-серверных приложений (типа запрос-ответ).
При этом UDP не выполняет:
· контроль потока,
· контроль ошибок,
· повторной передачи после получения испорченного сегмента.
Примерами приложений, использующих протокол UDP для передачи данных, являются DHCP, DNS, SNMP.
В некоторых случаях на одном конечном узле может выполняться несколько копий одного и того же приложения. Возникает вопрос: каким образом различаются эти приложения?
Для этого рассмотрим на простом примере процесс формирования запроса и процедуру обращения DNS-клиента к DNS-серверу, когда на одном компьютере запущены два DNS-сервера, причём оба используют для передачи своих данных транспортный протокол UDP (рис.4.62). Для того чтобы различать DNS-серверы, им присваиваются разные IP-адреса – IP1 и IP2, которые вместе с номером порта образуют два разных сокета: «UDP-порт 53, IP1» и «UDP-порт 53, IP2».
Рис.4.62,а) иллюстрирует процесс формирования DNS-клиентом запроса к DNS-серверу.
DNS-запрос транспортном уровне стека протоколов TCP/IP передаётся протоколу UDP, который вкладывает этот запрос в UDP-дейтаграмму и указывает в заголовке порт назначения 53/UDP. Затем UDP-дейтаграмма передаётся на межсетевой уровень, где она вкладывается в IP-пакет, заголовок которого содержит «IP-адрес: IP2». IP-пакет, в свою очередь, передаётся на уровень «межсетевой интерфейс», где он помещается в кадр канального уровня с соответствующим заголовком канального уровня (ЗКУ). Этот кадр передаётся по сети к компьютеру, содержащему два DNS-сервера (рис.4.62,б).
В этом компьютере протокол канального уровня (ПКУ) снимает заголовок ЗКУ и передаёт содержимое кадра на межсетевой уровень протоколу IP, который, в свою очередь, извлекает содержимое (UDP-дейтаграмму) из IP-пакета. Дальнейшие манипуляции с передаваемыми данными отличаются от принципов, заложенных в многоуровневую модель иерархии протоколов. Вместо того чтобы просто передать UDP-дейтаграмму, находящуюся в поле данных IP-пакета, транспортному уровню, IP-протокол присоединяет к UDP-дейтаграмме так называемый псевдозаголовк , содержащий среди прочего IP-адреса отправителя и получателя. Таким образом, протокол UDP, имея IP-адрес и порт назначения, однозначно определяет, что содержимое поля данных (то есть DNS-запрос), должно быть передано приложению «DNS-сервер 2».
Транспортный протокол TCP
Протокол TCP обеспечивает надежную передачу данных между прикладными процессами за счет установления логических соединений между взаимодействующими процессами.
Логическое соединение между двумя прикладными процессами идентифицируется парой сокетов (IP-адрес, номер порта), каждый из которых описывает один из взаимодействующих процессов.
Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байтов и заносится в буфер. Для передачи на сетевой уровень из буфера вырезается сегмент , не превосходящий 64 Кбайт (максимального размера IP-пакета). На практике обычно длина сегмента ограничивается значением 1460 байтами, что позволяет поместить его в кадр Ethernet с заголовками TCP и IP.
Соединение TCP ориентировано на полнодуплексную передачу .
Управление потоком данных в протоколе ТСР осуществляется с использованием механизма скользящего окна переменного размера . При передаче сегмента узел-отправитель включает таймер и ожидает подтверждения. Отрицательные квитанции не посылаются, а используется механизм тайм-аута . Узел назначения, получивший сегмент формирует и посылает обратно сегмент (с данными, если они есть, или без данных) с номером подтверждения, равным следующему порядковому номеру ожидаемого байта . В отличие от многих других протоколов, протокол TCP подтверждает получение не пакетов, а байтов потока. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.
Несмотря на кажущуюся простоту протокола, в нем имеется ряд нюансов, которые могут привести к некоторым проблемам.
Во-первых, поскольку сегменты при передаче по сети могут фрагментироваться, возможна ситуация, при которой часть переданного сегмента будет принята, а остальная часть окажется потерянной.
Во-вторых, сегменты могут прибывать в узел назначения в произвольном порядке, что может привести к ситуации, при которой байты с 2345 по 3456 уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 1234 по 2344 еще не получены.
В-третьих, сегменты могут задержаться в сети так долго, что у отправителя истечёт интервал ожидания, и он передаст их снова. Переданный повторно сегмент может пройти по другому маршруту и может быть иначе фрагментирован, или же сегмент может по дороге случайно попасть в перегруженную сеть. В результате для восстановления исходного сегмента потребуется достаточно сложная обработка На рис.4.63 представлен формат заголовка TCP-сегмента. Первые 20-байт заголовка имеют строго фиксированный формат, за которым могут находиться дополнительные поля. После дополнительных полей заголовка размещается поле данных, содержащее не более 65 495 байт, которое вместе с TCP- и IP-заголовками размером по 20 байт даст максимально допустимый размер IP-пакета в 65 535 байт.
Не вдаваясь в детали, рассмотрим кратко назначение фиксированных полей заголовка ТСР-сегмента.
Поля «Порт отправителя» (2 байта) и «Порт получателя» (2 байта) идентифицируют процессы , между которыми установлено логическое соединение.
Поле «Порядковый номер» (4 байта) содержит номер первого байта данных в сегменте, который определяет смещение сегмента относительно потока передаваемых данных
Поле «Номер подтверждения» (4 байта) содержит номер следующего ожидаемого байта , который используется в качестве квитанции, подтверждающей правильный приёма всех предыдущих байтов.
Поле «Длина TCP-заголовка» (4 бита) задаёт длину заголовка ТСР-сегмента, измеренную в 32-битовых словах.
Поле «Резерв» длиной 6 бит зарезервировано на будущее.
Однобитовые флаги несут служебную информацию о типе сегмента и интерпретируются следующим образом:
· URG=1 указывает на наличие срочных данных , что означает использование поля «Указатель на срочные данные» ;
· ACK=1 означает, что сегмент является квитанцией на принятый сегмент и поле «Номер подтверждения» содержит осмысленные данные. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения и поле «Номер подтверждения» просто игнорируется.
· PSH=1 (PUSH-флаг) означает запрос на отправку данных без ожидания заполнения буфера;
· RST=1 используется для сброса состояния соединения при обнаружении проблем, а также для отказа от неверного сегмента или от попытки создать соединение;
· SYN=1 используется для установки соединения , при этом если АСК=0, то это означает, что поле подтверждения не используется;
· FIN=1 используется для разрыва соединения .
Поле «Размер окна» (2 байта) определяет, сколько байт может быть послано после байта, получившего подтверждение.
Поле «Контрольная сумма» (2 байта) содержит контрольную сумму, которая охватывает заголовок, данные и псевдозаголовок .
Алгоритм вычисления контрольной суммы выглядит следующим образом.
Перед началом вычисления контрольной суммы значение этого поля устанавливается равным нулю. Если поле данных содержит нечётное число байтов, то оно дополняется нулевым байтом, который используется при подсчёте контрольной суммы, но не вставляется в сегмент для передачи в сети. Необходимость такого добавления обусловлена тем, что ТСР-сегмент, включающий заголовок, данные и псевдозаголовок, рассматривается как совокупность 16-разрядных двоичных чисел, которые складываются в дополнительном коде, а затем вычисляется дополнение для полученной суммы, которое заносится в поле «Контрольная сумма».
Получатель сегмента аналогичным образом подсчитывает контрольную сумму для всего сегмента, включая поле «Контрольная сумма». Очевидно, что полученный таким образом результат должен быть равен 0. Отметим, что дополнительный нулевой байт Поле «Указатель на срочные данные» (2 байта) содержит смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера. Таким образом, в протоколе TCP реализуются прерывающие сообщения. Содержимым срочных данных занимается прикладной уровень. Протокол TCP лишь обеспечивает их доставку и не интересуется причиной прерывания.
Поле «Параметры» имеет переменную длину и может отсутствовать.
Примерами приложений, использующих протокол TCP для передачи данных, являются FTP, TFTP, DNS, POP3, IMAP, TELNET.
