Транспортные протоколы Интернет

2.2. Протокол TCP

Протокол TCP (transmission control protocol, RFC-793, 1323, 1644[T/TCP], 2018, 2581, 2582[RENO], 2861, 2873, 2883[SACK], 2923[MTU], 2988[RTO], 3293[GSMP], 3448[TFRC], 3465, 3481) в отличие от UDP осуществляет доставку дейтаграмм, называемых сегментами, в виде байтовых потоков с установлением соединения. Протокол TCP применяется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений. Он использует контрольные суммы пакетов для проверки их целостности и освобождает прикладные процессы от необходимости таймаутов и повторных передач ради обеспечения надежности. При отслеживании подтверждения доставки в TCP реализуется алгоритм "скользящего" окна. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP (file transfer protocol - протокол передачи файлов) и telnet (или SSH для удаленного доступа). Кроме того, TCP используют системы SMTP, HTTP, Xwindow, RCP (remote copy), а также "r"-команды. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры UDP. Подобно UDP, прикладные процессы взаимодействуют с модулем TCP через порты. Под байтовыми потоками здесь подразумевается то, что один примитив, например, read или write, может вызвать посылку адресату последовательности сегментов, которые образуют некоторый блок данных (сообщение). Применение портов открывает возможность осуществлять несколько соединений между двумя сетевыми объектами (работать с разными процессами).

Примером прикладного процесса, использующего TCP, может служить FTP, при этом будет работать стек протоколов ftp/tcp/ip/ethernet. Хотя протоколы UDP и TCP могли бы для сходных задач задействовать разные номера портов, обычно этого не происходит. Модули TCP и UDP выполняют функции мультиплексоров/демультиплексоров между прикладными процессами и IP-модулем. При поступлении пакета в модуль IP он будет передан в TCP или UDP-модуль согласно коду, записанному в поле протокола данного IP-пакета. Формат сегмента (пакета) TCP представлен ниже на рис. 2.3. Если вы хотите глубже разобраться с особенностями работы этого протокола, воспользуйтесь услугами программы tcpdump, которая позволяет отслеживать содержимое отправляемых и приходящих пакетов в ходе реализации сессии.

Если IP-протокол работает с адресами, то TCP, так же, как и UDP, - с портами. Именно с номеров портов отправителя и получателя начинается заголовок TCP-сегмента. 32-битовое поле код позиции в сообщении определяет порядковый номер первого октета в поле данных пользователя. В приложениях передатчика и приемника этому полю соответствуют 32-разрядные счетчики числа байт, которые при переполнении обнуляются. При значении флага syn=1 в этом поле лежит код ISN (Initial Sequence Number; смотри ниже описание процедуры установления связи), выбираемый для конкретного соединения. Первому байту, передаваемому через созданное соединение, присваивается номер ISN+1. Значение ISN может задаваться случайным образом. Но в UNIX 4.4BSD при загрузке ОС ISN делается равным 1 (это нарушает требования RFC), а далее увеличивается на 640000 каждые полсекунды. Аналогичная инкрементация осуществляется при установлении нового соединения. В RFC рекомендуется увеличивать счетчик ISN на 1 каждые 4 микросекунды.

32-битовое поле номер октета, который должен прийти следующим, содержит код, который на единицу больше номера последнего успешно доставленного (принятого) байта. Содержимое этого поля интерпретируется получателем сегмента, только если присутствует флаг ACK. Это поле заполняется в заголовках всех сегментов, передаваемых после установления соединения, а флаг AСK=1.

В ТСР предусмотрен режим полнодуплексной передачи. При этом данные могут передаваться в обоих направлениях независимо. В ходе обмена каждая из сторон должна отслеживать позиционные номера передаваемых и принимаемых байт. Если получен сегмент с некоторым кодом поля номер октета, который должен прийти следующим, это означает, что все октеты с номерами, меньшими указанного в данном поле, доставлены благополучно. Если благополучно доставлены байты с номерами 0-N, а затем получен сегмент с номерами байтов (N+k) - (N+k+m), такой сегмент будет буферизован, но подтверждения его получения не последует. Вместо этого посылается отклик, с кодом номер октета, который должен прийти следующим =(N+1). В случае получения сегмента с неверной контрольной суммой будет послан отклик, идентичный предыдущему. Дублированные отклики позволяют детектировать потерю пакета.

Поле HLEN определяет длину заголовка сегмента, которая измеряется в 32-разрядных словах. Это поле необходимо, так как в заголовке могут содержаться поля опций переменной длины. Далее следует поле резерв, предназначенное для будущего использования, в настоящее время должно обнуляться. Поле размер окна сообщает, сколько октетов готов принять получатель (флаг ACK=1 ) вслед за байтом, указанным в поле номер октета, который должен прийти следующим. Окно имеет принципиальное значение, оно определяет число сегментов, которые могут быть посланы без получения подтверждения. Значение ширины окна может варьироваться во время сессии. Значение этого поля, равное нулю, также допустимо и указывает, что байты вплоть до указанного в поле номер октета, который должен прийти следующим, получены, но адресат временно не может принимать данные. Разрешение на посылку новой информации может быть дано с помощью посылки сегмента с тем же значением поля номер октета, который должен прийти следующим, но ненулевым значением поля ширины окна. Поле контрольная сумма предназначено для обеспечения целостности сообщения. Контрольное суммирование производится по модулю 1. Перед контрольным суммированием к TCP-сегменту добавляется псевдозаголовок (как и в случае протокола UDP), который включает в себя адреса отправителя и получателя, код протокола и длину сегмента, исключая псевдозаголовок. Поле указатель важной информации представляет собой указатель последнего байта, содержащий информацию, которая требует немедленного реагирования. Поле имеет смысл лишь при флаге URG=1, отмечающем сегмент с первым байтом "важной информации". Значение разрядов в 6-битовом коде флаги описано в таблице 2.1. Если флаг ACK=0, значение поля номер октета, который должен прийти следующим, игнориру ется. Флаг URG=1 устанавливается в случае нажатия пользователем клавиш Del или Ctrl+С.

Рис. 2.3. Формат TCP-сегмента

Поле опции зарезервировано на будущее и в заголовке может отсутствовать, его размер переменен и дополняется до кратного 32-бит с помощью поля заполнитель. Формат поля опции представлен на рис. 2.4. В настоящее время определены опции (поле вид):

0 Конец списка опций.

1 Никаких операций. Используется для заполнения поля опции до числа октетов, кратного 4.

2 Максимальный размер сегмента (MSS).

В поле вид записывается код опции, поле LEN содержит число октетов в описании опции, включая поля вид и LEN. Определены также опции со значением вид=4,5,6,7. В предложении T/TCP (RFC-1644) описаны опции 11, 12 и 13. Поле данные может иметь переменную длину, верхняя его граница задается значением MSS (Maximum Segment Size). Значение MSS может быть задано при установлении соединения каждой из сторон независимо. Для Ethernet MSS=1452 байта.

Поле данные в TCP-сегменте может и отсутствовать, характер и формат передаваемой информации задается исключительно прикладной программой, теоретически максимальный размер этого поля составляет в отсутствии опций 65495 байт (на практике, помимо MSS, нужно помнить, например, о значении MTU для Ethernet, которое немногим больше 1500 байт). TCP является протоколом, который ориентируется на согласованную работу ЭВМ и программного обеспечения партнеров, участвующих в обмене информацией. Установление соединения клиент-сервер осуществляется в три этапа.

Рис. 2.4. Формат опций для TCP-сегментов

1. Клиент посылает SYNсегмент с указанием номера порта сервера, который предлагается использовать для организации канала связи (active open).
2. Сервер откликается, посылая свой SYNсегмент, содержащий идентификатор (ISN - Initial Sequence Number). Начальное значение ISN не равно нулю. Процедура называется passive open.
3. Клиент отправляет подтверждение (ACK) получения SYN-сегмента от сервера с идентификатором равным ISN(сервера)+1.