Сеть TCP/IP в Linux

Транспортный уровень

Транспортных протоколов в TCP/IP два – это TCP ( T ransmission C ontrol P rotocol, протокол управления соединением) и UDP ( U ser D atagram P rotocol). UDP устроен просто. Пользовательские данные помещаются в единственный транспортный пакет-датаграмму, которой приписываются обычные для транспортного уровня данные: адреса и порты отправителя и получателя, после чего пакет уходит в сеть искать адресата. Проверять, был ли адресат способен этот пакет принять, дошел ли пакет до него и не испортился ли по дороге, предоставляется следующему – прикладному – уровню.

Иное дело – TCP. Этот протокол очень заботится о том, чтобы передаваемые данные дошли до адресата в целости и сохранности. Для этого предпринимаются следующие действия:

1. Устанавливается соединение

   Перед тем, как начать передавать данные, TCP проверяет, способен ли адресат их принимать. Если адресат отвечает согласием на открытие соединения, устанавливается двусторонняя связь между ним и отправителем. Помимо адресов отправителя и адресата и номеров портов на отправителе и адресате, в TCP-соединении участвуют два номера последовательности (SEQuential Number, SEQN), с помощью которых каждая сторона проверяет, не потерялись ли пакеты по пути, не перепутались ли.

2. Обрабатываются подтверждения

   Двусторонняя связь нужна еще и потому, что на каждый TCP-пакет с любой стороны требуется подтверждение того, что этот пакет принят. Упрощенно можно представить дело так, что отправитель и адресат по очереди обмениваются пакетами, каждый из которых содержит подтверждение только что принятого, и, возможно, полезные данные. Если происходит какая-то ошибка, она возвращается вместо подтверждения и отправитель обрабатывает ее (например, поcылает пакет еще раз).

3. Отслеживаются состояния абонентов

   С первым же подтверждением каждый из абонентов передает размер т. н. скользящего окна (sliding window). Этот размер показывает, сколько еще данных готов принять адресат. Отправитель посылает сразу несколько пакетов суммарным размером с это окно, а после ждет подтверждения об их принятии. Когда приходит подтверждение первого из пакетов в окне, окно "скользит" вперед: теперь оно начинается со второго пакета, и в него попадает один или несколько еще не посланных пакетов. Если адресат может принять больше данных, он сообщает о большем размере окна, а если данные перерабатываться не успевают – о меньшем.

Кажется, что TCP – протокол во всех отношениях более удобный, чем UDP. Однако в тех случаях, когда пользовательские данные всегда помещаются в один пакет, зато самих пакетов идет очень много, посылать всего одну датаграмму намного выгоднее, чем всякий раз устанавливать соединение, пересылать данные и закрывать соединение (что требует, как минимум, по три пакета в каждую сторону). Очень трудно использовать TCP для широковещательных передач, когда число абонентов-адресатов весьма велико или вовсе неизвестно. Посмотреть параметры всех передаваемых через сетевой интерфейс пакетов можно с помощью команды tcpdump -pi интерфейс, хотя Мефодию не хватило поверхностного знания TCP/IP для того, чтобы понять выдачу этой команды.

Прикладной уровень

Как бы ни был надежен протокол TCP, он не имеет никакого понятия о том, что же, собственно, за данные с его помощью передаются. Да и не должен: принцип разделения уровней не позволяет заглядывать "внутрь" передаваемого пакета, и способов наверняка распознать используемый в нем прикладной протокол нет. Прикладной уровень, в отличие от транспортного, предусматривает сколько угодно протоколов передачи данных. Интерпретация данных, в конце концов, дело уже не ядра, а какой-нибудь программы ("приложения", как правило, демона ). Для того чтобы можно было предположить, какой протокол используется при передаче данных, а также для того, чтобы система могла передать эти данные соответствующей программе, еще на транспортном уровне было введено понятие порта.

Клиент-серверная модель

С точки зрения прикладного уровня, порт – это идентификатор сервиса, предоставляемого системой. В самом деле, практически любой акт передачи данных выглядит, как если бы некий клиент, которому эти данные нужны, запрашивал их у сервера, который может их предоставить ^{7Обратная ситуация, когда клиент хочет передать что-то серверу, сути дела не меняет: сервер предоставляет услугу клиенту, на этот раз – по приему данных.}. Отношения между программами, которые связываются по сети друг с другом, почти всегда асимметричны: одной что-то надо, у другой это что-то есть. При установлении соединения и приложение (программа-клиент), и служба (программа-сервер) используют механизм сокетов, описанный в лекции 11, однако ведут себя по-разному.

Служба, запускаясь на сервере, создает сетевой сокет и прикрепляет его к определенному порту сервера с помощью системного вызова bind(). Затем она регистрируется в качестве обработчика запросов (listener), приходящих на этот порт. Служба ждет запросов, и когда они поступают, предпринимает какие-нибудь действия, например, считывает пришедшие данные и анализирует их в соответствии со своим протоколом, отсылает какие-то данные абоненту, пославшему запрос и т. п.

Приложение, запускаясь на клиенте, также создает сокет и присоединяется с его помощью к тому же порту на сервере, где запущена служба, используя системный вызов connect(). Затем оно, как и служба, посылает и получает данные. Разницы между обменом данными по сетевому сокету и по сокету в файловой системе нет. Очередность обмена данными определяется прикладным протоколом.

Как приложение узнает, к какому именно порту необходимо подключиться? За большинством прикладных протоколов закреплен постоянный номер порта. Постоянные номера портов и названия соответствующих протоколов хранятся в файле /etc/services:

[root@localhost root]# wc /etc/services
553 2794 19869 /etc/services
[root@localhost root]# egrep "^(ftp|http|smtp|ssh).*tcp" /etc/services
ftp 21/tcp # File Transfer [Control]
ssh 22/tcp # SSH Remote Login Protocol
smtp 25/tcp mail # Simple Mail Transfer Protocol
http 80/tcp www www-http # World Wide Web HTTP

Этот файл – не догма, а руководство к действию: каждый может организовать, допустим, сервис HTTP по 25-му порту. Только как об этом узнают другие клиенты и что подумают почтовые программы, ожидая по этому порту встретить сервис SMTP (пересылка почты)? Вывести список установленных соединений, а также служб-обработчиков можно командой netstat:

[root@localhost root]# netstat -anA inet
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 192.168.102.125:22 192.168.102.1:33208 ESTABLISHED
udp 0 0 0.0.0.0:11 0.0.0.0:*

Здесь видно, что на компьютере зарегистрировано два TCP-обработчика (на портах 111 и 22), один UDP-обработчик по 11-му порту (понятие Listener, то есть обработчик соединения для UDP не имеет смысла), а также установлено одно соединение с компьютера 192.168.102.1, исходящий порт 33208, к 22-му порту (это порт службы Secure Shell, предоставляющей удаленный терминальный доступ... видимо, Гуревич работает?). В более сложных случаях, когда номер порта заранее неизвестен, а известно только название и версия сервиса, используется служба portmap, которая раздает незанятые порты службам и сообщает приложениям, к какому из них надо обратиться. Порт 111 соответствует именно этой службе.