Рис. 3. Установка TCP-соединения
На Заглавную>Оглавление>TCP протокол>
Функции протокола TCP
- Базовая передача данных
- Обеспечение достоверности
- Разделение каналов
- Управление соединениями
- Управление потоком
Протокол TCP (Transmission Control Protocol, Протокол контроля передачи) обеспечивает сквозную доставку данных между прикладными процессами, запущенными на узлах, взаимодействующих по сети. Стандартное описание TCP содержится в RFC-793.
TCP - надежный байт-ориентированный (byte-stream) протокол с установлением соединения. TCP находится на транспортном уровне стека TCP/IP, между протоколом IP и собственно приложением. Протокол IP занимается пересылкой дейтаграмм по сети, никак не гарантируя доставку, целостность, порядок прибытия информации и готовность получателя к приему данных; все эти задачи возложены на протокол TCP.
При получении дейтаграммы, в поле Protocol которой указан код протокола TCP (6), модуль IP передает данные этой дейтаграммы модулю TCP. Эти данные представляют собой TCP-сегмент, содержащий TCP-заголовок и данные пользователя (прикладного процесса). Модуль TCP анализирует служебную информацию заголовка, определяет, какому именно процессу предназначены данные пользователя, проверяет целостность и порядок прихода данных и подтверждает их прием другой стороне. По мере получения правильной последовательности неискаженных данных пользователя они передаются прикладному процессу.
Ниже основные функции протокола TCP и их реализация рассмотрены более подробно.
Модуль TCP выполняет передачу непрерывных потоков данных между своими клиентами в обоих направлениях. Клиентами TCP являются прикладные процессы, вызывающие модуль TCP при необходимости получить или отправить данные процессу-клиенту на другом узле.
Протокол TCP рассматривает данные клиента как непрерывный неинтерпретируемый поток октетов. TCP разделяет этот поток на части для пересылки на другой узел в TCP-сегментах некоторого размера. Для отправки или получения сегмента модуль TCP вызывает модуль IP.
Немедленное отправление данных может быть затребовано процессом-клиентом от TCP-модуля с помощью специальной функции PUSH, иначе TCP сам будет решать, как накапливать и когда отправлять данные клиента или когда передавать клиенту полученные данные.
Модуль TCP обеспечивает защиту от повреждения, потери, дублирования и нарушения очередности получения данных.
Для выполнения этих задач все октеты в потоке данных сквозным образом пронумерованы в возрастающем порядке. Заголовок каждого сегмента содержит число октетов данных в сегменте и порядковый номер первого октета той части потока данных, которая пересылается в данном сегменте. Например, если в сегменте пересылаются октеты с номерами от 2001 до 3000, то номер первого октета в данном сегменте равен 2001, а число октетов равно 1000.
Номер первого байта в потоке определяется на этапе установления соединения и обозначается ISN+1. Например, ISN+1=1.
Также для каждого сегмента вычисляется контрольная сумма, позволяющая обнаружить повреждение данных.
При удачном приеме октета данных принимающий модуль посылает отправителю подтверждение о приеме - номер удачно принятого октета. Если в течение некоторого времени отправитель не получит подтверждения, считается, что октет не дошел или был поврежден, и он посылается снова. Этот механизм контроля надежности называется PAR (Positive Acknowledgment with Retransmission). В действительности подтверждение посылается не для одного октета, а для некоторого числа последовательных октетов.
Нумерация октетов используется также для упорядочения данных в порядке очередности и обнаружения дубликатов (которые могут быть посланы из-за большой задержки при передаче подтверждения или потери подтверждения).
Протокол TCP обеспечивает работу одновременно нескольких соединений. Каждый прикладной процесс идентифицируется номером порта. Заголовок TCP-сегмента содержит номера портов процесса-отправителя и процесса-получателя. При получении сегмента модуль TCP анализирует номер порта получателя и отправляет данные соответствующему прикладному процессу.
Все распространенные сервисы Интернет имеют стандартизованные номера портов. Например, номер порта сервера электронной почты - 25, сервера FTP - 21. Список стандартных номеров портов можно найти в файле /etc/services (Unix).
Совокупность IP-адреса и номера порта называется сокетом. Сокет уникально идентифицирует прикладной процесс в Интернет. Например, сокет сервера электронной почты на хосте 194.84.124.4 обозначается как 194.84.124.25; часто номер порта отделяется двоеточием.
Соединение - это совокупность информации о состоянии потока данных, включающая сокеты, номера посланных, принятых и подтвержденных октетов, размеры окон.
Каждое соединение уникально идентифицируется в Интернет парой сокетов.
Соединение характеризуется для клиента именем, которое является указателем на структуру TCB (Transmission Control Block), содержащую информацию о соединении.
Открытие соединения клиентом осуществляется вызовом функции OPEN, которой передается сокет, с которым требуется установить соединение. Функция возвращает имя соединения. Различают два типа открытия соединения: активное и пассивное.
При активном открытии TCP-модуль начинает процедуру установления соединения с указанным сокетом, при пассивном - ожидает, что удаленный TCP-модуль начнет процедуру установления соединения с указанного сокета. Указание 0.0.0.0:0 в качестве сокета при пассивном открытии означает, что ожидается соединение с любого сокета. Такой способ применяется в демонах - серверах Интернет, которые ждут установления соединения от клиента. Клиент же применяет процедуру активного открытия; сокет при этом формируется из IP-адреса сервера и стандартного номера порта для данного сервиса.
Закрытие соединения клиентом производится с помощью функции CLOSE, которой передается имя соединения.
Процедура установления соединения происходит следующим образом.
Предположим, узел А желает установить соединение с узлом В. Первый отправляемый из А в В TCP-сегмент не содержит полезных данных, а служит для установления соединения. В его заголовке (в поле Flags) установлен бит SYN, означающий запрос связи, и содержится ISN (Initial Sequence Number - начальный номер последовательности) - число, начиная с которого узел А будет нумеровать отправляемые октеты (например, 0). В ответ на получение такого сегмента узел В откликается посылкой TCP-сегмента, в заголовке которого установлен бит ACK, подтверждающий установление соединения для получения данных от узла А. Так как протокол TCP обеспечивает полнодуплексную передачу данных, то узел В в этом же сегменте устанавливает бит SYN, означающий запрос связи для передачи данных от В к А, и передает свой ISN (например, 0). Полезных данных этот сегмент также не содержит. Третий TCP-сегмент в сеансе посылается из А в В в ответ на сегмент, полученный из В. Так как соединение А -> В можно считать установленным (получено подтверждение от В), то узел А включает в свой сегмент полезные данные, нумерация которых начинается с номера ISN(A)+1. Данные нумеруются по количеству отправленных октетов. В заголовке этого же сегмента узел А устанавливает бит ACK, подтверждающий установление связи B -> A, что позволяет хосту В включить в свой следующий сегмент полезные данные для А.
Рис. 3. Установка TCP-соединения
Сеанс обмена данными заканчивается процедурой разрыва соединения, которая аналогична процедуре установки, с той разницей, что вместо SYN для разрыва используется служебный бит FIN (“данных для отправки больше не имею”), который устанавливается в заголовке последнего сегмента с данными, отправляемого узлом.
Для ускорения и оптимизации процесса передачи больших объемов данных протокол TCP определяет метод управления потоком, называемый методом скользящего окна, который позволяет отправителю посылать очередной сегмент, не дожидаясь подтверждения о получении в пункте назначения предшествующего сегмента.
Протокол TCP формирует подтверждения не для каждого конкретного успешно полученного пакета, а для всех данных от начала посылки до некоторого порядкового номера ACK SN (Acknowledge Sequence Number) исключительно. В качестве подтверждения успешного приема, например, первых 2000 байт, высылается ACK SN = 2001: это означает, что все данные в байтовом потоке под номерами от ISN+1=1 до данного ACK SN -1 (2000) успешно получены.
Вместе с посылкой отправителю ACK SN получатель объявляет также “размер окна”, например - 6000. Это значит, что отправитель может посылать данные с порядковыми номерами от текущего ACK SN = 2001 до (ACK SN + размер окна -1) = 8000, не дожидаясь подтверждения со стороны получателя. Допустим, в данный момент отправитель посылает тысячеоктетный сегмент с порядковым номером данных SN=4001. Если не будет получено новое подтверждение (новый ACK SN), отправитель будет посылать данные, пока он остается в пределах объявленного окна, то есть до номера 8001. После этого посылка данных будет прекращена до получения очередного подтверждения и (возможно) нового размера окна. Однако размер окна выбирается таким образом, чтобы подтверждения успевали приходить вовремя и остановки передачи не происходило - для этого и предназначен метод скользящего окна. Размер окна может динамически изменяться получателем.
Для временной остановки посылки данных достаточно объявить нулевое окно. Но даже и в этом случае через определенные промежутки времени будут отправляться сегменты с одним октетом данных. Это делается для того, чтобы отправитель гарантированно узнал о том, что получатель вновь объявил ненулевое окно, поскольку получатель обязан подтвердить получение “пробных” сегментов, а в этих подтверждениях он укажет также и текущий размер своего окна.
Как уже было сказано выше, протокол TCP позволяет вести полнодуплексную передачу. Один и тот же сегмент, высылаемый, например, из В в А, может содержать в заголовке служебную информацию по подтверждению получения данных от А, а в поле данных - полезные данные для А.
Модуль TCP может оптимизировать максимальный размер сегмента исходя из значений MTU на разных участках маршрута и других характеристик соединения.
Модуль TCP может использовать алгоритм "медленного старта", формируя при установлении соединения окно перегрузки, размер которого изначально равен размеру одного сегмента. Это окно показывает, сколько сегментов TCP-модуль, с его собственной точки зрения, может отправить без получения подтверждения. Скользящее же окно, рассмотренное выше, показывает, какой объем неподтвержденных данных модулю разрешено отправить с точки зрения удаленного модуля, получателя его данных. После прихода подтверждения от получателя окно перегрузки увеличивается на 1 сегмент, и отправитель может выслать уже два сегмента, не дожидаясь подтверждения. Такой подход позволяет постепенно увеличивать нагрузку на сеть. Если окно перегрузки становится больше скользящего окна, объявляемого получателем, ограничение на передачу неподтвержденных данных устанавливает уже скользящее окно получателя.
В случае, если никакие данные приложениями не передаются, а соединение открыто, модуль TCP может периодически посылать сегменты-зонды для выяснения того, не отключилась ли другая сторона без уведомления партнера (например, в результате обрыва линии или другим некорректным образом). Такое зондирование проводится примерно каждые два часа неактивности.
<К Предыдущей(Уровни стека TCP/IP)|К Оглавлению|На Следующую(IP Протокол)>
