5.1.2. 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 отличии от UDP осуществляет доставку дейтограмм, 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 для обеспечения надежности. Для отслеживания подтверждения доставки в TCP реализуется алгоритм "скользящего" окна. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP (file transfer protocol - протокол передачи файлов) и telnet. Кроме того, TCP используют системы SMTP, HTTP, X-window, 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.

Примером прикладного процесса, использующего ветвь TCP, может служить FTP, при этом будет работать стек протоколов ftp/ TCP / IP / E thernet. Хотя протоколы UDP и TCP могли бы для сходных задач использовать 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. 5.4.

Если IP-протокол работает с адресами, то TCP, также как и UDP, с портами. Именно с номеров портов отправителя и получателя начинается заголовок TCP-сегмента. Поле «код позиции в сообщении» определяет порядковый номер первого октета в поле данных пользователя. При значении флага syn=1 в этом поле лежит код ISN. Поле «Длина заголовка» – определяет длину заголовка сегмента, которая измеряется в 32-разрядных словах. 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). 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. 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". Если флаг ACK=0, значение поля «номер октета, который должен прийти следующим», игнорируется.

Рис. 5.4 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».

Поле «данные» в TCP-сегменте может и отсутствовать, характер и формат передаваемой информации задается исключительно прикладной программой, максимальный размер этого поля составляет в отсутствии опций 65495 байт. TCP является протоколом, который ориентируется на согласованную работу ЭВМ и программного обеспечения партнеров, участвующих в обмене информацией. Установление связи клиент-сервер осуществляется в три этапа:

Клиент посылает SYN-сегмент с указанием номера порта сервера, который предлагается использовать для организации канала связи (active open).

Сервер откликается, посылая свой SYN-сегмент, содержащий идентификатор (ISN - initial sequence number). Начальное значение ISN не равно нулю. Процедура называется passive open. Клиент отправляет подтверждение получения syn-сегмента от сервера с идентификатором равным ISN (сервера)+1.

Каждое соединение должно иметь свой неповторимый код ISN. Для реализации режима соединения прикладная программа на одном конце канала устанавливается в режим пассивного доступа ("passive open"), а операционная система на другом конце ставится в режим активного доступа ("active open"). Протокол TCP предполагает реализацию 11 состояний (established, closed, listen, syn_sent, syn_received и т.д.; см. также RFC-793), переход между которыми строго регламентирован.

Хотя TCP-соединение является полнодуплексным, при рассмотрении процесса разрыва связи проще его рассматривать как два полудуплексных канала, каждый из которых каналов ликвидируется независимо. Сначала инициатор разрыва посылает сегмент с флагом FIN, сообщая этим партнеру, что не намерен более что-либо передавать. Когда получение этого сегмента будет подтверждено (ACK), данное направление передачи считается ликвидированным. При этом передача информации в противоположном направлении может беспрепятственно продолжаться. Когда партнер закончит посылку данных, он также пошлет сегмент с флагом FIN. По получении отклика ACK виртуальный канал считается окончательно ликвидированным. Таким образом, для установление связи требуется обмен тремя сегментами, а для разрыва - четырьмя. Но протокол допускает совмещение первого ACK и второго FIN в одном сегменте, сокращая полное число закрывающих сегментов с четырех до трех.

Нулевой размер окна блокирует посылку информации и этим система время от времени пользуется. Что произойдет, если получатель послал сегмент, объявляющий окно ненулевым, а подтверждение получения этого сегмента не прошло? TCP-протокол не предусматривает посылки ACK на само подтверждение. Адресат ждет в этом случае данных, так как он уже объявил о существовании ненулевого окна с помощью соответствующего ACK, а отправитель ждет этого недошедшего ACK, чтобы начать передачу данных. Для разрешения этой тупиковой ситуации используется таймер запросов, который периодически посылает зондирующие сегменты получателю. Цель этого зондирования - выяснение существования окна ненулевой ширины. Таймер запросов запускается при получении информации об обнулении ширины окна приемником. Если за определенное время не поступает сегмента, сообщающего об изменении размера окна, таймер начинает посылать зондирующие сегменты. Таймер запросов использует базовую временную шкалу с периодом в 500 мсек, а период посылки зондирующих сегментов лежит в диапазоне 5-60 сек. Такой сегмент содержит только один байт данных. Таймер запросов не прерывает своей работы до тех пор, пока не будет подтверждено открытие окна или пока прикладная задача не завершит свою работу, выключив канал связи.

Будучи однажды создан, канал TCP может существовать "вечно". Если клиент и сервер пассивны, они не заметят того, например, что какой-то бульдозер оборвал кабель или спутник связи покоится на дне океана. Чтобы это обнаружить, либо клиент либо сервер должны попытаться послать какую-то информацию. Чтобы информировать систему об этих и подобных им ситуациях, предусмотрен таймер контроля работоспособности (keepalive). Принцип работы таймера работоспособности предельно прост. Если канал пассивен, например, 2 часа, сервер посылает клиенту сегмент-зонд. При этом ЭВМ-клиент может быть в одном из четырех состояний.

Работоспособен и достижим для сервера. Отклик от клиента сбросит таймер работоспособности в ноль (начало отсчета очередных двух часов).

Вышел из строя, выключен или перезагружается. Сервер посылает 10 запросов с интервалом 75 сек. Если отклика нет, канал закрывается и со стороны сервера.

Перезагрузился. Сервер получит отклик типа RESET и канал будет закрыт.

Работоспособен, но не достижим для сервера. Случай тождественен, описанному во втором по порядку пункте.

Временная постоянная таймера keepalive является системной переменной единой для всех пользователей ЭВМ или даже локальной сети.

Расширение пропускной способности и надежности телекоммуникационных каналов делает актуальной совершенствование протоколов. Так как TCP является основным транспортным протоколом, попытки усовершенствовать его предпринимаются, начиная с 1992 года. Целью этих усовершенствований служит повышение эффективности и пропускной способности канала, а также обеспечение безопасности.