Обеспечение достоверности. 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.

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).

Управление соединениями. 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. 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 194.84.124.4.25; часто номер порта отделяется двоеточием.

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.

Управление потоком. 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.

Рис. Метод скользящего окна

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 (см. рисунок 47).

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.

Заголовок TCP-сегмента. TCP-сегмент состоит из заголовка и данных. Заголовок сегмента состоит из 32-разрядных слов и имеет переменную длину, зависящую от размера поля Options, но всегда кратную 32 битам. За заголовком непосредственно следуют данные - часть потока данных пользователя, передаваемая в данном сегменте.

Формат заголовка:

Рис. Формат TCP-заголовка

Значения полей заголовка следующие:

Source Port (16 бит), Destination Port (16 бит) - номера портов процесса-отправителя и процесса-получателя соответственно.

Sequence Number (SN) (32 бита) - порядковый номер первого октета в поле данных сегмента среди всех октетов потока данных для текущего соединения, то есть если в сегменте пересылаются октеты с 2001-го по 3000-й, то SN=2001.

Acknowledgment Number (ACK) (32 бита) - если установлен бит ACK, то это поле содержит порядковый номер октета, который отправитель данного сегмента желает получить. Это означает, что все предыдущие октеты (с номерами от ISN+1 до ACK-1 включительно) были успешно получены.

Data Offset (4 бита) - длина TCP-заголовка в 32-битных словах.

Reserved (6 бит) - зарезервировано; заполняется нулями.

Control Bits (6 бит) - управляющие биты; активным является положение “бит установлен”.

URG - поле срочного указателя (Urgent Pointer) задействовано;

ACK - поле номера подтверждения (Acknowledgment Number) задействовано;

PSH - осуществить “проталкивание” - если модуль TCP получает сегмент с установленным флагом PSH, то он немедленно передает все данные из буфера приема процессу-получателю для обработки, даже если буфер не был заполнен;

RST - перезагрузка текущего соединения;

SYN - запрос на установление соединения;

FIN - нет больше данных для передачи.

Window (16 бит) - размер окна в октетах

Checksum (16 бит) - контрольная сумма, представляет собой 16 бит, дополняющие биты в сумме всех 16-битовых слов сегмента (само поле контрольной суммы перед вычислением обнуляется).

Urgent Pointer (16 бит) - используется для указания длины срочных данных, которые размещаются в начале поля данных сегмента. Указывает смещение октета, следующего за срочными данными, относительно первого октета в сегменте. Например, в сегменте передаются октеты с 2001-го по 3000-й, при этом первые 100 октетов являются срочными данными, тогда Urgent Pointer = 100. Протокол TCP не определяет, как именно должны обрабатываться срочные денные, но предполагает, что прикладной процесс будет предпринимать усилия для их быстрой обработки. Поле Urgent Pointer задействовано, если установлен флаг URG.

Options - поле переменной длины; может отсутствовать или содержать одну опцию или список опций, реализующих дополнительные услуги протокола TCP. Опция состоит из октета "Тип опции", за которым могут следовать октет "Длина опции в октетах" и октеты с данными для опции.

Padding - выравнивание заголовка по границе 32-битного слова, если список опций занимает нецелое число 32-битных слов. Поле Padding заполняется нулями.