Транспортные протоколы стека TCP/IP

Транспортные протоколы TCP и UDP стека протоколов TCP/IP обеспечивают передачу данных между любой парой прикладных процессов, выполняющихся в сети, и предоставляют интерфейс для протокола IP путем демультиплексирования нескольких процессов, использующих в качестве адресов транспортного уровня порты. Для каждого прикладного процесса (ПП) (приложения), выполняемого в компьютере, может быть сформировано несколько точек входа, выступающих в качестве транспортных адресов, называемых портами (рис.4.60).

Существуют два способа присвоения порта приложению:

· централизованный (присвоенные или назначенные номера от 0 до 1023), использующий стандартные номера, присвоенные общедоступным службам (приложениям), например: FTP – 21, telnet – 23, SMTP – 25, DNS – 53, HTTP – 80.

· локальный (динамические номера от 1024 до 65535), предоставляющий произвольный номер из списка свободных номеров при поступлении запроса от приложения пользователя.

Динамические номера портов приложений являются уникальными в пределах каждого компьютера, но могут совпадать с номерами портов в других компьютерах. Различие между ними определяется только различием интерфейсов каждого из компьютеров, задаваемых IP-адресами.

Таким образом, пара «IP-адрес; номер порта», называемая сокетом (socket), однозначно определяет прикладной процесс в сети.

Номера UDP- и TCP-портов в пределах одного и того же компьютера могут совпадать, хотя и идентифицируют разные приложения. Поэтому при записи номера порта обязательно указывается тип протокола транспортного уровня, например 2345/TCP и 2345/UDP. В некоторых случаях, когда приложение может обращаться по выбору к протоколу UDP или TCP, ему могут быть назначены одинаковые номера UDP- и TCP-портов, например DNS-приложению назначен номер 53 – 53/UDP и 53/TCP.

Транспортный протокол UDP

UDP – транспортный протокол, обеспечивающий передачу данных в виде дейтаграмм между любой парой прикладных процессов, выполняющихся в сети, без установления соединения. Сегменты состоят из 8-байтового заголовка, за которым следует поле данных. Заголовок UDP-сегмента показан на рис.4.61.

Наиболее широко UDP используется при выполнении клиент-серверных приложений (типа запрос-ответ).

При этом UDP не выполняет:

· контроль потока,

· контроль ошибок,

· повторной передачи после получения испорченного сегмента.

Примерами приложений, использующих протокол UDP для передачи данных, являются DHCP, DNS, SNMP.

В некоторых случаях на одном конечном узле может выполняться несколько копий одного и того же приложения. Возникает вопрос: каким образом различаются эти приложения?

Для этого рассмотрим на простом примере процесс формирования запроса и процедуру обращения DNS-клиента к DNS-серверу, когда на одном компьютере запущены два DNS-сервера, причём оба используют для передачи своих данных транспортный протокол UDP (рис.4.62). Для того чтобы различать DNS-серверы, им присваиваются разные IP-адреса – IP1 и IP2, которые вместе с номером порта образуют два разных сокета: «UDP-порт 53, IP1» и «UDP-порт 53, IP2».

Рис.4.62,а) иллюстрирует процесс формирования DNS-клиентом запроса к DNS-серверу.

DNS-запрос транспортном уровне стека протоколов TCP/IP передаётся протоколу UDP, который вкладывает этот запрос в UDP-дейтаграмму и указывает в заголовке порт назначения 53/UDP. Затем UDP-дейтаграмма передаётся на межсетевой уровень, где она вкладывается в IP-пакет, заголовок которого содержит «IP-адрес: IP2». IP-пакет, в свою очередь, передаётся на уровень «межсетевой интерфейс», где он помещается в кадр канального уровня с соответствующим заголовком канального уровня (ЗКУ). Этот кадр передаётся по сети к компьютеру, содержащему два DNS-сервера (рис.4.62,б).

В этом компьютере протокол канального уровня (ПКУ) снимает заголовок ЗКУ и передаёт содержимое кадра на межсетевой уровень протоколу IP, который, в свою очередь, извлекает содержимое (UDP-дейтаграмму) из IP-пакета. Дальнейшие манипуляции с передаваемыми данными отличаются от принципов, заложенных в многоуровневую модель иерархии протоколов. Вместо того чтобы просто передать UDP-дейтаграмму, находящуюся в поле данных IP-пакета, транспортному уровню, IP-протокол присоединяет к UDP-дейтаграмме так называемый псевдозаголовк, содержащий среди прочего IP-адреса отправителя и получателя. Таким образом, протокол UDP, имея IP-адрес и порт назначения, однозначно определяет, что содержимое поля данных (то есть DNS-запрос), должно быть передано приложению «DNS-сервер 2».

Транспортный протокол TCP

Протокол TCP обеспечивает надежную передачу данных между прикладными процессами за счет установления логических соединений между взаимодействующими процессами.

Логическое соединение между двумя прикладными процессами идентифицируется парой сокетов (IP-адрес, номер порта), каждый из которых описывает один из взаимодействующих процессов.

Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байтов и заносится в буфер. Для передачи на сетевой уровень из буфера вырезается сегмент, не превосходящий 64 Кбайт (максимального размера IP-пакета). На практике обычно длина сегмента ограничивается значением 1460 байтами, что позволяет поместить его в кадр Ethernet с заголовками TCP и IP.

Соединение TCP ориентировано на полнодуплексную передачу.

Управление потоком данных в протоколе ТСР осуществляется с использованием механизма скользящего окна переменного размера. При передаче сегмента узел-отправитель включает таймер и ожидает подтверждения. Отрицательные квитанции не посылаются, а используется механизм тайм-аута. Узел назначения, получивший сегмент формирует и посылает обратно сегмент (с данными, если они есть, или без данных) с номером подтверждения, равным следующему порядковому номеру ожидаемого байта. В отличие от многих других протоколов, протокол TCP подтверждает получение не пакетов, а байтов потока. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.

Несмотря на кажущуюся простоту протокола, в нем имеется ряд нюансов, которые могут привести к некоторым проблемам.

Во-первых, поскольку сегменты при передаче по сети могут фрагментироваться, возможна ситуация, при которой часть переданного сегмента будет принята, а остальная часть окажется потерянной.

Во-вторых, сегменты могут прибывать в узел назначения в произвольном порядке, что может привести к ситуации, при которой байты с 2345 по 3456 уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 1234 по 2344 еще не получены.

В-третьих, сегменты могут задержаться в сети так долго, что у отправителя истечёт интервал ожидания, и он передаст их снова. Переданный повторно сегмент может пройти по другому маршруту и может быть иначе фрагментирован, или же сегмент может по дороге случайно попасть в перегруженную сеть. В результате для восстановления исходного сегмента потребуется достаточно сложная обработка На рис.4.63 представлен формат заголовка TCP-сегмента. Первые 20-байт заголовка имеют строго фиксированный формат, за которым могут находиться дополнительные поля. После дополнительных полей заголовка размещается поле данных, содержащее не более 65 495 байт, которое вместе с TCP- и IP-заголовками размером по 20 байт даст максимально допустимый размер IP-пакета в 65 535 байт.

Не вдаваясь в детали, рассмотрим кратко назначение фиксированных полей заголовка ТСР-сегмента.

Поля «Порт отправителя» (2 байта) и «Порт получателя» (2 байта) идентифицируют процессы, между которыми установлено логическое соединение.

Поле «Порядковый номер» (4 байта) содержит номер первого байта данных в сегменте, который определяет смещение сегмента относительно потока передаваемых данных

Поле «Номер подтверждения» (4 байта) содержит номер следующего ожидаемого байта, который используется в качестве квитанции, подтверждающей правильный приёма всех предыдущих байтов.

Поле «Длина TCP-заголовка» (4 бита) задаёт длину заголовка ТСР-сегмента, измеренную в 32-битовых словах.

Поле «Резерв» длиной 6 бит зарезервировано на будущее.

Однобитовые флаги несут служебную информацию о типе сегмента и интерпретируются следующим образом:

· URG=1 указывает на наличие срочных данных, что означает использование поля «Указатель на срочные данные »;

· ACK=1 означает, что сегмент является квитанцией на принятый сегмент и поле «Номер подтверждения» содержит осмысленные данные. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения и поле «Номер подтверждения» просто игнорируется.

· PSH=1 (PUSH-флаг) означает запрос на отправку данных без ожидания заполнения буфера;

· RST=1 используется для сброса состояния соединения при обнаружении проблем, а также для отказа от неверного сегмента или от попытки создать соединение;

· SYN=1 используется для установки соединения, при этом если АСК=0, то это означает, что поле подтверждения не используется;

· FIN=1 используется для разрыва соединения.

Поле «Размер окна» (2 байта) определяет, сколько байт может быть послано после байта, получившего подтверждение.

Поле «Контрольная сумма» (2 байта) содержит контрольную сумму, которая охватывает заголовок, данные и псевдозаголовок.

Алгоритм вычисления контрольной суммы выглядит следующим образом.

Перед началом вычисления контрольной суммы значение этого поля устанавливается равным нулю. Если поле данных содержит нечётное число байтов, то оно дополняется нулевым байтом, который используется при подсчёте контрольной суммы, но не вставляется в сегмент для передачи в сети. Необходимость такого добавления обусловлена тем, что ТСР-сегмент, включающий заголовок, данные и псевдозаголовок, рассматривается как совокупность 16-разрядных двоичных чисел, которые складываются в дополнительном коде, а затем вычисляется дополнение для полученной суммы, которое заносится в поле «Контрольная сумма».

Получатель сегмента аналогичным образом подсчитывает контрольную сумму для всего сегмента, включая поле «Контрольная сумма». Очевидно, что полученный таким образом результат должен быть равен 0. Отметим, что дополнительный нулевой байт Поле «Указатель на срочные данные» (2 байта) содержит смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера. Таким образом, в протоколе TCP реализуются прерывающие сообщения. Содержимым срочных данных занимается прикладной уровень. Протокол TCP лишь обеспечивает их доставку и не интересуется причиной прерывания.

Поле «Параметры» имеет переменную длину и может отсутствовать.

Примерами приложений, использующих протокол TCP для передачи данных, являются FTP, TFTP, DNS, POP3, IMAP, TELNET.