Взаимодействие между компьютерами в интернете осуществляется посредством сетевых протоколов, представляющих собой согласованный набор определенных правил, в соответствии с которыми разные устройства передачи данных обмениваются информацией. Существуют протоколы для форматов для контроля ошибок и другие виды протоколов. В глобальном межсетевом взаимодействии чаще всего используется протокол TCP-IP.

Что же это за технология? Название TCP-IP произошло от двух сетевых протоколов: TCP и IP. Конечно, этими двумя протоколами построение сетей не ограничивается, но они являются базовыми в том, что касается именно организации передачи данных. Фактически, TCP-IP есть набор протоколов, позволяющих индивидуальным сетям объединяться для образования

Протокол TCP-IP, описание которого невозможно обозначить только определениями IP и TCP, включает в себя также протоколы UDP, SMTP, ICMP, FTP, telnet, и не только. Эти и другие протоколы TCP-IP обеспечивают наиболее полноценную работу сети Интернет.

Ниже приведем развернутую характеристику каждому протоколу, входящему в общее понятие TCP-IP.

. Интернет-протокол (IP) отвечает за непосредственную передачу информации в сети. Информация делится на части (другими словами, пакеты) и передается получателю от отправителя. Для точной адресации нужно задать точный адрес или координаты получателя. Такие адреса состоят из четырех байт, которые отделены друг от друга точками. Адрес каждого компьютера уникален.

Однако использования одного лишь IP-протокола может быть недостаточно для корректной передачи данных, так как объем большей части пересылаемой информации более 1500 символов, что уже не вписывается в один пакет, а некоторые пакеты могут быть потеряны в процессе передачи или присланы не в том порядке, что требуется.

. Протокол управления передачей (TCP) используется на более высоком уровне, чем предыдущий. Основываясь на способности IP-протокола переносить информацию от одного узла другому, TCP-протокол позволяет пересылать большие объемы информации. TCP отвечает также за разделение передаваемой информации на отдельные части - пакеты - и правильное восстановление данных из пакетов, полученных после передачи. При этом данный протокол автоматически повторяет передачу пакетов, которые содержат ошибки.

Управление организацией передачи данных в больших объемах может осуществляться с помощью ряда протоколов, имеющих специальное функциональное назначение. В частности, существуют следующие виды TCP-протоколов.

1. FTP (File Transfer Protocol) организует перенос файлов и используется для передачи информации между двумя узлами Internet с использованием TCP-соединений в виде бинарного или же простого текстового файла, как поименованной области в памяти компьютера. При этом не имеет никакого значения, где данные узлы расположены и как соединяются между собой.

2. Протокол пользовательских дейтаграмм , или User Datagram Protocol, не зависит от подключений, он передает данные пакетами, которые называют UDP-дейтаграммами. Однако этот протокол не так надежен, как TCP, потому что отравитель не получает данных о том, был ли принят пакет в действительности.

3. ICMP (Internet Control Message Protocol) существует для того, чтобы передавать сообщения об ошибках, возникающих в процессе обмена данными в сети Internet. Однако при этом ICMP-протокол только лишь сообщает об ошибках, но не устраняет причины, которые привели к возникновению этих ошибок.

4. Telnet - который используется для реализации текстового интерфейса в сети с помощью транспорта TCP.

5. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - это специальный электронными сообщениями, определяющий формат сообщений, которые пересылаются с одного компьютера, называемого SMTP-клиентом, на другой компьютер, на котором запущен SMTP-сервер. При этом данная пересылка может быть отложена на некоторое время до тех пор, пока не активируется работа как клиента, так и сервера.

Схема передачи данных по протоколу TCP-IP

1. Протокол TCP разбивает весь объем данных на пакеты и нумерует их, упаковывая в TCP-конверты, что позволяет восстановить порядок получения частей информации. При помещении данных в такой конверт происходит вычисление контрольной суммы, которая записывается потом в TCP-заголовок.

3. Затем с помощью протокола TCP происходит проверка того, все ли пакеты получены. Если во время приема вычисленная заново не совпадает с указанной на конверте, это свидетельствует о том, что часть информации была утеряна или искажена при передаче, протокол TCP-IP заново запрашивает пересылку этого пакета. Также требуется подтверждение прихода данных от получателя.

4. После подтверждения получения всех пакетов протокол TCP упорядочивает их соответствующим образом и собирает заново в единое целое.

Протоколом TCP используются повторные передачи данных, периоды ожидания (или таймауты), что обеспечивает надежность доставки информации. Пакеты могут передаваться в двух направлениях одновременно.

Тем самым протокол TCP-IP снимает необходимость использования повторных передач и ожиданий для прикладных процессов (таких, как Telnet и FTP).

На транспортном уровне стека TCP/IP используются два основных протокола: TCP и UDP . Общее представление о функциях транспортного уровня можно получит в соответствующей статьей. В данном тексте речь пойдёт о протоколе TCP (Transmission Control Protocol), который используется для обеспечения надёжной доставки данных на транспортном уровне.

Существуют общие задачи транспортного уровня, с которыми справляется как TCP, так и UDP . Основных задач собственно две: сегментация данных , приходящих с уровня приложений и адресация приложений (передающего и принимающего) при помощи портов. Подробнее об этом можно прочесть в статье, посвященной транспортному уровню .

Помимо этого, TCP обеспечивает:

• Надёжную доставку сегментов.
• Упорядочивание сегментов при получении.
• Работу с сессиями.
• Контроль за скоростью передачи.

Рассмотрим эти возможности более детально.

Надёжная доставка сегментов

Под надёжной доставкой подразумевается автоматическая повторная пересылка недошедших сегментов. Каждый сегмент маркируется при помощи специального поля - порядкового номера (sequence number). После отправки некоторого количества сегментов, TCP на отправляющем узле ожидает подтверждения от получающего, в котором указывается порядковый номер следующего сегмента, который адресат желает получить. В случае, если такое подтверждение не получено, отправка автоматически повторяется. После некоторого количества неудачных попыток, TCP считает, что адресат не доступен, и сессия разрывается.

Таким образом, надёжная доставка не означает, что ваши данные дойдут в случае, если кто-то выдернул кабель из коммутатора. Она означает, что разработчик ПО, использующий TCP на транспортном уровне знает, что если сессия не разорвалась, то всё что он поручил отправить будет доставлено получателю без потерь. Существует множество данных, критичных к потере любой порции информации. Например, если вы скачиваете приложение из интернета, то потеря одного байта будет означать, что вы не сможете воспользоваться тем что скачали. По этой причине многие протоколы уровня приложений используют для транспорта TCP.

Упорядочивание сегментов при получении

Как несложно догадаться, каждый сегмент на нижний уровнях TCP/IP обрабатывается индивидуально. То есть, как минимум, он будет запакован в индивидуальный пакет. Пакеты идут по сети и промежуточные маршрутизаторы в общем случае уже ничего не знают о том, что запаковано в эти пакеты. Часто пакеты с целью балансировки нагрузки могут идти по сети разными путями, через разные промежуточные устройства, с разной скоростью. Таким образом получатель, декапсулировав их, может получить сегменты не в том порядке, в котором они отправлялись.

TCP автоматически пересоберёт их в нужном порядке используя всё то же поле порядковых номеров и передаст после склейки на уровень приложений.

Работа с сессиями

Перед началом передачи полезных данных, TCP позволяет убедиться в том, что получатель существует, слушает нужный отправителю порт и готов принимать данные для этого устанавливается сессия при помощи механизма трёхстороннего рукопожатия (three-way handshake), о котором можно прочесть в соответствующей статье. Далее, в рамках сессии передаются полезные пользовательские данные. После завершения передачи сессия закрывается, тем самым получатель извещается о том, что данных больше не будет, а отправитель извещается о том, что получатель извещён.

Контроль за скоростью передачи

Контроль за скоростью передачи позволяет корректировать скорость отправки данных в зависимости от возможностей получателя. Например, если быстрый сервер отправляет данные медленному телефону, то сервер будет передавать данные с допустимой для телефона скоростью.

Благодаря механизму скользящего окна (sliding window), TCP может работать с сетями разной надёжности. Механизм плавающего окна позволяет менять количество пересылаемых байтов, на которые надо получать подтверждение от адресата. Чем больше размер окна, тем больший объём информации будет передан до получения подтверждения. Для надёжных сетей подтверждения можно присылать редко, чтобы не добавлять трафика, поэтому размер окна в таких сетях автоматически увеличивается. Если же TCP видит, что данные теряются, размер окна автоматически уменьшается. Это связанно с тем, что если мы передали, например, 3 килобайта информации и не получили подтверждения, то мы не знаем, какая конкретно часть из них не дошла и вынуждены пересылать все три килобайта заново. Таким образом, для ненадёжных сетей, размер окна должен быть минимальным.

Механизм скользящего окна позволяет TCP постоянно менять размер окна - увеличивать его пока всё нормально и уменьшать, когда сегменты не доходят. Таким образом, в любой момент времени размер окна будет более или менее адекватен состоянию сети.

Структура TCP

Заголовок TCP сегмента имеет следующую структуру:

• Source port и Destination port - это соответственно номера портов получателя и отправителя, идентифицирующие приложений на отправляющем и принимающем узлах.
• Sequence number и Acknowledgment number - это порядковый номер сегмента и номер подтверждения, которые используются для надёжной доставки. Например, если отправитель шлёт сегмент с SN 100, то получатель может ответить на него ACK 101 SN200, что означает: «Я получил твой сегмент с номером 100 и жду от тебя 101-го, кстати, у меня своя нумерация. Мои номера начинаются с 200» Отправитель, в свою очередь, может ответить SN101 ACK201, что означает «Я получил от тебя сегмент с номером 200, могу принять следующий 201-ый, а вот тебе мой 101-ый сегмент, которого ты ждёшь». Ну и так далее.
• Header length - Это четырёхбитное поле, содержащее в себе длину заголовка TCP сегмента.
• Reserved - 6 зарезервированных на всякий случай бит.
• Control - поле с флагами, которые используются в процессе обмена информацией и описывают дополнительное назначение сегмента. Например, флаг FIN используется для завершения соединений, SYN и ACK - для установки.
• Window - содержит размер окна, о чём было сказано выше.
• Checksumm - контрольная сумма заголовка и данных.
• Urgent - признак важности (срочности) данного сегмента.
• Options - дополнительное необязательное поле, которое может использоваться, например, для тестирования протокола.
• В разделе данных содержатся собственно данные, полученные от протокола уровня приложений, либо их кусок, если данные пришлось разбивать.

Протоколы транспортного уровня предназначены для обеспечения непосредственного информационного обмена между двумя пользовательскими процессами. Существует два типа протоколов транспортного уровня – сегментирующие протоколы и не сегментирующие протоколы доставки дейтаграмм.

Сегментирующие протоколы транспортного уровня, разбивают исходное сообщение на блоки данных транспортного уровня - сегменты.

Протоколы доставки дейтаграмм не сегментируют сообщение и отправляют его одним куском, который называется «дейтаграмма». При этом функции установления и разрыва соединения, управления потоком не нужны. Протоколы доставки дейтаграмм просты для реализации, однако, не обеспечивают гарантированной и достоверной доставки сообщений.

В качестве протоколов транспортного уровня в сети Internet могут быть использованы два протокола:

• UDP User Datagram Protocol
• TCP Transmission Control Protocol

Идентификация процессов на транспортном уровне

Для организации информационного взаимодействия на транспортном уровне должен быть указан сетевой адрес абонента и номер порта процесса. В данном случае порт является виртуальным интерфейсом транспортного уровня. Взаимодействие процессов пользователя с портами может производиться по различным схемам:

• Синхронизация процесса
• Буферизация поступающих данных

При использовании первой схемы, поступление данных от внешней системы в порт вызывает прерывание выполнения соответствующего процесса. Использование буферов промежуточного хранения для каждого порта обеспечивает возможность асинхронного обмена с портом.

Перечень номеров назначенных портов приведен в документе IETF STD 2

Транспортный протокол UDP

Описание принципов построения протокола UDP приведено в RFC 768. Для передачи сообщений UDP используются пакеты IP. Сообщения UDP в данном случае размещаются в поле данных переносящего их пакета.

Формат сообщения UDP

Дейтаграммы UDP имеют переменную длину и состоят из заголовка сообщения UDP header и собственно сообщения UDP Data. На рисунке приведена структура заголовка сообщения UDP.

Поле UDP DESTINATION PORT

В этом поле должен быть размещен номер порта процесса, которому предназначено данное сообщение.

Поле UDP SOURCE PORT

В этом поле может быть размещен номер порта процесса, который является источником данного сообщения. Это поле формируется в том случае, если характер информационного взаимодействия предполагает формирование отклика.

Поле UDP MRSSAGE LENGTH

В поле UDP MRSSAGE LENGTH размещается выраженная в байтах длина сообщения UDP. Сообщение минимальной длины – 8 байт состоит из одного заголовка.

UDP SOURCE PORT	UDP DESTINATION PORT
UDP MRSSAGE LENGTH	UDP CHECKSUM
DATA

Поле UDP CHECKSUM

В этом поле может размещаться контрольная сумма сообщения. В том случае, если контрольная сумма сформирована, она должна быть вычислена с учетом псевдо- заголовка UDP, который является не частью дейтаграммы, а фрагментом пакета IP и содержит адреса сетевого уровня источника и станции назначения.

Использование протокола UDP

Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку сообщений в сети Internet. Этот протокол может быть использован в тех приложениях, которые либо не нуждаются в этом качестве, либо обеспечивают гарантированность доставки другими средствами. Примерами приложений, которые используют протокол UDP, являются TELNET и TFTP.

Транспортный протокол TCP

Протокол TCP используется для обеспечения надежного информационного обмена на транспортном уровне в сетях Internet. Первое описание протокола приведено в RFC 793.

Особенности реализации информационного обмена TCP

Существует достаточно много причин, которые могут помешать пакету, который передается в сети, успешно достичь станции назначения. Таким образом, если не будут использованы специальные методы для обеспечения гарантированной доставки, принятое сообщение может существенным образом отличаться от того сообщения, которое было передано.

Надежный информационный обмен предполагает следующие возможности:

• Потоковый обмен
• Использование виртуальных соединений
• Буферизированная передача данных
• Неструктурированный поток
• Обмен в режиме полного дуплекса

Потоковый обмен

Надежное транспортное соединение позволяет обеспечить такой режим информационного взаимодействия, когда приемник получает абсолютно ту же последовательность байтов, которая была передана отправителем.

Использование виртуальных соединений

Надежный информационный обмен на транспортном уровне может быть интерпретирован виртуальным логическим соединением. На начальной стадии одна из взаимодействующих сторон инициирует установление соединения, используя при этом по мере необходимости процедуры аутентификации. В процессе информационного обмена через установленное соединение обе стороны контролируют его качество и при возникновении проблем с передачей данных инициируют процесс разрыва соединения и формируют соответствующие сообщения для протоколов верхних уровней.

Буферизированная передача данных

Использование буферов позволяет согласовать скорость информационного обмена в канале передачи данных с значением скорости передачи данных приложением пользователя.

Для обеспечения требования доставки трафика, который чувствителен к временным задержкам, в дополнение к буферу может быть использован дополнительный механизм «push» - поршень. Использование данного механизма обеспечивает форсирование передачи содержимого буфера в тот момент, когда в него попадают данные, которые чувствительны к временным задержкам.

Методы обеспечения надежного информационного взаимодействия в TCP.

Для обеспечения гарантированной доставки сообщений протокол TCP использует аппарат позитивного квитирования с повторной передачей (positive acknowledgement with retransmission). Обычно при использовании данной схемы получатель информации посылает специальный сигнал ACK в подтверждение ее получения. Дальнейшее выполнение информационного обмена может быть выполнено только в том случае, если передающая сторона получит это подтверждение.

Простая процедура квитирования

Передающая сторона приостанавливает передачу очередного сегмента до получения подтверждения о приеме предыдущего сегмента. Интервал ожидания устанавливается равным значению задержки повторной передачи – retransmit timer. Если в течение этого интервала времени не будет получено подтверждение о приеме переданного сегмента, передача данного сегмента выполняется повторно.

Квитирование с использованием скользящего окна

Применение простой процедуры квитирования не обеспечивает достаточную эффективность использования пропускной способности каналов передачи данных. По крайней мере, половину времени системы ожидают получения подтверждения. Более эффективной в этом смысле является процедура квитирования с использованием скользящего окна, которая позволяет передающей стороне передать несколько сегментов сообщения, не дожидаясь получения подтверждения о приеме.

Максимальное число сегментов, которые передающая сторона может передать до получения подтверждения приема первого из них, называется ОКНОМ

При использовании этого механизма принимающая сторона может передавать подтверждение на получение сразу нескольких сегментов.

Процедуры управления потоком TCP

Протокол TCP оперирует с данными, которые поступают в виде потока байтов, которые сгруппированы в сегменты. Для передачи каждого сегмента используется отдельная дейтаграмма.

Описанный в предыдущем параграфе метод скользящего окна используется протоколом TCP для обеспечения выполнения двух функций:

• Управление скоростью передачи данных
• Обеспечение надежной доставки передаваемых данных

Процедура скользящего окна в протоколе TCP реализуется применительно к байтам. Каждому байту входного потока присваивается порядковый номер. Для управления процессом передачи используется три указателя.

Первый указывает границу между последним байтом, который был передан и получение которого подтверждено и первым переданным, но неподтвержденным байтом.

Второй указывает границу между последним переданным байтом, подтверждение о получении для которого еще не получено, и первым байтом, который может быть передан, до получения подтверждения о приеме предыдущих переданных байтов.

Третий указывает границу между последним байтом, который может быть передан, до получения подтверждения о приеме предыдущих переданных байтов и остальной частью информационного потока.

Процедура управления потоком заключается в согласовании скорости, с которой передаются данные с пропускной способностью канала их передачи.

Для обеспечения управления потоком в протоколе TCP предусмотрена возможность изменения размера окна. Каждое сообщение подтверждения содержит в себе значение представляемого размера окна - (window advertisement) которое в общем случае определяет размер буфера, который может быть использован в текущий момент для приема информации.

Использование скользящего окна для управления информационным потоком делает ненужным использование дополнительных механизмов для управления переполнением.

Особенности практической реализации протокола TCP

Синдром неоптимального окна

При использовании протокола TCP на линиях, пропускная способность которых была различной в различных направлениях, пользователи могли наблюдать возникновение ситуации, которая получила название синдром неоптимального окна – silly window syndrome - SWS. Данная ситуация характеризуется тем, что одно из взаимодействующих приложений «А» может передавать данные с существенно большей скоростью, чем другое - «В». Если изначально сторона «В» установила размер своего окна равным величине своего буфера, вполне может получиться так, что сторона «А» заполнит весь буфер до того, как получит первое уведомление об изменении размера окна. Исчерпав лимит байтов, установленный для передачи, сторона «А» перейдет в режим ожидания подтверждения. Когда сторона «В» начнет обработку поступивших данных, она сможет освободить некоторую часть буфера и передаст уведомление о соответствующем изменении размера приемного окна. Сторона «А» быстро заполнит освободившееся место в буфере и опять перейдет в режим ожидания. Наиболее неприятным следствием возникновения такой ситуации будет то, что канал передачи данных в направлении от «А» к «В» будет использоваться крайне неэффективно, поскольку сегменты TCP будут использоваться для переноса небольших объемов данных (до 1 байта). Соотношение долей полезной нагрузки и служебной информации в данном случае будет крайне неудачным. Для того, чтобы избежать возникновения SWS в практической реализации протокола TCP используются несколько различных способов.

Способы предотвращение появления SWS на приемной стороне

Для того, чтобы предотвратить возникновение SWS, приемной стороне достаточно передавать представления только для больших изменений размеров окна. Это означает, что сообщение ACK с новым значением размера окна передается не сразу после того, как появится свободное место во входном буфере, а только после того, как размер этого свободного место будет достаточен для приема минимального установленного объема передаваемой информации. Например, в качестве такого минимального объема может быть использован половинный объем приемного буфера. Некоторые реализации протокола TCP могут также использовать в качестве представления величины окна максимальную длину передаваемого сегмента.

Другим способом, который также может быть использован на приемной стороне для предотвращения возникновения эффекта SWS, является процедура задержки подтверждений. Этот метод довольно прост для реализации и в тоже время достаточно эффективен. Действительно, задержка ответа на некоторое постоянное время, позволит избежать SWS и одновременно повысить эффективность использования канала передачи данных – поскольку на все сегменты, которые поступят на приемник в течение интервала задержки, будет сформировано только одно подтверждение. Использование фиксированной задержки подтверждения рекомендовано стандартом для предотвращения SWS. Следует, однако, иметь в виду, что выбор слишком большого времени задержки может привести к повторной передаче сегмента.

Способы предотвращение появления SWS на передающей стороне

Для предотвращения появления SWS передающая сторона может использовать алгоритм Нейгла (Nagle). Суть этого алгоритма заключается в том, что первая порция информации передается немедленно после попадания в буфер, все последующие дожидаются, пока в буфере накопится достаточный для передачи объем данных.

Предыдущая лекция Протоколы внешней маршрутизации

Транспортный протокол TCP и модель ТСР/IР

За время развития вычислительных сетей было предложено и реализовано много протоколов обмена данными, самыми удачными из которых явились семейство протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей/межсетевой протокол).

ТСР/IР – это набор протоколов, состоящий из следующих компонентов:

· межсетевой протокол (Internet Protocol) , обеспечивающий адресацию в сетях (IP-адресацию);

· межсетевой протокол управления сообщениями (Internet Control Message Protocol – ICMP) , который обеспечивает низкоуровневую поддержку протокола IP, включая такие функции, как сообщения об ошибках, квитанции, содействие в маршрутизации и т. п.;

· протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol – ARP) , выполняющий преобразование логических сетевых адресов в аппаратные, а также обратный ему RARP (Reverse ARP);

· протокол пользовательских датаграмм (User Datagramm Protocol – UDP) ;

· протокол управления передачей (Transmission Control Protocol – TCP) .

Протокол UDP обеспечивает передачу пакетов без проверки доставки, в то время как протокол TCP требует установления виртуального канала и соответственно подтверждения доставки пакета с повтором в случае ошибки.

Этот набор протоколов образует самую распространенную модель сетевого обмена данными, получившую название – TCP/IP. Модель TCP/IP иерархическая и включает четыре уровня.

Прикладной уровень определяет способ общения пользовательских приложений. В системах "клиент-сервер" приложение-клиент должно знать, как посылать запрос, а приложение-сервер должно знать, как ответить на запрос. Этот уровень обеспечивает такие протоколы, как HTTP, FTP, Telnet.

Транспортный уровень позволяет сетевым приложениям получать сообщения по строго определенным каналам с конкретными параметрами.

На сетевом уровне определяются адреса включенных в сеть компьютеров, выделяются логические сети и подсети, реализуется маршрутизация между ними.

На канальном уровне определяется адресация физических интерфейсов сетевых устройств, например, сетевых плат. К этому уровню относятся программы управления физическими сетевыми устройствами, так называемые, драйверы.

Как уже отмечалось ранее, в сетях с коммутацией пакетов, а модель TCP/IP относится к таким, для передачи по сети сообщение (сформированное на прикладном уровне) разбивается на пакеты или датаграммы. Пакет или датаграмма – это часть сообщения с добавленным заголовком пакета или датаграммы.

На транспортном уровне к полезной информации добавляется заголовок – служебная информация. Для сетевого уровня полезной информацией является уже пакет или датаграмма транспортного уровня. К ним добавляется заголовок сетевого уровня.

Полученный блок данных называется IP-пакетом. Полезной нагрузкой для канального уровня является уже IP-пакет. Здесь перед передачей по каналу к нему добавляются собственный заголовок и еще завершитель. Получившийся блок называется кадром. Он и передается по сети.

Переданный по сети кадр в пункте назначения преобразуется в обратном порядке, проходя по уровням модели снизу вверх.

Выводы по теме

1. Протокол сетевого обмена информацией – это перечень форматов передаваемых блоков данных, а также правил их обработки и соответствующих действий.

2. Протокол обмена данными – это подробная инструкция о том, какого типа информация передается по сети, в каком порядке обрабатываются данные, а также набор правил обработки этих данных.

3. В настоящее время почти все сети в мире являются сетями коммутации пакетов.

4. Существуют два принципа организации обмена данными: установление виртуального соединения с подтверждением приема каждого пакета и передача датаграмм.

5. При виртуальном соединении пункт приема информации уведомляет отправителя о правильном или неправильном приеме каждого пакета. Виртуальным его называют потому, что в отличие от телефонного коммутированного канала обмен информацией может идти по различным физическим путям даже в процессе передачи одного сообщения.

6. При передаче датаграммы короткие пакеты пересылаются адресату без подтверждения получения каждой из них, а о получении всего сообщения целиком должна уведомить целевая программа.

7. ТСР/IР – это набор протоколов, состоящий из следующих компонентов: межсетевой протокол (IP), межсетевой протокол управления сообщениями (ICMP), протокол разрешения адресов (ARP), протокол пользовательских датаграмм (UDP) и протокол управления передачей (TCP).

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимается под протоколом передачи данных?

2. Охарактеризуйте сети с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов.

3. Чем отличается соединение по виртуальному каналу от передачи датаграмм?

4. Какие протоколы образуют модель TCP/IP?

5. Какие уровни входят в сетевую модель TCP/IP?

6. Дайте характеристику всех уровней модели TCP/IP и укажите соответствующие этим уровням протоколы.

7. Соотнесите по уровням модели TCP/IP понятия "пакет" и "кадр". Чем они отличаются?

8. Какой протокол обеспечивает преобразование логических сетевых адресов в аппаратные?

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.