Протоколы транспортного уровня стека TCP/IP

Как уже было отмечено ранее, главная задача транспортного уровня заключается в пере­даче данных между прикладными процессами. Эту задачу решают протокол управ­ления передачейTCP(Transmission Control Protocol) и протокол пользовательских дейтаграмм UDP (User Datagram Protocol). Протоколы TCP и UDP имеют много общего. Тот и другой обеспечивают интерфейс с вышележащим прикладным уровнем, передавая дан­ные, поступающие на входной интерфейс хоста, соответствующему приложению. При этом оба протокола используют концепции «порт» и «сокет». Оба они так­же поддерживают интерфейс с нижележащим сетевым уровнем IP, упаковывая свои пакеты в IP-пакеты.

Каждый компьютер может выполнять несколько процессов; более того, приклад­ной процесс тоже может иметь несколько точек входа, выступающих в качестве адреса назначения для пакетов данных. Поэтому после того, как пакет средства­ми протокола IP доставлен на сетевой интерфейс компьютера-получателя, дан­ные необходимо переправить конкретному процессу-получателю.

Существует и обратная задача: пакеты, которые отправляют в сеть разные при­ложения, работающие на одном конечном узле, обрабатываются общим для них протоколом IP. Следовательно, в стеке должно быть предусмотрено средство «сбора» пакетов от разных приложений дляпередачи протоколу IP. Эту работу выполняют протоколы TCP и UDP.

Процедура приема протоколами TCP и UDP данных, поступающих от несколь­ких различных прикладных служб, называется мультиплексированием.Обрат­ная процедура – процедура распределения протоколами TCP и UDP поступающих от сетевого уровня пакетов между набором высокоуровневых служб – называется демультиплексированием [11].

Протоколы TCP и UDP ведут для каждого приложения две очереди: очередь па­кетов, поступающих к данному приложению из сети, и очередь пакетов, отправ­ляемых данным приложением в сеть. Пакеты, поступающие на транспортный уро­вень, организуются операционной системой в виде множества очередей к точкам входа различных прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие систем­ные очереди называются портами,причем входная и выходная очереди одного приложения рассматриваются как один порт. Для однозначной идентификации портов им присваивают номера, которые используются для адресации приложений [12].

Если процессы представляют собой популярные общедоступные службы (например, FTP, telnet, HTTP, DNS и т. п.), то за ними закрепляются стандарт­ные, назначенные номера,также называемые хорошо известными(well-known) номерами портов.Эти номера закрепляются и публикуются в стандартах Ин­тернета RFC. Так, номер 21 закреплен за службой удаленного доступа к файлам FTP, a 23 – за службой удаленного управления telnet. Назна­ченные номера являются уникальными в пределах Интернета и выделяются приложениям централизованноиз диапазона от 0 до 1023.

Для тех приложений, которые еще не стали столь распространенными, чтобы за­креплять за ними стандартные номера, номера портов назначаются разработчи­ками этих приложений или операционной системой локальнов ответ на поступ­ление запроса от приложения. На каждом компьютере операционная система ведет список занятых и свободных номеров портов. При поступлении запроса от приложения, выполняемого на данном компьютере, операционная система вы­деляет ему первый свободный номер. Такие номера называют динамическими [31].

В дальнейшем все сетевые приложения должны адресоваться к данному прило­жению с указанием назначенного ему номера порта. После того как приложение завершит работу, выделенный ему локальный номер порта возвращается в спи­сок свободных и может быть назначен другому приложению. Динамические но­мера являются уникальными в пределах каждого компьютера, но при этом обыч­ной ситуацией является совпадение номеров портов приложений, выполняемых на разных компьютерах. Как правило, клиентские части известных приложений (DNS, WWW, FTP, telnet и др.) получают динамические номера портов от операционной системы.

Нет никакой зависимости меж­ду назначением номеров для приложений, использующих протокол TCP, и при­ложений, работающих с протоколом UDP. Приложения, которые передают дан­ные на уровень IP по протоколу UDP, получают номера, называемые UDP-портами.Аналогично приложениям, обращающимся к протоколу TCP, выделя­ются ТСР-порты.

В том и другом случаях это могут быть как назначенные, так и динамические номера. Диапазоны чисел, из которых выделяются номера TCP- и UDP-портов, совпадают: от 0 до 1023 для назначенных и от 1024 до 65535 для динамических. Однако никакой связи между назначенными номерами TCP- и UDP-портов нет. Даже если номера TCP- и UDP-портов совпадают, они идентифицируют разные приложения. Например, одному приложению может быть назначен ТСР-порт 1750, а другому – UDP-порт 1750. В некоторых случаях, когда приложение может об­ращаться по выбору к протоколу TCP или UDP (например, таким приложением является DNS), ему, исходя из удобства запоминания, назначаются совпадаю­щие номера TCP- и UDP-портов (в данном примере – это номер 53) [22].

2.5.1 Протокол UDP

Единица данных протокола UDP называется UDP-дейтаграммой,или пользо­вательской дейтаграммой.Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользова­тельское сообщение. Это приводит к естественному ограничению: длина дейтаграммы UDP не может превышать длины поля данных протоко­ла IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если UDP-буфер переполняется, то данные приложения отбра­сываются.

Заголовок UDP, состоящий из четырех 2-х-байтовых полей, содержит номера пор­тов отправителя и получателя, контрольную сумму и длину дейтаграммы (рис.2.11) [24].

16 бит
Порт источника
16 бит
Порт приемника
16 бит
Длина дейтаграммы
16 бит
Контрольная сумма

Рис. 2.11 – Структура UDP-заголовка

Поле Порт источника (Source Port) занимает 2 байта и идентифицирует процесс-от­правитель.

Поле Порт приемника (Destination Port) занимает 2 байта и идентифицирует про­цесс-получатель.

Поле Длина дейтаграммы (Total Length) занимает 2 байта и представляет собой длину UDP-пакета вместе с заголовком.

Поле Контрольная сумма (Checksum) занимает 2 байта.

Ниже приведен пример заголовка UDP с заполненными полями:

1. Source Port = 0x0035 [порт источника].

2. Destination Port = 0x0411 [порт назначения].

3. Total length = 132 (0x84) bytes [длина UDP-заголовка].

4. Checksum = 0x5333 [контрольная сумма].

В этой UDP-дейтаграмме в поле данных, длина которого, как следует из заголов­ка, равна 132 байтам, помещено сообщение DNS-сервера. Это можно видеть по номеру порта источника (Source Port = 0x0035), что в шестнадцатеричном фор­мате равно стандартному номеру DNS-сервера 53.

Протокол UDP решает задачу демультиплексирования следующим образом: кадры, не­сущие UDP-дейтаграммы, пребывают на сетевой интерфейс хоста, последова­тельно обрабатываются протоколами стека и поступают в распоря­жение протокола UDP, который извлекает из заголовка номер порта назначения и передает данные на определенный порт соответствующему приложению, то есть выполняет демультиплексирование.

Это решение выглядит очень логично и просто, однако оно неработоспособно в ситуации, когда на конечном узле выполняется несколько копий одного и того же приложения. Пусть, например, на одном хосте запущены два DNS-сер­вера, причем оба используют для передачи своих сообщений протокол UDP. DNS-сервер имеет хорошо известный UDP-порт 53. В то же время у каждого из DNS-серверов могут быть свои клиенты, собственные базы данных и настройки. Когда на сетевой интерфейс данного компьютера при­дет запрос от DNS-клиента, в UDP-дейтаграмме будет указан номер порта 53, который в равной степени относится к обоим DNS-серверам. Чтобы снять неоднозначность, используют следующий прием: разным копиям одного приложения, даже установ­ленным на одном компьютере, присваивают различные IP-адреса. В данном примере DNS-сервер1 имеет IP-адрес IР1, а DNS-сервер2 – IP-адрес IР2. Таким образом однозначно определяет прикладной процесс в сети (а тем более в пределах ком­пьютера) пара (IP-адрес, номер порта UDP), называемая UDP-сокетом (UDP socket), то есть протокол UDP выполняет демультиплексирование на основе сокетов [18].

2.5.2 Протокол TCP

Информация, поступающая к протоколу TCP от протоколов более высокого уров­ня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байтов. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера «вырезается» некоторая непрерывная часть данных, которая называется сегментом, и снабжается заголовком.

Заголовок TCP-сегмента содержит значительно больше полей, нежели заголовок UDP (рис. 2.12), что указывает на широту возможности первого протокола [27].

16 бит
Порт источника
16 бит
Порт приемника
32 бита
Последовательный номер
32 бита
Подтвержденный номер
4 бита
Длина заголовка
6 бит
Резерв
6 бит
Кодовые биты
16 бит
Окно
URG ACK PSH RST SYN F
IN
16 бит
Контрольная сумма
16 бит
Указатель срочности
максимум 24 бита
Параметры
Заполнитель

Рис. 2.12 – Структура TCP-заголовка

Поле Порт источника (Source Port) занимает 2 байта и идентифицирует процесс-от­правитель.

Поле Порт приемника (Destination Port) занимает 2 байта и идентифицирует про­цесс-получатель.

Поле Последовательный номер (Sequence Number) занимает 4 байта и представля­ет собой число, уникально идентифицирующее TCP-сегмент. Этот порядковый номер дает возможность получателям TCP-пакетов идентифицировать пропущенные части потока информации.

Поле Подтвержденный номер (Acknowledgement Number) занимает 4 байта и со­держит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу. Именно это значение используется в качестве квитанции, то есть удостоверения, что сегмент получен. Если ус­тановлен контрольный бит АСК, то поле содержит следующий номер оче­реди, который отправитель данного сегмента желает получить в обратном на­правлении.

Поле Длина заголовка (Hlen) занимает 4 бита и представляет собой длину заголов­ка TCP-сегмента, измеренную в 32-х-битовых словах. Длина заголовка не фик­сирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле параметров.

Поле Резерв (Reserved) занимает 6 бит.

Поле Кодовые биты (Code Bits) содержит служебную информацию о типе данного сегмента. Положительное значение сигнализируется установкой этих битов в единицу:

1) URG (срочность) – указывает на необходимость проверки значения поля Urgent Pointer (указатель срочности);

2) АСК (подтверждение) – указывает на необходимость проверки значения поля Acknowdgment Number (подтвержденный номер);

3) PSH (проталкивание) – игнорирует буферизацию и передает данные непосредственно прикладному уровню. Эта возможность применяется для приложений, выполняющихся однократно или с ограниченным временным ресурсом;

4) RST (сброс) – завершает соединение. Применяется для полного закрытия соединения, а также для отказа в соединении по любой причине;

5) SYN (синхронизация) – используется для синхронизации счетчиков передан­ных данных при установлении соединения и обозначает, что отправитель извещает противоположную сторону TCP-соединения о значении в своем поле Sequence Number (порядковый номер);

6) FIN (окончание) – обозначает, что хост завершил соединение, то есть достижение передающей стороной последнего байта в по­токе передаваемых данных.

Поле Окно (Window) определяет размер TCP-буфера приема в байтах. Размер окна, приравненный к нулю, означает, что отправитель должен приостановить передачу – TCP-буфер получателя заполнен.

Поле Контрольная сумма (Сhecksum) занимает 2 байта.

Поле Указатель срочности (Urgent pointer) занимает 2 байта. Данное поле значимо только в том случае, если установить флаг URG, и получатель должен просмотреть это поле, чтобы узнать, откуда начинать считывать данные пакета.

Поле Параметры (Options) имеет переменную длину и может вообще отсутствовать. Максимальная величина поля составляет 3 байта; оно используется для ре­шения вспомогательных задач, например для выбора максимального размера сегмента. Поле параметров может располагаться в конце заголовка TCP, а его длина кратна 8 битам.

Поле Заполнитель (padding) может иметь переменную длину. Это фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-х-битовых слов.

Основным отличием протокола TCP от UDP является то, что на протокол TCP возложена дополнительная задача – обеспечить надежную доставку сообщений, используя в качестве основы протокол IP.

TCP-протокол решает задачу обеспечения надежного обмена данными путем установления между компьютерами логических соединений, благодаря которым TCP следит, чтобы передаваемые сегменты не были потеряны, не были продуб­лированы и пришли к получателю в том порядке, в котором были отправлены.

При установлении логического соединения модули TCP договариваются между собой о параметрах процедуры обмена данными. В протоколе TCP каждая сто­рона соединения посылает противоположной стороне следующие параметры:

1) максимальный размер сегмента, который она готова принимать;

2) максимальный объем данных (возможно несколько сегментов), которые она разрешает другой стороне передавать в свою сторону, даже если та еще не по­лучила квитанцию на предыдущую порцию данных;

3) начальный порядковый номер байта, с которого она начинает отсчет потока данных в рамках этого соединения.

В результате переговорного процесса модулей TCP с двух сторон соединения определяются параметры соединения. Одни из них остаются постоянными в те­чение всего сеанса связи, а другие адаптивно изменяются. В частности, в зави­симости от загрузки буфера принимающей стороны, а также от надежности работы сети динамически изменяется размер окна отправителя (размер буфера приема). Создание соединения означает выделение операционной системой на каждой стороне соеди­нения определенных системных ресурсов для организации буферов, таймеров, счетчиков. Эти ресурсы будут закреплены за соединением с момента создания и до момента разрыва. Логическое TCP-соединение однозначно идентифицируется парой TCP-сокетов, каждый из которых одновременно может участвовать в нескольких соединениях.

Таким образом, из всего вышеизложенного о двух протоколах транспортно­го уровня стека TCP/IP следует, что на один из них – TCP – возложена сложная и очень важная задача обеспечения надежной передачи данных через ненадежную сеть.

С другой стороны, функциональная простота протокола UDP обусловливает простоту алгоритма его работы, компактность и высокую скорость. Поэто­му те приложения, в которых реализован собственный, достаточно надежный механизм обмена сообщениями, основанный на установлении соединения, пред­почитают использовать для непосредственной передачи данных по сети менее надежные, но более быстрые средства транспортировки, в качестве которых по отношению к протоколу TCP и выступает протокол UDP.

Протокол UDP может быть использован и в том случае, когда хорошее качество линий связи обеспе­чивает достаточный уровень надежности и без применения дополнительных приемов (например, установление логического соединения и квитирования пере­даваемых пакетов (подтверждение получения)). Заметим, что, поскольку протокол TCP основан на ло­гических соединениях, он не годится для широ­ковещательной и групповой рассылки, в отличие от протокола UDP.

About

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

64 − 63 =