15 tcp

Мультиплексирование и демультиплексирование приложений.
Порты.

Протоколы TCP и UDP ведут для каждого приложения две системные очереди: очередь данных, поступающих к приложению из сети, и очередь данных, отправляемых этим приложением в сеть. Такие системные очереди называются портами, причем входная и выходная очереди одного приложения рассматриваются как один порт. Для идентификации портов им присваивают номера.

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 в 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 65 535 для динамических.

Стандартные назначенные номера портов уникально идентифицируют тип приложения (FTP, или HTTP, или DNS и т. д.), однако они не могут использоваться для однозначной идентификации прикладных процессов, связанных с каждым из этих типов приложений.

Сокеты
Прикладной процесс однозначно определяется в пределах сети и в пределах отдельного компьютера парой (IP-адрес, номер порта), называемой сокетом (socket). Сокет, определенный IP-адресом и номером UDP-порта, называется UDP-сокетом, а IP-адресом и номером ТСР-порта — ТСР-сокетом.
После получения IP-пакета от протокола канального уровня протокол IP анализирует содержимое заголовка этого пакета, после чего заголовок отбрасывается, и «наверх» передается содержимое поля данных IP-пакета.

Протокол UDP является дейтаграммным протоколом, реализующим ненадежный сервис по возможности, который не гарантирует доставку сообщений адресату.
При работе на хосте-отправителе данные от приложений поступают протоколу UDP через порт в виде сообщений. Протокол UDP добавляет к каждому отдельному сообщению свой 8-байтный заголовок, формируя UDP-дейтаграммы, и передает их нижележащему протоколу IP.

Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользовательское сообщение. Сообщения могут иметь разную длину, не превышающую, однако, длину поля данных протокола IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если буфер UDP переполняется, то сообщение приложения отбрасывается.
Заголовок UDP состоит из четырех 2-байтных полей:
номер UDP-порта отправителя;
номер UDP-порта получателя;
контрольная сумма;
длина дейтаграммы.

Функции протокола UDP сводятся к простой передаче данных между прикладным и сетевым уровнями, а также к примитивному контролю искажений в передаваемых данных. При контроле искажений протокол UDP только диагностирует, но не исправляет ошибку.
Работая на хосте-получателе, протокол UDP принимает от протокола IP извлеченные из пакетов UDP-дейтаграммы. Протокол UDP освобождает дейтаграмму от UDP-заголовка. Полученное в результате сообщение он передает приложению на соответствующий UDP-сокет. Таким образом, протокол UDP выполняет демультиплексирование на основе сокетов.

Протокол TCP и ТСР-сегменты
Протокол TCP предназначен для передачи данных между приложениями. Этот протокол основан на логическом соединении, что позволяет ему обеспечивать гарантированную доставку данных, используя в качестве инструмента ненадежный дейтаграммный сервис протокола IР.

Коротко поясним значение однобитных полей, называемых флагами, или кодовыми битами (code bits). Они расположены сразу за резервным полем и содержат служебную информацию о типе данного сегмента. Положительное значение сигнализируется установкой этих битов в единицу:
URG — срочное сообщение;
АСК — квитанция на принятый сегмент;
SH — запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
RST — запрос на восстановление соединения;
SYN — сообщение, используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
FIN — признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.

Логические соединения — основа надежности TCP
Основным отличием TCP от UDP является то, что на протокол TCP возложена дополнительная задача — обеспечить надежную доставку сообщений, используя в качестве основы ненадежный дейтаграммный протокол IP.
Протокол TCP устанавливает логические соединения между прикладными процессами, причем в каждом соединении участвуют только два процесса. TCP-соединение является дуплексным, то есть каждый из участников этого соединения может одновременно получать и отправлять данные.

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:
максимальный размер сегмента, который она готова принимать;
максимальный объем данных, которые она разрешает другой стороне передавать в свою сторону, даже если та еще не получила квитанцию на предыдущую порцию данных (размер окна);
начальный порядковый номер байта, с которого она начинает отсчет потока данных в рамках данного соединения.

Соединение устанавливается по инициативе клиентской части приложения. При необходимости выполнить обмен данными с серверной частью приложение-клиент обращается к нижележащему протоколу TCP, который в ответ на это обращение посылает сегмент­запрос на установление соединения протоколу TCP, работающему на стороне сервера.

Сокет одновременно может участвовать в нескольких соединениях.

Методы квитирования
Один из наиболее естественных приемов, используемых для организации надежного обмена данными, — это передача с квитированием, суть которой состоит в следующем:
Отправитель отсылает данные, а получатель подтверждает их получение квитанциями. Если отправитель вовремя не получает квитанции на переданные данные, то он передает их повторно.
Любая попытка реализации запроса повторной передачи (Automatic Repeat reQuest, ARQ) «обрастает» множеством деталей и вопросов. Все решения могут быть разделены на два класса:
методы простоя источника (Stop-and-Wait);
методы скользящего окна.
В свою очередь, методы скользящего окна тоже делятся на два класса:
методы, использующие окно передачи, — к ним, в частности, относится метод передачи с возвращением на N пакетов (Go-Back-N);
методы, использующие окно передачи и окно приема, — примером является метод передачи с выборочным повторением.

Основные черты методов:
Отправитель (источник) и получатель (приемник), в общем случае работающие асинхронно, осуществляют передачу пакетов по ненадежной линии связи, в которой возможны искажения, большие задержки и потери пакетов.
Отправитель принимает данные от протокола верхнего уровня (приложения), получатель передает полученные данные на верхний уровень (приложению).
Получатель располагает механизмом определения искаженных пакетов, например по контрольной сумме.
После успешного получения пакета получатель посылает отправителю квитанции (acknowledgment, АСК).
Для отслеживания задержек пакетов используется таймер, тайм-аут которого устанавливается равным предельному времени ожидания квитанции.

Метод простоя источника
В методе простоя источника отправитель передает последовательность ненумерованных пакетов. Метод требует, чтобы отправитель дожидался от получателя квитанции и только после этого посылал следующий пакет.
С переданным пакетом отправитель связывает таймер. Если в течение тайм-аута квитанция не пришла, то пакет считается утерянным или искаженным и его передача повторяется.
Если первая квитанция не была утеряна, а просто шла к отправителю слишком долго, то возможна коллизия с приходом в источник двух квитанций на пакет-оригинал и пакет­дубль. Вторую квитанцию отправитель может интерпретировать как квитанцию на получение следующего по порядку пакета.

Концепция скользящего окна (sliding window) заключается в том, что для повышения скорости передачи данных отправителю разрешается передать некоторое количество пакетов, не дожидаясь прихода на эти пакеты квитанций.
Для идентификации пакетам присваиваются уникальные последовательные номера, которые размещаются в заголовках пакетов. Разрядность поля «номер пакета» определяет диапазон возможных номеров. Когда этот диапазон исчерпывается, нумерация пакетов снова начинается с нуля.

Окно определяется на последовательности пронумерованных пакетов (рис. 16.11). Окно всегда имеет нижнюю границу, называемую также базой окна, и верхнюю границу. Количество номеров, попадающих в пределы окна, называют размером окна. Очевидно, что окно всегда перемещается в сторону больших номеров.
Окно, показанное на рисунке, регулирует процесс передачи — оно ограничивает количество пакетов, которые отправитель может передать до получения квитанции. Окно может быть определено не только для передачи, но и для приема пакетов - в таком случае ограничивается количество пакетов, которые получатель может принять, не передавая их на верхний уровень.

Передача с возвращением на N пакетов
В данном методе ставится задача обеспечить более эффективное использование линии связи, чем в методе с простоем источника. Для этого отправителю разрешается отправлять следующие пакеты, не дожидаясь подтверждения получателем их успешного приема. Количество переданных таким образом пакетов ограничивается окном.
Поскольку отправитель должен иметь возможность при необходимости повторить передачу любого из переданных пакетов, их необходимо буферизовать. Кроме того, отправитель должен отслеживать статус пакетов (отправлен/не отправлен, подтвержден/не подтвержден).

При поступлении нового пакета получатель всегда выполняет одни и те же действия, проверяя:
является ли пакет неискаженным;
является ли он следующим по порядку в последовательности уже полученных пакетов.
Если оба условия выполнены, то пакет принимается и передается на более высокий уровень, а отправителю посылается квитанция, в которой указывается номер успешно принятого пакета.
Если хотя бы одно из этих условий не выполнено, то пакет отбрасывается, а отправителю снова посылается квитанция с номером последнего по времени успешно принятого пакета.

На процесс передачи пакетов влияют следующие события:
Исчерпание окна — ситуация, когда все пакеты из окна отправлены, но не подтверждены. В этом случае передача останавливается.
Истечение тайм-аута — это событие интерпретируется отправителем как потеря пакета или квитанции, а значит, выполняется повторная передача базового пакета и для него заново устанавливается таймер.
Поступление квитанции. Соответствующий пакет и все пакеты в пределах окна с меньшими номерами считаются успешно принятыми. Окно сдвигается, фиксируется новый базовый пакет, переустанавливается таймер.
Если квитанция на базовый пакет пришла после истечения его тайм-аута, а значит, и после его повторной передачи, эта квитанция «засчитывается», и выполняются все действия, определенные для этого случая.

Эффективность данного метода выше по сравнению с методом простоя источника за счет передачи в линию связи сразу нескольких пакетов. Однако для него характерна избыточность: во-первых, получатель отбрасывает не только искаженный, но и корректно принятый пакет, если его номер выбивается из последовательности, во-вторых, отправитель повторно передает не только потерянный или искаженный пакет, но и все пакеты, которые были отправлены после него.

Передача с выборочным повторением
В данном методе получатель может выборочно запросить повторную передачу отдельного пакета, а не всей последовательности переданных пакетов.
Чтобы избежать избыточных повторных передач, принимающей стороне запрещено отбрасывать правильно принятый пакет лишь потому, что его номер выбивается из последовательности.
В данном методе концепция скользящего окна используется как для передачи, так и для приема пакетов. Оба окна определены на одной и той же последовательности номеров пакетов, размеры окон одинаковы.

Отправитель и получатель работают только с пакетами, находящимися в пределах окна передачи и окна приема соответственно.

Номера из окна приема в общем случае могут соответствовать:
принятым и подтвержденным пакетам (10, 11, 13), которые не могут быть переданы из буфера верхнему уровню, так как в их последовательность «вклинились» номера некоторых отсутствующих пакетов (9, 12);
ожидаемым, еще не полученным пакетам (9,12);
пакетам, которые получателю разрешено принимать (14-19), так как их номера попадают в окно приема.
Получатель принимает, размещает в буфере и подтверждает квитанцией любой принятый пакет при условии, что он не искажен и его номер попадает в окно приема. Если принят базовый пакет, то левая граница окна приема сдвигается до первого ожидаемого, но еще не полученного пакета.

На работе отправителя сказываются следующие события:
Исчерпание окна. Отправитель последовательно посылает пакеты до тех пор, пока не исчерпается окно передачи.
Приход квитанции. Отправитель, получив квитанцию, присваивает пакету статус успешно переданного. Если это был базовый пакет (например, пакет 7 на рисунке), то окно смещается вправо до первого по порядку принятого, но не подтвержденного пакета, который становится базой (на рисунке пакет 10).
Истечение тайм-аута. Таймер устанавливается для каждого пакета отдельно, по истечении тайм-аута соответствующий пакет повторяют. Таким образом, пакет повторяют, только если он был потерян или искажен.

Реализация метода скользящего окна в протоколе TCP
Сегменты и поток байтов
Алгоритм скользящего окна в протоколе TCP имеет некоторые существенные особенности. В частности, в рассмотренном обобщенном алгоритме скользящего окна единицей передаваемых данных является пакет, и размер окна также определяется в кадрах, в то время как в протоколе TCP дело обстоит совсем по-другому.

В ходе переговорного процесса модули TCP обеих участвующих в обмене сторон договариваются между собой о параметрах процедуры обмена данными. Одним из таких параметров является начальный номер байта, с которого будет вестись отсчет в течение всего функционирования данного соединения. У каждой стороны свой начальный номер. Нумерация байтов в пределах сегмента осуществляется начиная от заголовка (рис. 16.15).

Когда отправитель посылает ТСР-сегмент, он помещает в поле последовательного номера номер первого байта данного сегмента, который служит идентификатором сегмента. На основании этих номеров получатель TCP-сегмента не только отличает данный сегмент от других, но и позиционирует полученный фрагмент относительно общего потока байтов. Кроме того, он может сделать вывод, например, что полученный сегмент является дубликатом или что между двумя полученными сегментами пропущены данные и т. д.

В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в поле подтвержденного номера которого он помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Подтвержденный номер часто интерпретируют не только как оповещение о благополучной доставке, но и как номер следующего ожидаемого байта данных.
Квитанция в протоколе TCP посылается только в случае правильного приема данных. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо потерю сегмента, либо потерю квитанции, либо прием искаженного сегмента.

Система буферов при дуплексной передаче
Поскольку протокол TCP является дуплексным, каждая сторона одновременно выступает и как отправитель, и как получатель. У каждой стороны есть пара буферов: один — для хранения принятых сегментов, другой — для сегментов, которые только еще предстоит отправить.

Из потока байтов модуль TCP «нарезает» последовательность сегментов и поочередно отправляет их приложению-получателю. В этом потоке можно указать несколько логических границ:
Первая граница отделяет сегменты, которые уже были отправлены и на которые уже пришли квитанции. Последняя квитанция пришла на байт с номером N.
По другую сторону этой границы располагается окно размером W байт.
Оставшаяся часть окна — это сегменты, которые пока не отправлены, но могут быть отправлены, так как входят в пределы окна.
И наконец, последняя граница указывает на начало последовательности сегментов, ни один из которых не может быть отправлен до тех пор, пока не придет очередная квитанция и окно не будет сдвинуто вправо.

Накопительный принцип квитирования
Если размер окна равен W, а последняя по времени квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N + W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.
Получатель может послать квитанцию, подтверждающую получение сразу нескольких сегментов, если они образуют непрерывный поток байтов.

Вполне возможны ситуации, когда сегменты приходят к получателю не в том порядке, в каком были посланы, то есть в приемном буфере может образоваться «прогалина» (рис. 16.19, б).
Когда протокол TCP передает в сеть сегмент, он «на всякий случай» помещает его копию в буфер, называемый также очередью повторной передачи, и запускает таймер. Когда приходит квитанция на этот сегмент, соответствующая копия удаляется из очереди. Если же квитанция не приходит до истечения срока, то сегмент, вернее его копия, посылается повторно.

Параметры управления потоком в TCP
В протоколе TCP тайм-аут определяется с помощью достаточно сложного адаптивного алгоритма, идея которого состоит в следующем. При каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме (время оборота). Получаемые значения времени оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент. Практика показывает, что значение этого коэффициента должно превышать 2.

Признаком перегрузки TCP-соединения является возникновение очередей на промежуточных узлах (маршрутизаторах) и на конечных узлах (компьютерах). При переполнении приемного буфера конечного узла «перегруженный» модуль TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна.