Протокол TCP. Принцип работы. Применение
В основе работы глобальной сети Интернет лежит набор (стек) протоколов TCP/IP. Но эти термины лишь на первый взгляд кажутся сложными. На самом деле стек протоколов TCP/IP - это простой набор правил обмена информацией, и правила эти на самом деле вам хорошо известны, хоть вы, вероятно, об этом и не догадываетесь. Да, все именно так, по существу в принципах, лежащих в основе протоколов TCP/IP, нет ничего нового: все новое - это хорошо забытое старое.
Человек может учиться двумя путями:
- Через тупое формальное зазубривание шаблонных способов решения типовых задач (чему сейчас в основном и учат в школе). Такое обучение малоэффективно. Наверняка вам приходилось наблюдать панику и полную беспомощность бухгалтера при смене версии офисного софта - при малейшем изменении последовательности кликов мышки, требуемых для выполнения привычных действий. Или приходилось видеть человека, впадающего в ступор при изменении интерфейса рабочего стола?
- Через понимание сути проблем, явлений, закономерностей. Через понимание принципов построения той или иной системы. В этом случае обладание энциклопедическими знаниями не играет большой роли - недостающую информацию легко найти. Главное - знать, что искать. А для этого необходимо не формальное знание предмета, а понимание сути.
В этой статье я предлагаю пойти вторым путем, так как понимание принципов, лежащих в основе работы Интернета, даст вам возможность чувствовать себя в Интернете уверенно и свободно - быстро решать возникающие проблемы, грамотно формулировать проблемы и уверенно общаться с техподдержкой.
Итак, начнем.
Принципы работы интернет-протоколов TCP/IP по своей сути очень просты и сильно напоминают работу нашей советской почты.
Вспомните, как работает наша обычная почта. Сначала вы на листке пишете письмо, затем кладете его в конверт, заклеиваете, на обратной стороне конверта пишете адреса отправителя и получателя, а потом относите в ближайшее почтовое отделение. Далее письмо проходит через цепочку почтовых отделений до ближайшего почтового отделения получателя, откуда оно тетей-почтальоном доставляется до по указанному адресу получателя и опускается в его почтовый ящик (с номером его квартиры) или вручается лично. Все, письмо дошло до получателя. Когда получатель письма захочет вам ответить, то он в своем ответном письме поменяет местами адреса получателя и отправителя, и письмо отправиться к вам по той же цепочке, но в обратном направлении.
На конверте письма будет написано примерно следующее:
Адрес отправителя: От кого : Иванов Иван Иванович Откуда : Ивантеевка, ул. Большая, д. 8, кв. 25 Адрес получателя: Кому : Петров Петр Петрович Куда : Москва, Усачевский переулок, д. 105, кв. 110Теперь мы готовы рассмотреть взаимодействие компьютеров и приложений в сети Интернет (да и в локальной сети тоже). Обратите внимание, что аналогия с обычной почтой будет почти полной.
Каждый компьютер (он же: узел, хост) в рамках сети Интернет тоже имеет уникальный адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address), например: 195.34.32.116. IP адрес состоит из четырех десятичных чисел (от 0 до 255), разделенных точкой. Но знать только IP адрес компьютера еще недостаточно, т.к. в конечном счете обмениваются информацией не компьютеры сами по себе, а приложения, работающие на них. А на компьютере может одновременно работать сразу несколько приложений (например почтовый сервер, веб-сервер и пр.). Для доставки обычного бумажного письма недостаточно знать только адрес дома - необходимо еще знать номер квартиры. Также и каждое программное приложение имеет подобный номер, именуемый номером порта. Большинство серверных приложений имеют стандартные номера, например: почтовый сервис привязан к порту с номером 25 (еще говорят: «слушает» порт, принимает на него сообщения), веб-сервис привязан к порту 80, FTP - к порту 21 и так далее.
Таким образом имеем следующую практически полную аналогию с нашим обычным почтовым адресом:
"адрес дома" = "IP компьютера" "номер квартиры" = "номер порта"
В компьютерных сетях, работающих по протоколам TCP/IP, аналогом бумажного письма в конверте является пакет , который содержит собственно передаваемые данные и адресную информацию - адрес отправителя и адрес получателя, например:
Адрес отправителя (Source address): IP: 82.146.49.55 Port: 2049 Адрес получателя (Destination address): IP: 195.34.32.116 Port: 53 Данные пакета: ...Конечно же в пакетах также присутствует служебная информация, но для понимания сути это не важно.
Обратите внимание, комбинация: "IP адрес и номер порта" - называется "сокет" .
В нашем примере мы с сокета 82.146.49.55:2049 посылаем пакет на сокет 195.34.32.116:53, т.е. пакет пойдет на компьютер, имеющий IP адрес 195.34.32.116, на порт 53. А порту 53 соответствует сервер распознавания имен (DNS-сервер), который примет этот пакет. Зная адрес отправителя, этот сервер сможет после обработки нашего запроса сформировать ответный пакет, который пойдет в обратном направлении на сокет отправителя 82.146.49.55:2049, который для DNS сервера будет являться сокетом получателя.
Как правило взаимодействие осуществляется по схеме «клиент-сервер»: "клиент" запрашивает какую-либо информацию (например страницу сайта), сервер принимает запрос, обрабатывает его и посылает результат. Номера портов серверных приложений общеизвестны, например: почтовый SMTP сервер «слушает» 25-й порт, POP3 сервер, обеспечивающий чтение почты из ваших почтовых ящиков «слушает» 110-порт, веб-сервер - 80-й порт и пр.
Большинство программ на домашнем компьютере являются клиентами - например почтовый клиент Outlook, веб-обозреватели IE, FireFox и пр.
Номера портов на клиенте не фиксированные как у сервера, а назначаются операционной системой динамически. Фиксированные серверные порты как правило имеют номера до 1024 (но есть исключения), а клиентские начинаются после 1024.
Повторение - мать учения: IP - это адрес компьютера (узла, хоста) в сети, а порт - номер конкретного приложения, работающего на этом компьютере.
Однако человеку запоминать цифровые IP адреса трудно - куда удобнее работать с буквенными именами. Ведь намного легче запомнить слово, чем набор цифр. Так и сделано - любой цифровой IP адрес можно связать с буквенно-цифровым именем. В результате например вместо 82.146.49.55 можно использовать имя А преобразованием доменного имени в цифровой IP адрес занимается сервис доменных имен - DNS (Domain Name System).
Рассмотрим подробнее, как это работает. Ваш провайдер явно (на бумажке, для ручной настройки соединения) или неявно (через автоматическую настройку соединения) предоставляет вам IP адрес сервера имен (DNS). На компьютере с этим IP адресом работает приложение (сервер имен), которое знает все доменные имена в Интернете и соответствующие им цифровые IP адреса. DNS-сервер «слушает» 53-й порт, принимает на него запросы и выдает ответы, например:
Запрос от нашего компьютера: "Какой IP адрес соответствует имени www.сайт?" Ответ сервера: "82.146.49.55."
Теперь рассмотрим, что происходит, когда в своем браузере вы набираете доменное имя (URL) этого сайта () и, нажав
Например:
IP адрес нашего компьютера: 91.76.65.216 Браузер: Internet Explorer (IE), DNS сервер (стрима): 195.34.32.116 (у вас может быть другой), Страница, которую мы хотим открыть: www.сайт.
Набираем в адресной строке браузера доменное имя и жмем
Отправляется запрос (точнее пакет с запросом) DNS серверу на сокет 195.34.32.116:53. Как было рассмотренно выше, порт 53 соответствует DNS-серверу - приложению, занимающемуся распознаванием имен. А DNS-сервер, обработав наш запрос, возвращает IP-адрес, который соответствует введенному имени.
Диалог примерно следующий:
Какой IP адрес соответствует имени www.сайт ? - 82.146.49.55 .
Далее наш компьютер устанавливает соединение с портом 80 компьютера 82.146.49.55 и посылает запрос (пакет с запросом) на получение страницы . 80-й порт соответствует веб-серверу. В адресной строке браузера 80-й порт как правило не пишется, т.к. используется по умолчанию, но его можно и явно указать после двоеточия - .
Приняв от нас запрос, веб-сервер обрабатывает его и в нескольких пакетах посылает нам страницу в на языке HTML - языке разметки текста, который понимает браузер.
Наш браузер, получив страницу, отображает ее. В результате мы видим на экране главную страницу этого сайта.
Зачем эти принципы надо понимать?
Например, вы заметили странное поведение своего компьютера - непонятная сетевая активность, тормоза и пр. Что делать? Открываем консоль (нажимаем кнопку «Пуск» - «Выполнить» - набираем cmd - «Ок»). В консоли набираем команду netstat -an
и жмем
Также понимание принципов работы Интернета необходимо для правильной настройки файерволла (проще говоря брандмауэра:)). Эта программа (которая часто поставляется вместе с антивирусом), предназначенна для фильтрации пакетов - "своих" и "вражеских". Своих пропускать, чужих не пущать. Например, если ваш фаерволл сообщает вам, что некто хочет установить соединение с каким-либо портом вашего компьютера. Разрешить или запретить?
Ну и самое главное - эти знания крайне полезны при общении с техподдержкой .
Напоследок приведу список портов, с которыми вам, вероятно, придется столкнуться:
135-139 - эти порты используются Windows для доступа к общим ресурсам компьютера - папкам, принтерам. Не открывайте эти порты наружу, т.е. в районную локальную сеть и Интернет. Их следует закрыть фаерволлом. Также если в локальной сети вы не видите ничего в сетевом окружении или вас не видят, то вероятно это связано с тем, что фаерволл заблокировал эти порты. Таким образом для локальной сети эти порты должны быть открыты, а для Интернета закрыты. 21 - порт FTP сервера. 25 - порт почтового SMTP сервера. Через него ваш почтовый клиент отправляет письма. IP адрес SMTP сервера и его порт (25-й) следует указать в настройках вашего почтового клиента. 110 - порт POP3 сервера. Через него ваш почтовый клиент забирает письма из вашего почтового ящика. IP адрес POP3 сервера и его порт (110-й) также следует указать в настройках вашего почтового клиента. 80 - порт WEB -сервера. 3128, 8080 - прокси-серверы (настраиваются в параметрах браузера).Несколько специальных IP адресов:
127.0.0.1 - это localhost, адрес локальной системы, т.е. локальный адрес вашего компьютера. 0.0.0.0 - так обозначаются все IP-адреса. 192.168.xxx.xxx - адреса, которые можно произвольно использовать в локальных сетях, в глобальной сети Интернет они не используются. Они уникальны только в рамках локальной сети. Адреса из этого диапазона вы можете использовать по своему усмотрению, например, для построения домашней или офисной сети.
Что такое маска подсети и шлюз по умолчанию (роутер, маршрутизатор)?
(Эти параметры задаются в настройках сетевых подключений).
Все просто. Компьютеры объединяются в локальные сети. В локальной сети компьютеры напрямую «видят» только друг друга. Локальные сети соединяются друг с другом через шлюзы (роутеры, маршрутизаторы). Маска подсети предназначена для определения - принадлежит ли компьютер-получатель к этой же локальной сети или нет. Если компьютер-получатель принадлежит этой же сети, что и компьютер-отправитель, то пакет передается ему напрямую, в противном случае пакет отправляется на шлюз по умолчанию, который далее, по известным ему маршрутам, передает пакет в другую сеть, т.е. в другое почтовое отделение (по аналогии с советской почтой).
Напоследок рассмотрим что же означают непонятные термины:
TCP/IP - это название набора сетевых протоколов. На самом деле передаваемый пакет проходит несколько уровней. (Как на почте: сначала вы пишете писмо, потом помещаете в конверт с адресом, затем на почте на нем ставится штамп и т.д.).
IP протокол - это протокол так называемого сетевого уровня. Задача этого уровня - доставка ip-пакетов от компьютера отправителя к компьютеру получателю. По-мимо собственно данных, пакеты этого уровня имеют ip-адрес отправителя и ip-адрес получателя. Номера портов на сетевом уровне не используются. Какому порту, т.е. приложению адресован этот пакет, был ли этот пакет доставлен или был потерян, на этом уровне неизвестно - это не его задача, это задача транспортного уровня.
TCP и UDP - это протоколы так называемого транспортного уровня. Транспортный уровень находится над сетевым. На этом уровне к пакету добавляется порт отправителя и порт получателя.
TCP - это протокол с установлением соединения и с гарантированной доставкой пакетов. Сначала производится обмен специальными пакетами для установления соединения, происходит что-то вроде рукопожатия (-Привет. -Привет. -Поболтаем? -Давай.). Далее по этому соединению туда и обратно посылаются пакеты (идет беседа), причем с проверкой, дошел ли пакет до получателя. Если пакет не дошел, то он посылается повторно («повтори, не расслышал»).
UDP - это протокол без установления соединения и с негарантированной доставкой пакетов. (Типа: крикнул что-нибудь, а услышат тебя или нет - неважно).
Над транспортным уровнем находится прикладной уровень. На этом уровне работают такие протоколы, как http , ftp и пр. Например HTTP и FTP - используют надежный протокол TCP, а DNS-сервер работает через ненадежный протокол UDP.
Как посмотреть текущие соединения?
Текущие соединения можно посмотреть с помощью команды
Netstat -an
(параметр n указывает выводить IP адреса вместо доменных имен).
Запускается эта команда следующим образом:
«Пуск» - «Выполнить» - набираем cmd - «Ок». В появившейся консоли (черное окно) набираем команду netstat -an и жмем
Например получаем:
Активные подключения
| Имя | Локальный адрес | Внешний адрес | Состояние |
| TCP | 0.0.0.0:135 | 0.0.0.0:0 | LISTENING |
| TCP | 91.76.65.216:139 | 0.0.0.0:0 | LISTENING |
| TCP | 91.76.65.216:1719 | 212.58.226.20:80 | ESTABLISHED |
| TCP | 91.76.65.216:1720 | 212.58.226.20:80 | ESTABLISHED |
| TCP | 91.76.65.216:1723 | 212.58.227.138:80 | CLOSE_WAIT |
| TCP | 91.76.65.216:1724 | 212.58.226.8:80 | ESTABLISHED |
В этом примере 0.0.0.0:135 - означает, что наш компьютер на всех своих IP адресах слушает (LISTENING) 135-й порт и готов принимать на него соединения от кого угодно (0.0.0.0:0) по протоколу TCP.
91.76.65.216:139 - наш компьютер слушает 139-й порт на своем IP-адресе 91.76.65.216.
Третья строка означает, что сейчас установлено (ESTABLISHED) соединение между нашей машиной (91.76.65.216:1719) и удаленной (212.58.226.20:80). Порт 80 означает, что наша машина обратилась с запросом к веб-серверу (у меня, действительно, открыты страницы в браузере).
В следующих статьях мы рассмотрим, как применять эти знания, например
TCP - это транспортный механизм, предоставляющий поток данных, с предварительной установкой соединения, за счёт этого дающий уверенность в достоверности получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета. В отличие от UDP , гарантирует, что приложение получит данные точно в такой же последовательности, в какой они были отправлены, и без потерь.
Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать таймауты и повторные передачи для обеспечения надежности. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) и TELNET. Кроме того, TCP используют система X-Window, rcp (remote copy - удаленное копирование) и другие "r-команды". Большие возможности TCP даются не бесплатно. Реализация TCP требует большой производительности процессора и большой пропускной способности сети. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры модуля UDP.
Реализация TCP, как правило, встроена в ядро системы, хотя есть и реализации TCP в контексте приложения.
Когда осуществляется передача от компьютера к компьютеру через Internet, TCP работает на верхнем уровне между двумя конечными системами, например, интернет-браузер и интернет-сервер. Также TCP осуществляет надежную передачу потока байт от одной программы на некотором компьютере в другую программу на другом компьютере. Программы для электронной почты и обмена файлами используют TCP. TCP контролирует длину сообщения, скорость обмена сообщениями, сетевой трафик.
Когда прикладной процесс начинает использовать TCP, то модуль TCP на машине клиента и модуль TCP на машине сервера начинают общаться. Эти два оконечных модуля TCP поддерживают информацию о состоянии соединения, называемого виртуальным каналом. Этот виртуальный канал потребляет ресурсы обоих оконечных модулей TCP. Канал является дуплексным; данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях. Один прикладной процесс пишет данные в TCP-порт, они проходят по сети, и другой прикладной процесс читает их из своего TCP-порта.
Протокол TCP разбивает поток байт на пакеты; он не сохраняет границ между записями. Например, если один прикладной процесс делает 5 записей в TCP-порт, то прикладной процесс на другом конце виртуального канала может выполнить 10 чтений для того, чтобы получить все данные. Но этот же процесс может получить все данные сразу, сделав только одну операцию чтения. Не существует зависимости между числом и размером записываемых сообщений с одной стороны и числом и размером считываемых сообщений с другой стороны.
Протокол TCP требует, чтобы все отправленные данные были подтверждены принявшей их стороной. Он использует таймауты и повторные передачи для обеспечения надежной доставки. Отправителю разрешается передавать некоторое количество данных, не дожидаясь подтверждения приема ранее отправленных данных. Таким образом, между отправленными и подтвержденными данными существует окно уже отправленных, но еще неподтвержденных данных. Количество байт, которые можно передавать без подтверждения, называется размером окна. Как правило, размер окна устанавливается в стартовых файлах сетевого программного обеспечения. Так как TCP-канал является дуплексным, то подтверждения для данных, идущих в одном направлении, могут передаваться вместе с данными, идущими в противоположном направлении. Приемники на обеих сторонах виртуального канала выполняют управление потоком передаваемых данных для того, чтобы не допускать переполнения буферов.
Схема работы пользовательского приложения с TCP в общих чертах состоит в следующем. Для передачи данных пользовательскому процессу надо вызвать соответствующую функцию TCP, с указанием на буфер передаваемых данных. TCP упаковывает эти данные в сегменты своего стека и вызывает функцию передачи протокола нижнего уровня, например IP.
На другом конце, получатель TCP группирует поступившие от протокола нижнего уровня данные в принимающие сегменты своего буфера, проверяет целостность данных, передает данные пользовательскому процессу и уведомляет отправителя об их получении.
Пользовательский интерфейс с TCP может выполнять такие команды как открыть (OPEN) или закрыть соединение (CLOSE), отправить (SEND) или принять (RECEIVE) данные, а также получить состояние соединения (STATUS).
В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, как правило, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Реализуется этот механизм через интерфейс вызовов между TCP и IP.
В результате работы этого механизма каждый TCP пакет вкладывается в «конверт» протокола нижнего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же как TCP пакет содержит пользовательские данные.
Краткое описание протоколов семейства TCP/IP с расшифровкой аббревиатур
- ARP (Address Resolution Protocol, протокол определения адресов) : конвертирует 32-разрядные IP-адреса в физические адреса вычислительной сети, например, в 48-разрядные адреса Ethernet.
- FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов) : позволяет передавать файлы с одного компьютера на другой с использованием TCP-соединений. В родственном ему, но менее распространенном протоколе передачи файлов - Trivial File Transfer Protocol (TFTP) - для пересылки файлов применяется UDP, а не TCP.
- ICMP (Internet Control Message Protocol, протокол управляющих сообщений Internet) : позволяет IP-маршрутизаторам посылать сообщения об ошибках и управляющую информацию другим IP-маршрутизаторам и главным компьютерам сети. ICMP-сообщения "путешествуют" в виде полей данных IP-дейтаграмм и обязательно должны реализовываться во всех вариантах IP.
- IGMP (Internet Group Management Protocol, протокол управления группами Internet) : позволяет IP-дейтаграммам распространяться в циркулярном режиме (multicast) среди компьютеров, которые принадлежат к соответствующим группам.
- IP (Internet Protocol, протокол Internet) : низкоуровневый протокол, который направляет пакеты данных по отдельным сетям, связанным вместе с помощью маршрутизаторов для формирования Internet или интрасети. Данные "путешествуют" в форме пакетов, называемых IP-дейтаграммами.
- RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного преобразования адресов) : преобразует физические сетевые адреса в IP-адреса.
- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол обмена электронной почтой) : определяет формат сообщений, которые SMTP-клиент, работающий на одном компьютере, может использовать для пересылки электронной почты на SMTP-сервер, запущенный на другом компьютере.
- TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) : протокол ориентирован на работу с подключениями и передает данные в виде потоков байтов. Данные пересылаются пакетами - TCP-сегментами, - которые состоят из заголовков TCP и данных. TCP - "надежный" протокол, потому что в нем используются контрольные суммы для проверки целостности данных и отправка подтверждений, чтобы гарантировать, что переданные данные приняты без искажений.
- UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) : протокол, не зависящий от подключений, который передает данные пакетами, называемыми UDP-дейтаграммами. UDP - "ненадежный" протокол, поскольку отправитель не получает информацию, показывающую, была ли в действительности принята дейтаграмма.
Состав и предназначение полей заголовка
ТСР-сегменты отправляются как IP-дейтаграммы. Заголовок TCP, следующий за IP-заголовком, содержит информацию TCP-протокола.
Source Port (16 бит). Порт отправителя.
Destination Port (16 бит). Порт получателя.
Sequence Number (32 бита). Номер кадра. Номер кадра первого октета данных в этом сегменте (за исключением пакета, где присутствует флаг SYN). Если в пакете присутствует флаг SYN, то номер данного пакета становится номером начала последовательности (ISN) и номером первого октета данных становится номер ISN+1.
Acknowledgment Number (32 бита). Поле номера кадра подтвержденного получения. Если пакет содержит установленный контрольный бит АСК, то это поле содержит номер следующего пакета данных отправителя, который ожидает получатель. При установленном соединении пакет подтверждения отправляется всегда.
Data Offset (4 бита). Поле величины смещения данных. Оно содержит количество 32-битных слов заголовка TCP-пакета. Это число определяет смещение расположения данных в пакете.
Reserved (6 бит). Резервное поле. Поле зарезервировано.
Флаги управления (слева направо):
- URG: Флаг срочности
- АСК: Флаг пакета, содержащего подтверждение получения
- PSH: Флаг форсированной отправки
- RST: Переустановка соединения
- SYN: Синхронизация чисел последовательности
- FIN: Флаг окончания передачи со стороны отправителя
Window (16 бит). Окно. Это поле содержит количество байт данных, которое отправитель данного сегмента может принять, отсчитанное от номера байта, указанного в поле Acknowledgment Number.
Checksum (16 бит). Поле контрольной суммы. Это поле содержит 16 бит суммы побитных дополнений 16-битных слов заголовка и данных. Если сегмент содержит нечетное число байт заголовка и данных, последний байт дополняется справа нулями. При вычислении контрольной суммы поле контрольной суммы полагается равным нулю.
Urgent Pointer (16 бит). Поле указателя срочных данных. Это поле содержит значение счетчика пакетов, начиная с которого следуют пакеты повышенной срочности. Это поле принимается во внимание только в сегментах с установленным флагом URG.
Options. Поле дополнительных параметров: может быть переменной длины.
Padding. Заполнение: переменная длина. Заполнение (нулями) TCP-заголовка используется для выравнивания его по 32-битному слову.
Эта ссылка на наглядное видео. К сожалению, оно на английском языке, но и так понятно.Когда два хоста осуществляют коммуникацию посредством TCP, соединение установливается прежде, чем может начаться обмен данными. После того, как коммуникация закончена, сессии закрываются, а соединение завершается. Механизмы соединения и сессий делают возможной функцию надежности TCP.
Смотрите рисунок, чтобы проследить шаги создания и завершения TCP соединения.
Хост отслеживает каждый сегмент данных в пределах сессии и обменивается информацией о том, какие данные получены каждым узлом, используя информацию в заголовке TCP .
Каждое соединение включает односторонние коммуникационные потоки, или сессии, чтобы установить и закончить TCP процесс между конечными устройствами. Чтобы установить соединение, хосты выполняют трехэтапное квитирование . Контрольные биты в заголовке TCP указывают на прогресс и состояние соединения. Трехэтапное квитирование:
- Устанавливает, что устройство назначения присутствует в сети
- Проверяет, что устройство назначения имеет активную службу и принимает запросы на номер порта назначения, который намеревается использовать клиент для сессии
- Сообщает устройству назначения, что клиент источника намеревается установить коммуникационную сессию на этот номер порта
В TCP соединениях, хост, выступающий в роли клиента, начинает сеанс с сервером. Чтобы понять, как работает трехэтапное квитирование, используемое процессе TCP соединения, следует рассмотреть различные значения, которыми обмениваются оба узла. Три шага в создании TCP соединения - это:
1. Клиент-инициатор посылает сегмент, содержащий начальный номер последовательности, который служит запросом к серверу, чтобы начать коммуникационную сессию.
2. Сервер отвечает сегментом, содержащим значение подтверждения, равное полученному номеру последовательности плюс 1, а также свое собственное значение последовательности синхронизации. Это значение на единицу больше чем номер последовательности, потому что ACK (подтверждение) всегда является следующим ожидаемым Байтом или Октетом. Это значение подтверждения позволяет клиенту привязать ответ обратно к исходному сегменту, который посылается на сервер.
3. Клиент-инициатор отвечает значением подтверждения, равным номеру последовательности, который он получил, плюс один. Это шаг завершает процесс установления соединения.
Внутри заголовка сегмента TCP есть шесть 1-битовых полей, которые содержат контрольную информацию, используемую, чтобы управлять процессами TCP. Это поля:
URG - Поле "Указатель важности" задействовано
ACK - Поле "Номер подтверждение" задействовано
PSH - Функция Push (протолкнуть данные, накопившиеся в буфере, в приложение пользователя)
RST - Сброс соединения
FIN - Больше нет данных от отправителя, завершение соединения
Эти поля называют флагами, поскольку каждое из этих полей занимает только один бит и поэтому может принимать только два значения: 1 или 0. Когда значение бита установлено в 1, оно указывает на то, какая контрольная информация в сегменте.
Завершение TCP соединения происходит в четыре шага, в результате обмена соответствующими значениями этих флагов.
Многим знакома аббревиатура TCP, гораздо меньшее количество людей знает, что это протокол передачи данных. Но практически никто не знает, как он устроен.
Внимание! Этот материал рассчитан на тех, кого действительно интересуется вопросом: «Как устроена сеть, и что я могу сделать, если буду это знать». Если же тебя еще смущают слова вроде DNS, Telnet, Socket — то можешь сразу забить на этот материал — такие «страшные» слова тут конечно не встретятся, но от этого содержание понятней не станет…
Для тех кто остался:
Наверное, многие из вас слышали такие слова как SYN-flooding или IP-spoofing. Все это разновидности атак — первая D.O.S., вторая
состоит в подмене IP-адреса. На первый взгляд между этими примерами нет ничего общего, но между тем, это не так — обе эти атаки не возможны без глубокого знания протокола TCP, протокола на котором стоит
Inet.
Спецификация протокола TCP описана в RFC793 . Рекомендую тебе ознакомится с этим документом, потому как хоть я и постараюсь повести до тебя самое важное, снабдив это важное соответствующими комментариями, которых ты не найдешь в мануале, но все же из-за малого объема и практического угла зрения, могу и упустить некоторые тонкости.
Данные, передаются в виде пакетов. Такая организация передачи означает, что данные, какого размера они ни были, разбиваются на отдельные фрагменты, которые формируются в пакеты (формирование пакетов предполагает, что к данным прибавляется служебный заголовок), после чего в виде пакетов данные передаются по сети (причем порядок передачи пактов может нарушаться). Принимающая система «собирает» из пакетов исходный массив данных на основании заголовков пакетов. Это не очень понятно, но только до тех пор, пока не рассмотрим структуру пакетов.
Структура TCP-пакета:
Поясню только самые важные места:
Адрес получателя, порт получателя и адрес отправителя, порт отправителя — это надеюсь понятно.
Sequence Number(SYN) — номер очереди или последовательный номер, показывает порядковый номер пакета при передаче, именно поэтому принимающая система собирает пакеты именно так, как надо, а не в том порядке, как они пришли.
Acknowledgment Number(ACK) — номер подтверждения, показывает, на пакет с каким SYN отвечает удаленная система, таким образом мы имеем представление, что удаленная система получила наш пакет с данным
SYN.
Контрольные биты- 6 бит (на схеме между reversed и window). Значения битов:
URG: поле срочного указателя задействовано
ACK: поле подтверждения задействовано
PSH: функция проталкивания
RST: перезагрузка данного соединения
SYN: синхронизация номеров очереди
FIN: нет больше данных для передачи
DATA — это непосредственно те данные, которые мы хотим передать.
Думаю, для начала это все, что нужно, чтобы понять принцип работы протокола. Более подробно о значении остальных полей ты можешь прочитать в в RFC793. Ну а мы лучше разберем как же все-таки это работает на практике.
Когда мы хотим установить соединение, мы отправляем удаленной системе пакет следующей структуры:
Client — SYN (856779) — Host
Где Client- это мы, a Host — это удаленная система. Как ты видишь, мы посылаем пакет лишь с указанием SYN — это значит, что этот пакет первый, мы ни на что не отвечаем (отсутствует ACK). Данный пакет выглядит примерно так:
20 53 52 43 00 00 44 45 53 54 00 00 08 00 45 00 00 2C C3 00 40 00 20 06 10 0C CB 5E FD BA CB 5E F3 47 04 07 00 17 00 0D 12 CB 00 00 00 00 60 02 20 00 D9 70 00 00 02 04 05 B4 2D
Интересный момент в том, откуда берется SYN. SYN образуется от первоначального номера очереди
(ISN) — это 32-битный номер от 1 до 4294967295 (2 в 32-ой степени). ISN при перезагрузке системы равен 1, затем каждую секунду он увеличивается на 128000 (строго говоря изменение происходит каждые 4 микросекунды) + при каждом установленном соединении он увеличивается на 64000. Получается, что цикл уникальности ISN, при условии того, что никакие соединения не устанавливались, составляет примерно 4,55 часа. Поскольку ни один пакет так долго по сети не путешествует, мы можем полагать, что SYN будет абсолютно уникальным.
Получив наш пакет, удаленная система отвечает, что получила и готова установить соединение. Данные пакет выглядит так:
Host — SYN (758684758) и ACK (856780) — Client
Как видишь, удаленная система дает понять, что получила наш пакет. Для этого она посылает нам ACK с номером «наш SYN+1». В добавок к этому удаленная система посылает нам свой SYN (мы же тоже будем отвечать). А ответ наш будет такой:
Client — SYN (856780) и ACK (758684759) — Host
Думаю тебе уже должно быть все понятно. Если кто не понял, то пакет означает следующее: ваш пакет с SYN (758684758) получен, соединение установлено, наш SYN равен 856780.
Эту процедуру называют «трехкратным подтверждением» или «трехкратным рукопожатием». Первые два этапа необходимы для синхронизации SYN наших систем, а третий — подтверждение того, что синхронизация произошла.
Далее у нас идет обмен данными, т.е. то, для чего соединение и устанавливалось. Причем надо заметить, что на всех стадиях обеспечение сохранности данных, передаваемых с использованием протокола TCP, осуществляется следующим образом: посланный пакет помещается в буфер и если за определенное время от удаленной системы не приходит пакет с подтверждением (ACK), то пакет посылается снова; если же подтверждение пришло, то пакет считается посланным успешно и удаляется из буфера.
Ну соединение нам больше не нужно, можно его и закрыть. Этот этап снова будет
состоять из нескольких стадий — надеюсь ты уже в состоянии сам прочитать эти пакеты.
Client — FIN(4894376) и ACK (1896955378) — Host
Host — ACK (4894377) — Client
Host — FIN (1896955378) и ACK (4894377) — Client
Client — ACK (1896955378) — Host
Думаю, ничего сложного здесь нет. Единственное, что стоит отметить — это флаг FIN, который означает желание завершить соединение.
Подводя небольшие итоги вышеизложенному, отметим в каких же случаях изменяются/не изменяются порядковые номера:
Передача одного FIN Пакета = +1
Передача одного SYN Пакета = +1
Передача одного ACK Пакета = 0
Передача одного SYN/ACK Пакета = +1
Передача одного FIN/ACK Пакета = +1
Изменение за 1 секунду = +128,000
Установление одного соединения = +64,000
Возможно, кто-то спросит: «А что будет, если машин получит пакет с таким ACK, которого не было?» (SYN=ACK-1, а пакет с таким SYN мы не посылали). Получив ответ непонятно на что, мы в свою очередь ответим удаленной системе NACK-пакетом (означает «не знаю о чем ты», никакого соединения не устанавливается), но, надеюсь, более подробно мы поговорим с тобой об этом в следующий раз.
Вообще, организация соединения по протоколу TCP начинается с так называемого трехстороннего квитирования (рукопожатия).
Шаг 1. Отправка SYN пакета
Отправляется пакет с выставленным флагом SYN, что означает инициализацию сессии. Разумеется, на этом этапе будет задан порт источника и порт назначения (порт источника выбирается случайно из диапазона 1024-65535), хотя на этом участке можно выделить два диапазона ещё. Порты с 1024 до 49151 используются для проприетарных приложений, контролируется IANA (те же чуваки, которые и выделяют IP адреса). Порт назначения здесь зависит от используемой службы. Стандартные порты ssh – 22, http – 80, pop3 – 110 и т.д. Все эти порты прописаны в c:\Windows\System32\drivers\etc\services ну или аналогичный файл в Linux.
SYNКак же выбирается этот номер? Приведу выдержку из RFC 793:
При организации нового соединения генерируется начальный порядковый номер (initial sequence number) ISN. Генерация номера основана на текущем (возможно, фиктивном) 32-битовом значении времени, в котором младший бит инкрементируется приблизительно каждые 4 микросекунды. Таким образом, цикл номеров ISN занимает около 4.55 часа. Поскольку мы предполагаем, что сегмент сохраняется в сети в течение времени, не превышающего MSL (Maximum Segment Lifetime – максимальное время жизни
сегмента), и значение MSL < 4.55 час., можно считать значения ISN уникальными.
То есть в первом пакете с битом SYN задается некий номер последовательности. На скрине выше я привел пример, видим бит SYN и ISN 2686526190 .
Шаг 2. Отправка подтверждения SYN+ACK
В ответ на этот пакет, сервер, если он не против соединения, посылает пакет с битами SYN,ACK и произвольным номером последовательности Sequence Number, вычисленным по похожему принципу. А поле Acknowledgment Number будет равняться полю ISN+1.
На примере видно, что сгенерировано число Initial Receive Sequence (IRS) = 675813843 и пакет послан как ответ AN: 2686526191 (предыдущий SN: 2686526190 + 1).
Шаг 3. Отправка подтверждения ACK
Теперь инициатору подключения не остается ничего другого, как ответить ACK и пояснить, что речь идёт об Acknowledgment number предыдущего шага IRS + 1, т.е. 675813843+1 = 675813844! А Sequence nuber остаётся неизменным, AN предыдущего пакета 2686526191.
ACK
Иначе, в переводе с TCP на русский это выглядит так:
- Клиент: Кодовое слово “1” (Sequence number), сервер, давай мутить! (SYN);
- Сервер: Моё кодовое слово “5” (Sequence number), клиент, на твой запрос по кодовому слову “1” (Acknowledgment number) отвечаю (+1) ну давай мутить (SYN+ACK).
- Клиент: Ну хорошо! Раз ты, сервер, получай мой окончательный ответ ответ (ACK) на твое согласие (5+1) на мой запрос (1+1).
Всё. С этого момента соединение считается установленным. Дальнейшие пакеты будут передавать уже полезную нагрузку – данные протоколов вышестоящих уровней, например SSH.
При этому так же происходит взаимное увеличение Sequence Number у сервера и у клиента, но только уже не на 1, а на размер отправляемых данных.
