Транспортный протокол tcp обеспечивает. Протокол tcp

Транспортный уровень

Задача транспортного уровня - это передача данных между различными приложениями, выполняемых на всех узлах сети. После того, как пакет доставляется с помощью IP-протокола на принимающий компьютер, данные должны быть отправлены специальному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, кроме того, приложение может иметь несколько точек входа, действуя в качестве адреса назначения для пакетов данных.

Пакеты, приходящие на транспортный уровень операционной системы организованы в множества очередей к точкам входа различных приложений. В терминологии TCP/IP такие точки входа называются портами.

Transmission Control Protocol

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) - является обязательным протоколом стандарт TCP/IP , определенный в стандарте RFC 793, "Transmission Control Protocol (TCP)".

TCP - это протокол транспортного уровня, предоставляющий транспортировку (передачу) потока данных, с необходимостью предварительного установления соединения, благодаря чему гарантирует уверенность в целостности получаемых данных, также выполняет повторный запрос данных в случае потери данных или искажения. Помимо этого протокол TCP отслеживает дублирование пакетов и в случае обнаружения - уничтожает дублирующиеся пакеты.

В отличие от протокола UDP гарантирует целостность передаваемых данных и подтверждения отправителя о результатах передачи. Используется при передаче файлов, где потеря одного пакета может привести к искажению всего файла.

TCP обеспечивает свою надежность благодаря следующему:

• Данные от приложения разбиваются на блоки определенного размера, которые будут отправлены.
• Когда TCP посылает сегмент, он устанавливает таймер, ожидая, что с удаленного конца придет подтверждение на этот сегмент. Если подтверждение не получено по истечении времени, сегмент передается повторно.
• Когда TCP принимает данные от удаленной стороны соединения, он отправляет подтверждение. Это подтверждение не отправляется немедленно, а обычно задерживается на доли секунды
• TCP осуществляет расчет контрольной суммы для своего заголовка и данных. Это контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения, целью которой является выявить любое изменение данных в процессе передачи. Если сегмент прибывает с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его и подтверждение не генерируется. (Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут и осуществит повторную передачу.)
• Так как TCP сегменты передаются в виде IP датаграмм, а IP датаграммы могут прибывать беспорядочно, также беспорядочно могут прибывать и TCP сегменты. После получения данных TCP может по необходимости изменить их последовательность, в результате приложение получает данные в правильном порядке.
• Так как IP датаграмма может быть продублирована, принимающий TCP должен отбрасывать продублированные данные.
• TCP осуществляет контроль потока данных. Каждая сторона TCP соединения имеет определенное пространство буфера. TCP на принимающей стороне позволяет удаленной стороне посылать данные только в том случае, если получатель может поместить их в буфер. Это предотвращает от переполнения буферов медленных хостов быстрыми хостами.

• Порядковый номер выполняет две задачи:
• Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности - ISN (Initial Sequence Number), и первый байт данных, которые будут переданы в следующем пакете, будет иметь номер последовательности, равный ISN + 1.
• В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот номер последовательности.
• Номер подтверждения - если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.
• Длина заголовка - задается словами по 32бита.
• Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.
• Контрольная сумма - включает псевдо заголовок, заголовок и данные.
• Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.
• URG - флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если =0 то поле игнорируется.
• ACK - флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.
• PSH - флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.
• RST - флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении
• SYN - флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.
• FIN - флаг окончание передачи со стороны отправителя

Рассмотрим структуру заголовка TCP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

TCP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки TCP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

TCP порты используют определенный порт программы для доставки данных, передаваемых с помощью протокола управления передачей (TCP). TCP порты являются более сложными и работают иначе, чем порты UDP. В то время как порт UDP работает как одиночная очередь сообщений и как точка входа для UDP-соединения, окончательной точкой входа для всех соединений TCP является уникальное соединение. Каждое соединение TCP однозначно идентифицируется двумя точками входа.

Каждый отдельный порт сервера TCP может предложить общий доступ к нескольким соединениям, потому что все TCP соединения идентифицируются двумя значениями: IP-адресом и TCP портом (сокет).

Все номера портов TCP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

TCP программы используют зарезервированные или хорошо известные номера портов, как показано на следующем рисунке.

Установление соединения TCP

Давайте теперь посмотрим, как устанавливается TCP-соединения. Предположим, что процесс, работающий на одном хосте, хочет установить соединение с другим процессом на другом хосте. Напомним, что хост, который инициирует соединение называется «клиентом», в то время как другой узел называется «сервером».

Перед началом передачи каких-либо данных, согласно протоколу TCP, стороны должны установить соединение. Соединение устанавливается в три этапа (процесс «трёхкратного рукопожатия» TCP).

• Запрашивающая сторона (которая, как правило, называется клиент) отправляет SYN сегмент, указывая номер порта сервера, к которому клиент хочет подсоединиться, и исходный номер последовательности клиента (ISN).
• Сервер отвечает своим сегментом SYN, содержащим исходный номер последовательности сервера. Сервер также подтверждает приход SYN клиента с использованием ACK (ISN + 1). На SYN используется один номер последовательности.
• Клиент должен подтвердить приход SYN от сервера своим сегментов SYN, содержащий исходный номер последовательности клиента (ISN+1) и с использованием ACK (ISN+1). Бит SYN установлен в 0, так как соединение установлено.

После установления соединения TCP, эти два хоста могут передавать данные друг другу, так как TCP-соединение является полнодуплексным, они могут передавать данные одновременно.

Протоколы TCP/IP основа работы глобальной сети Интернет. Если быть более точным, то TCP/IP это список или стек протоколов, а по сути, набор правил по которым происходит обмен информации (реализуется модель коммутации пакетов).

В этой статье разберем принципы работы стека протоколов TCP/IP и попробуем понять принципы их работы.

Примечание: Зачастую, обревиатурой TCP/IP называют всю сеть, работающую на основе этих двух протоколов, TCP и IP.

В модель такой сети кроме основных протоколов TCP (транспортный уровень) и IP (протокол сетевого уровня) входят протоколы прикладного и сетевого уровней (смотри фото). Но вернемся непосредственно к протоколам TCP и IP.

Что такое протоколы TCP/IP

TCP — Transfer Control Protocol . Протокол управления передачей. Он служит для обеспечения и установление надежного соединения между двумя устройствами и надежную передачу данных. При этом протокол TCP контролирует оптимальный размер передаваемого пакета данных, осуществляя новую посылку при сбое передачи.

IP — Internet Protocol. Интернет протокол или адресный протокол — основа всей архитектуры передачи данных. Протокол IP служит для доставки сетевого пакета данных по нужному адресу. При этом информация разбивается на пакеты, которые независимо передвигаются по сети до нужного адресата.

Форматы протоколов TCP/IP

Формат IP протокола

Существуют два формата для IP адресов IP протокола.

Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.

Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.

Как работают протоколы TCP/IP

Если удобно представьте передаче пакетов данных в сети, как отправку письма по почте.

Если неудобно, представьте два компьютера соединенных сетью. Причем сеть соединения может быть любой как локальной, так и глобальной. Разницы в принципе передачи данных нет. Компьютер в сети также можно считать хостом или узлом.

Протокол IP

Каждый компьютер в сети имеют свой уникальный адрес. В глобальной сети Интернет, компьютер имеет этот адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address).

По аналогии с почтой, IP- адрес это номер дома. Но номера дома для получения письма недостаточно.

Передаваемая по сети информация передается не компьютером, как таковым, а приложениями, установленными на него. Такими приложениями являются сервер почты, веб-сервер, FTP и т.п. Для идентификации пакета передаваемой информации, каждое приложение прикрепляется к определенному порту. Например: веб-сервер слушает порт 80, FTP слушает порт 21, почтовый SMTP сервер слушает порт 25, сервер POP3 читает почту почтовых ящиков на порте 110.

Таким образом, в адресном пакете в протоколе TCP/IP, в адресатах появляется еще одна строка: порт. Аналог с почтой — порт это номер квартиры отправителя и адресата.

Пример:

Source address (Адрес отправителя):

IP: 82.146.47.66

Destination address (Адресполучателя):

IP: 195.34.31.236

Стоит запомнить: IP адрес + номер порта — называется «сокет». В примере выше: с сокета 82.146.47.66:2049 пакет отправляется на сокет 195.34.31.236: 53.

Протокол TCP

Протокол TCP это протокол следующего после протокола IP уровня. Предназначен этот протокол для контроля передачи информации и ее целостности.

Например, Передаваемая информация разбивается на отдельные пакеты. Пакеты доставят получателю независимо. В процессе передачи один из пакетов не передался. Протокол TCP обеспечивает повторные передачи, до получения этого пакета получателем.

Транспортный протокол TCP скрывает от протоколов высшего уровня (физического, канального, сетевого IP все проблемы и детали передачи данных).

TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей. Для обеспечения надежной доставки данных на уровне транспортного протокола в приложениях используется протокол TCP, проверяющий факт доставки данных по сети в нужном порядке. TCP – надежный, потоковый протокол, требующий создания логический соединений. Надежность TCP обеспечивает механизм подтверждения приема с повторной передачей. При использовании данного механизма повторная отправка данных будет происходить до тех пор, пока не получит от системы-адресата подтверждение, что данные были успешно переданы.

Каждый пакет содержит контрольную сумму, посредством которой получатель определяет целостность данных. Если пакет получен в целостности и сохранности, получатель отправляет источнику подтверждение. Поврежденные пакеты просто игнорируются получателем. По истечении определенного интервала времени отправитель снова выполняет передачу пакетов, для которых не были получены подтверждения.

Рассмотрим процесс так называемого “рукопожатия” – установления TCP-соединения. Со стороны клиента отправляется пакет с выставленным флагом SYN – это означает инициализацию TCP-сессии. На данном этапе хостом будет сгенерирован порт источника и порт назначения (порт источника выбирается случайно из диапазона 1024 – 655535). Порт назначения зависит от конкретной службы (http – 80, ftp – 21, pop3 – 110).

При получении пакета сервер, если он не против соединения, посылает ответный пакет с битами SYN, ACK. ACK – означает бит подтверждения. Также в TCP-заголовке сервер генерирует произвольное число Sequence number, а к числу Acknowledgment number прибавляет единицу.

Наконец хост передает пакет, подтверждающий получение данных от сервера, а также непосредственно первый блок данных.

В заголовке протокола TCP содержится поле, которое называется Sequence Number, в которое заносится номер некоторой последовательности. Так же есть поле Acknowledgment Number, которое говорит о подтверждении пакета с этим номером. Числа Sequence Number, Acknowledgment Number применяются для сохранения порядка следования данных. Но если говорить более конкретно, то Sequence Number является точкой отчета для системы нумерации байтов. Из соображений безопасности ISN следует быть случайным числом. Acknowledgment Number служит для подтверждения приема и управления потоком. Подтверждение сообщает источнику, какой объем данных получен и сколько еще данных адресат способен принять. Номер подтверждения – это порядковый номер следующего байта, ожидаемый адресатом.

Поле Windows size (размер окна) – содержит количество байт, которое способен принять адресат. Окно является указанием источнику, что можно продолжать передачу сегментов, если общий объем передаваемых байт меньше байтового окна адресата. Адресат управляет потоком байтов источника, изменяя размер окна. Нулевое окно предписывает отправителю прекратить передачу, пока не будет получено ненулевое значение окна.

Поля Source port, Destination port – порт источника, порт назначения. UGR,

Поля UGR, ACK, PSH, RST, SYN. FIN – управляющие биты:

• UGR – указатель срочности, показывает приоритет TCP-пакетов
• ACK – подтверждение, помечает этот пакет как подтверждение получения
• PSH – выталкивание, выталкивает поставленные в очередь данные из буферов
• RST – сброс, сбрасывает соединение TCP по завершению или после разрыва
• SYN – синхронизация, синхронизирует соединение
• FIN – завершение, завершает передачу данных

На рисунке ниже показан поток данных TCP с нулевым значением исходного порядкового номера. Адресат получил и подтвердил получение 2000 байт, поэтому текущий номер подтверждения ACK = 2001. Кроме того, адресат обладает возможностью принять еще 6000 байт, а поэтому предъявляет окно со значением 6000. Источник отправляет сегмент размером 2000 байт с порядковым номером SN = 4001. Для байтов 2001 и последующих еще не были получены подтверждения, однако источник продолжает передачу данных, пока не исчерпаны ресурсы окна. Если на момент заполнения окна источником для уже отправленных данных не получены подтверждения, по истечению определенного интервала времени источник повторно передает данные, начиная с первого неподтвержденного байта.

Данный метод гарантирует надежность доставки данных адресату. Кроме того, TCP отвечает за доставку полученных от IP данных соответствующему приложению. Приложение, которому предназначаются данные, обозначается 16-битным числом, номером порта. Значения исходный порт и порт назначения находятся в заголовке TCP. Корректный обмен данными с прикладным уровнем – это важная составляющая функциональности служб транспортного уровня.

Процедура закрытия TCP-соединения подразумевает освобождение памяти, выделенной для буферов и переменных, и может происходить по инициативе любой из сторон. Клиентский процесс генерирует команду закрытия соединения, которая приводит к отправке TCP-клиентом специального сегмента. В заголовке этого сегмента флаг FIN установлен в 1. Получив данный сегмент, сервер подтверждает это. Затем сервер отсылает клиенту завершающий сегмент, в котором бит FIN также установлен в 1; в свою очередь, получение этого сегмента подтверждается клиентом. После этого все ресурсы соединения на обеих сторонах освобождаются.

Подписывайтесь на нашу

В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает на транспортном уровне, обеспечивая надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.

К функциям TCP относят:

Получение и передача потока данных от вышестоящего уровня IP-модулю;

Обеспечение полнодуплексной передачи данных;

Обеспечение защиты от повреждения, потери, дублирования;

Обеспечение работы нескольких соединений;

Управление потоком данных (с помощью механизмов окна)

Формат сообщений TCP

Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом, состоящая из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:

Порт источника (Source Port) и порт назначения (Destination Port) занимают 16 бит. Протокол TCP обеспечивает работу одновременно несколько соединений. Каждый прикладной процесс идентифицируется IP-адресом и номером порта.

Порядковый номер (Sequence number) занимает 32 бита, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;

Подтвержденный номер (Acknowledgment number) занимает 32 бита, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; т.е все предыдущие байты были получены именно это значение используется в качестве квитанции;

Длина заголовка (Data Offset) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции. Служит указателем на начало пол данных;

Резерв (Reserved) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования. Заполняется нулями;

Кодовые биты (Control bits) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:

URG - срочное сообщение, используется если приложение обращается с запросом о срочной передаче данных. В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. Полученные из сети данные минуя буфер передаются процессу или приложению. Данная технология используется для передачи видео и аудио- данных;

ACK - квитанция на принятый сегмент;

PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;

RST – сброс текущего соединения (при получении соединение ликвидируется, недопоставленные данные уничтожаются);

SYN - запрос на установление соединения;

FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.

Окно (Windows) занимает 16 бит, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;

Контрольная сумма (Checksum) занимает 16 бит, определяется для блока данных, состоящего из псевдозаголовка и самого сегмента данных. 96 –битный псевдозаголовок предшествует заголовку TCP и содержит IP-адрес отправителя, получателя, идентификатор протокола и сегмента.

Указатель срочности (Urgent Pointer) занимает 16 бит, используется совместно с кодовым битом URG и указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;

Опции (Options) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента, или передачи дайджеста MD5;

Заполнитель (Padding) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.

Порты и установление TCP-соединений

Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов включающих IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Портам присваиваются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за TELNET), или произвольно выбранными локальными номерами.

Установление соединения выполняется в следующей последовательности:

1. Узел А посылает узлу В запрос на открытие порта, а также запрос процессу, с которым требуется установить соединение (active open).

2. Узел В открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.

3. Получив квитанцию, узел А открывает порт для передачи (active port) и передает запрос к противоположной стороне.

Соединение по протоколу TCP

Предположим, что узел А устанавливает соединение с узлом В. Для этого:

Узел A в сообщении TCP, посылаемому узлу B устанавливает флаг SYN и начальный порядковый номер ISN с которого будут нумероваться отправляемые данные.

Для подтверждения приема сообщения, узел B откликается посылкой TCP сегмента с установленным флагом ACK. Но вследствие того, что протокол TCP обеспечивает полнодуплексную передачу, узел B может в свою очередь запросить соединение на передачу данных с узлом А посылкой флага SYN и начального порядкового номера своих сообщений ISN.

Узел А, подтверждает получение сообщение от узла В. Так как сеанс связи можно считать установившимся, то узел А может включить свои данные, нумерация которых начинается с ISN (A)+1 в это сообщения.

Происходит передача данных между узлами А и В.

Сеанс обмена данными заканчивается процедурой закрытия, которая в заголовке последнего сегмента использует флаг FIN. Аварийный разрыв соединения происходит посылкой сообщение с битом RST, при этом все недопоставленные данные уничтожаются.

Концепция квитирования

В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.

Для организации повторной передачи искаженных данных отправитель нумерует отправляемые кадры и ожидает от приемника положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Существуют два подхода к организации процесса обмена квитанциями: с простоями и с организацией "окна".

Метод с простоями требует, чтобы узел, посылал очередной кадр, после получения квитанции (положительной или отрицательной) от получателя. Производительность обмена данными в этом методе незначительна, так как передающий узел и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, однако он обязан ждать прихода квитанции, что особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях.

В методе с организацией "окна" отправителю разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые возможно передать таким образом, называется размером окна W. При отправке кадра с номером 1 отправителю разрешается передать еще (W-1) кадров до получения квитанции на первый кадр. Если квитанция на кадр 1 не получена, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным и передача его осуществляется снова. Выбор времени ожидания (тайм-аута) очередной квитанции является важной задачей, при которой необходимо учитывать скорость и надежность линий связи, их протяженность и т.д. В протоколе TCP при каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме. Получаемые значения усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент.

Описанный алгоритм называется алгоритмом скользящего окна (при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения).

В протоколе TCP квитанцией (ASK SN) подтверждается правильный прием данных, отсутствие квитанции говорит о приеме искаженного сегмента, потере сегмента или квитанции. В качестве квитанции получатель отсылает сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя 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.

Изменяя величину окна, возможно, повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если узел совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. После приема квитанции с нулевым значением окна 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.

На транспортном уровне работают 2 протокола: TCP и UDP.

UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм. Является ненадежным протоколом передачи данных, потому что он не устанавливает и не поддерживает соединения с удаленными узлами. То есть он просто передает данные на нижестоящий уровень и дальнейшая судьба этих данных его не интересует.
Кроме того, он не исправляет ошибки в принятых данных. Если будут обнаружены ошибки, то данные сегменты будут просто уничтожены и без запроса повторной передачи.

Для чего тогда такой протокол нужен?

Он очень полезен там, где передаваемые данные очень критичны к задержкам. Например, при передаче видео и голоса. Там недопустимы задержки, но можно пожертвовать несколькими пакетами в случае обнаружения ошибок - человеческие ухо и глаз не способны заметить потерю нескольких пакетов (если, конечно, число таких пакетов не слишком велико).
Однако для передачи чувствительных данных он совсем не годится, например, при передаче файлов - в данном случае задержки допустимы, но файл должен быть доставлен целостным.

Протокол добавляет следующий заголовок к передаваемым данным

Порт отправителя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое хочет общаться с таким же или другим приложением по сети. Например, Skype использует порт 80. Хотя может использовать и другие порты в зависимости от настроек. То есть, если Алиса пишет сообщение Кате по Skype, то компьютер Кати, приняв сообщение, сможет по номеру порта отправителя определить какое приложение отправило данное сообщение.

Порт получателя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое принимает сообщения от удаленных узлов. Иными словами, приложение “слушает” сеть на этом порту. Например, тот же Skype может принимать сообщение на порту 80. То есть, если Алиса отправит сообщение Кате на порт 80, то компьютер Кати его примет (при условии, что Skype будет в это время работать). Однако если, Алиса отправит на порт 100, а Катя слушает на порту 80, то компьютер Кати просто cбросит принятое сообщение.

А сколько всего может быть таких портов?

Всего насчитывается 65535 портов. Из них с 0 по 1023 зарезервированы под стандартные приложения, такие как FTP, SMTP, SNMP и другие. Остальные порты с 1024 и по 65535 могут быть использованы для любых других приложений. Эти порты еще называют динамическими, потому что у них нет жесткой привязки к определенному приложению и могут меняться от сеанса к сеансу.

Длина дейтаграммы - определяет длину всего сегмента, включая и сам заголовок.

Контрольная сумма - используется для проверки на наличие ошибок.

Как работает проверка?

Способ довольно примитивный. Передающий компьютер вычисляет контрольную сумму всего сегмента по специальному алгоритму и помещает это значение в поле Checksum. Затем принимающий компьютер вычисляет контрольную сумму данного сегмента и сравнивает с суммой в поле Checksum . Если значения совпадают, то сегмент принимается, в противном случае уничтожается.

Ничего, UDP не заботится о дальнейшей судьбе потерянных данных.

TCP (Transmission Control Protocol) - Протокол Управления Передачей. Надежный протокол передачи данных. С помощью него устанавливается и поддерживается связь с удаленными узлами, управляется скорость передачи данных, контролируются ошибки при передаче данных.

Вот как выглядит заголовок сегмента TCP

С некоторыми полями мы уже знакомы. Опишем новые поля.

Порядковый номер - каждый байт в отправленном сегменте нумеруется для того, чтобы на приеме правильно собрать все сегменты в единый поток. Кроме того, с помощью номера контролируется весь поток данных и исправляются поврежденные сегменты.

Номер подтверждения - чтобы убедиться, что все переданные сегменты достигли адресата используются номера подтверждения. Например, узел А отправил сегмент с порядковым номером 45 узлу В. Когда узел В примет сегмент с номером 45, то отправит узлу А пустой сегмент с подтверждающим номером 46. Узел А будет знать, что все в порядке и отправит следующий сегмент под номером 46.

Флаги - специальные знаки-сигналы, указывающие на состояние сессии. Например, запрос на установление соединения или запрос на разрыв соединения.

Размер окна - определяет количество байт для отправки за один раз. Принимающий узел отправит подтверждение только для последнего байта в сегменте. Таким образом не нужно отправлять подтверждение за каждый байт, экономя тем самым время и канал связи. Например, если размер окна равен 500, то передающий узел сразу же отправит 500 байт данных в сегменте. Принимающий узел, получив все 500 байт, отправит лишь одно подтверждение. Размер окна может меняться в течении всего сеанса связи для регулирования скорости передачи.

А кто устанавливает размер окна?

Оба участника соединения. Например, принимающий узел сообщает передающему узлу размер окна исходя из того, как быстро принимающий узел справляется с поступающими данными. Если он не успевает обработать данные, то уменьшает размер и окна и передающий узел обязан уменьшить объем передаваемых данных.
Чтобы лучше понять назначение всех этих полей рассмотрим принцип работы протокола на примере установления соединения.

Установление соединения (Трехэтапное квитирование)

Процесс установления связи осуществляется в 3 этапа.

Этап 1

Когда сторона А хочет установить связь со стороной В, то сторона А отправляет запрос с установленным флагом SYN. После этого узел А переходит в состояние SYN SENT. Узел В остается в состоянии LISTEN:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP (для упрощения восприятия некоторые данные опущены):

Генерируется порядковый номер ISNa = 1 и формируется запрос на установление соединения. Если по истечении таймаута со стороны В не поступает никакого ответа, то узел А снова отправит запрос узлу В.

Этап 2

Когда сторона В принимает запрос SYN, то тоже генерируется порядковый номер ISNb = 200 (в реальности номер может принимать другие значения) для своего сегмента. Для формирования ответа стороне А, узел В устанавливает 2 флага: SYN и ACK. Причем в качестве номера подтверждения берется порядковый номер сегмента стороны А и увеличивается на 1, то есть 1 + 1. Это означает, что запрос успешно принят и ожидается следующий сегмент с номером 2. После того, как сегмент отправлен, узел В переходит в состояние SYN-RECEIVED, узел А остается в состоянии SYN SENT:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Если по истечении таймаута от узла А не поступит подтверждения, то узел В снова отправит свой запрос.

Этап 3

После того, как узел А примет сразу 2 флага SYN и ACK, причем ACK будет на 1 больше ISN узла А, то сторона А сразу отправит второй сегмент узлу В. ISN будет увеличен на 1. Флаг будет установлен на ACK со значением ISNb + 1, то есть 200 + 1

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

После этого соединение считается успешно установленным, то есть помечается как ESTABLISHED.

Отказ в установлении соединения

Если сторона В по каким-то причинам не может установить соединение со стороной А, то генерируется ответ с флагом RST, которой информирует о прекращении попыток установления связи:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Завершение связи

Когда одна из сторон желает завершить сеанс связи, то формирует запрос FIN и переходит в состояние FIN_WAIT 1

Сторона В подтверждает запрос отправкой ACK и переходит в состояние CLOSE_WAIT. Сразу же вслед посылается запрос FIN. После этого узел В переходит в состояние LAST_ACK:

Сторона А подтверждает отправкой ACK и переходит в состояние CLOSED. Когда узел В примет ACK, то также перейдет в состояние CLOSED. На этом сеанс связи завершен:

Контроль над искаженными и потерянными данными

Концепция TCP такова, что передатчик ожидает от приемника получение подтверждения успешного принятия байта. Пока передатчик не убедится, что данные успешно доставлены получателю он не будет передавать следующую порцию данных.
Однако подтверждать каждый переданный байт слишком дорогое удовольствие - растет нагрузка на сеть, значительно замедляется работа протокола.
Поэтому передатчик отправляет сразу несколько сегментов и ждет подтверждения от приемника. Приемнику в свою очередь достаточно отправить одно подтверждение на последний полученный сегмент.
Передатчик поймет, что все отправленные сегменты успешно получены и сразу же отправит очередной набор сегментов

Для реализации данного механизма и используются порядковые и подтверждающие номера. Каждый сегмент нумеруется первым байтом полезной нагрузки. Затем приемник посылает подтверждающий сегмент, где указывает номер первого байта следующего сегмента. Например, первый сегмент имеет 100 байт полезной нагрузки (заголовок не учитывается), второй сегмент - 200 байт. Первому байту первого сегмента присваивается номер 1, у первого байта второго сегмента номер соответственно равен 101 (100 + 1) и так далее

Теперь посмотрим как будет проходить передача сегментов

Вот как это выглядит в сетевом анализаторе:

Если сложить ISN = 2155299270 первого сегмента с длиной данных Len = 711, то получится ISN = 2155299981 второго сегмента. Таким способом приемник формирует ACK SN для 3-го сегмента.

С этим разобрались. Но что произойдет, если данные потеряны или искажены в процессе передачи?

Представим, что сегмент дошел до получателя, однако содержит ошибки. Это проверяется с помощью контрольной суммы. Тогда приемник сбросит искаженный сегмент и отправит подтверждение только за предпоследний сегмент. Передатчик поймет, что первые 2 сегмента получены без ошибок и снова отправит 3-й сегмент

Теперь посмотрим, что произойдет, если один сегмент не дойдет до получателя. В данном случае приемник вышлет подтверждение только за принятые сегменты. А о 3-ем сегменте он вообще ничего не знает, поэтому ничего не отправит.
Передатчик будет ждать определенное время и не дождавшись подтверждения за 3-й сегмент отправит его снова

Вот так и достигается контроль над ошибками данных.

Контроль за передачей данными (Метод скользящего окна)

Протокол TCP является дуплексным, то есть может одновременно работать на прием и передачу. Для этого на приеме и передаче устанавливаются буферы.
Передающий буфер содержит переданные, но еще не подтвержденные байты, а также байты готовые для передачи.
Приемный буфер содержит принятые байты для последующей обработки.

Но для чего нужны буферы, разве не может приемник сразу же обработать поступивший сегмент?

Буферы необходимы для постановки в очередь принятые и передаваемые данные, так как производительность приёмной и передающей систем, а также самой сети разные, то велика вероятность, что система не сможет на “лету” обработать большой объем данных.

Мы знаем, что передатчик может сразу отправить несколько сегментов данных, не дожидаясь подтверждения на каждый сегмент.
Но что делать, если передатчик передает данные с большой скоростью, а буфер приемника не успевает их всех вместить?

Тогда приемник просто сбросит новые поступающие данные и отправит подтверждения только на полученные и обработанные сегменты.
Передатчику придется повторно отправлять данные, пока не получит подтверждения успешного получения.

В данной ситуации приемник работает на пределе своих возможностей, а сеть постоянно загружена. Поэтому в TCP предусмотрен механизм контроля за передачей данных с помощью метода скользящего окна.

И как работает данный механизм?

В TCP заголовке имеется поле “Размер окна (Window size )”, которое указывает на то, сколько байт приемник способен принять. Иными словами это говорит о доступности буфера и наличии в нем свободного пространства для поступающих данных.
После установления соединения приемник сообщает передатчику размер окна. Например, приемник сообщил, что окно равно 5 байтам. Передатчик передаст 5 байт информации и ждет подтверждения:

В буфере передатчика в очереди на отправку стоят следующие байты, но они не будут отправлены, пока не будут подтверждены уже отправленные байты. Приемник посылает подтверждение и уведомляет о размере окна равным 5, то есть говорит: “В моем буфере есть 5 свободных мест. Пришли мне еще 5 байт.”

Окно в передающем буфере сместится на 5 байт и новая порция данных будет передана приемнику:

Теперь посмотрим, что произойдет, если приемник не успевает обработать все полученные данные и в его буфере свободное место только для 2-х байт:

Передатчик готов передать следующие 5 байт информации, так как получил подтверждение от приемника. Однако приемник также уведомил передатчик, что в приемном буфере свободно только для 2-х байт, то есть сообщает следующее: “Снижай скорость передачи. Готов принять пока 2 байта.”

И передатчик уменьшает окно и передает только 2 байта

В процессе передачи данных размер окна может постоянно меняться. Это зависит от загруженности сети и производительности передатчиков/приемников.

Что происходит, когда в буфере приемника совсем нет места?

Тогда приемник установит размер окна равным 0. Это означает прекратить передачу данных.

Как же передатчик узнает, что буфер приемника снова готов к работе?

После получения нулевого размера окна передатчик запускает специальный таймер, по истечении которого передатчик отправит пробный сегмент. Если буфер свободен, то приемник ответит на этот пробный сегмент и укажет новый размер окна, в противном случае снова укажет нулевое окно.

Итак подведем краткие итоги.
В таблице представлены сравнение протоколов UDP и TCP, а также функции, возложенные на транспортный уровень