Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Основным протоколом, используемым TCP-подсистемами, является протокол скользящего окна с динамическим размером окна. При передаче сегмента отправитель включает таймер. Когда сегмент прибывает в пункт назначения, принимающая TCP-подсистема посылает обратно сегмент (с данными, если есть, что посылать, иначе — без данных) с номером подтверждения, равным порядковому номеру следующего ожидаемого сегмента, и новым размером окна. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.

Хотя этот протокол кажется простым, в нем имеется несколько деталей, которые следует рассмотреть подробнее. Сегменты могут приходить в неверном порядке. Так, например, возможна ситуация, в которой байты с 3072 по 4095 уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 2048 по 3071 еще не получены. К тому же сегменты могут задерживаться в сети так долго, что у отправителя истечет время ожидания, и он передаст их снова. Переданный повторно сегмент может включать в себя уже другие диапазоны фрагментов, поэтому потребуется очень аккуратное администрирование для определения номеров байтов, которые уже были приняты корректно. Тем не менее, поскольку каждый байт в потоке единственным образом определяется по своему сдвигу, эта задача оказывается реальной.

Протокол TCP должен уметь справляться с этими проблемами и решать их эффективно. На оптимизацию производительности TCP-потоков было потрачено много сил. В следующем разделе мы обсудим несколько алгоритмов, используемых в различных реализациях протокола TCP.

6.5.4. Заголовок TCP-сегмента

На рис. 6.31 показана структура заголовка TCP-сегмента. Каждый сегмент начинается с 20-байтного заголовка фиксированного формата. За ним могут следовать дополнительные поля (параметры). После дополнительных полей может располагаться до 65 535 - 20 - 20 = 65 495 байт данных, где первые 20 байт — это IP-заголовок, а вторые — TCP-заголовок. Сегменты могут и не содержать данных. Такие сегменты часто применяются для передачи подтверждений и управляющих сообщений.

Рассмотрим TCP-заголовок поле за полем. Поля Порт получателя и Порт отправителя являются идентификаторами локальных конечных точек соединения. TCP-порт вместе с IP-адресом хоста образуют уникальный 48-битный идентификатор конечной точки. Пара таких идентификаторов, относящихся к источнику и приемнику, однозначно определяет соединение. Этот идентификатор соединения называется кортежем из пяти компонентов( 5 tuple), так как он включает пять информационных составляющих: протокол (TCP), IP-адрес источника, порт источника, IP-адрес получателя и порт получателя.

Поля Порядковый номер и Номер подтверждения выполняют свою обычную функцию. Обратите внимание: поле Номер подтверждения относится к следующему по порядку ожидаемому байту, а не к последнему полученному. Это накопительное подтверждение( cumulative acknowledgement), так как один номер объединяет в себе информацию обо всех полученных данных. Сфера его применения не выходит за рамки потерянных данных. Оба поля 32-разрядные, так как в TCP-потоке нумеруется каждый байт данных.

Рис. 6.31. Заголовок TCP

Поле Длина TCP-заголовка содержит размер TCP-заголовка, выраженный в 32-разрядных словах. Эта информация необходима, так как поле Параметры, а вместе с ним и весь заголовок может быть переменной длины. По сути, это поле указывает смещение от начала сегмента до поля данных, измеренное в 32-битных словах. Это то же самое, что длина заголовка.

Следом идет неиспользуемое 4-битное поле. Тот факт, что эти биты не используются уже в течение 30 лет (а востребованными оказываются только 2 бита изначально 6-битного поля), является свидетельством того, насколько хорошо продуман дизайн TCP. Иначе протоколы использовали бы эти биты, чтобы справиться с недостатками TCP.

Затем следуют восемь 1-битовых флагов. CWR и ECE сообщают о перегрузках сети в случае, если используется явное уведомление о насыщении (см. RFC 3168). Когда TCP-приемник узнает, что сеть перегружена, он с помощью флага ECE передает TCP-отправителю сигнал ECN-эхо, предлагая ему уменьшить скорость отправки. После того как TCP-приемник уменьшил скорость отправки, он сообщает об этом TCP-приемнику с помощью флага CWR с сигналом Окно насыщения уменьшено, после чего приемник перестает передавать сигнал ECN-эхо. Подробнее о роли явных уведомлений о перегрузке в контроле перегрузки TCP мы поговорим в разделе 6.5.10.

Бит URG устанавливается в 1 в случае использования поля Указатель на срочные данные, содержащего смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных. Таким образом, в протоколе TCP реализуются прерывающие сообщения. Как уже упоминалось, этот метод позволяет отправителю передать получателю сигнал, не вовлекая в это TCP; он используется редко.

Если бит ACK установлен в 1, значит, поле Номер подтверждения содержит осмысленные данные. Для большинства пакетов это так. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения, и поле Номер подтверждения просто игнорируется.

Бит PSH является, по сути, PUSH-флагом, с помощью которого отправитель просит получателя доставить данные приложению сразу по получении пакета, а не хранить их в буфере, пока тот не наполнится. (Получатель может заниматься буферизацией для достижения большей эффективности.)

Бит RST используется для внезапного сброса состояния соединения, которое из-за сбоя хоста или по другой причине попало в тупиковую ситуацию. Кроме того, он используется для отказа от неверного сегмента или от попытки создать соединение. Если вы получили сегмент с установленным битом RST , это означает наличие какой-то проблемы.

Бит SYN применяется для установки соединения. У запроса соединения бит SYN = 1, а бит ACK = 0, это означает, что поле подтверждения не используется. Но в ответе на этот запрос содержится подтверждение, поэтому значения этих битов в нем равны: SYN = 1, ACK = 1. Таким образом, бит SYN используется для обозначения как сегментов CONNECTION REQUEST , так иCONNECTION ACCEPTED , а бит ACK — чтобы отличать их друг от друга.

Бит FIN используется для разрыва соединения. Он указывает на то, что у отправителя больше нет данных для передачи. Однако, даже закрыв соединение, процесс может продолжать получать данные в течение неопределенного времени. У сегментов с битами FIN и SYN есть порядковые номера, что гарантирует правильный порядок их выполнения.