Формат заголовка ТСР

Протокол TCP — это основной транспортный протокол в стеке протоколов TCP/IP. Он обеспечивает надежную передачу потока данных, опираясь при этом на ненадежный сервис транспортировки дейтаграмм, предоставляемый протоколом IP. В сетях IP протокол TCP используется для обработки запросов на вход в сеть, разделения ресурсов (файлов и принтеров), репликации информации между контролерами доменов, передачи списков ресурсов и т. д. На протокол TCP, в частности, возложена задача управления потоками и перегрузками. Он отвечает за согласование скорости передачи данных с техническими возможностями рабочей станции-получателя и промежуточных устройств в сети.

Рассмотрим пример использования TCP в неоднородной сети. На рис. 7.2 показана схема движения информации по цепочке: отправитель, сеть Frame Relay, маршрутизатор, получатель. Маршрутизатор является связующим звеном между сетью Frame Relay и сетью Ehternet 802.2, в которой работает получатель.

Как видно из рис. 12.2, протокол TCP выполняет основную задачу по доставке информации.

Рис. 12.2 Схема прохождения информации при использовании протокола ТСР

С течением времени в протокол TCP постоянно добавляются расширения и появляются более современные его реализации. Этот протокол использует только один тип протокольного блока данных (PDU — Protocol Data Unit), который называется сегментом TCP. Сегмент состоит из заголовка и поля данных (полезной нагрузки). На рис. рис. 12.3 показан формат заголовка сегмента TCP.

Минимальная длина составляет 20 байт. Такая большая величина обусловлена тем, что один и тот же заголовок используется протоколом для самых различных целей. Для определения назначения большинства полей предназначены контрольные биты. Формат и значения поля «Контрольные биты» описаны в табл.11.2.

Рис. 12.3 Формат заголовка протокола ТСР

Таблица 11.2.

Формат и значения поля «Контрольные биты»

Бит
Сокращение	URG	АСК	PSH	RST	SYN	FIN
Назначение	Поле «Указатель срочности» задействовано	Поле «Номер подтверждения» задействовано	Включена функция проталкивания	Перезагрузка данного соединения	Синхрониза­ция номеров в очереди	Данных для пере-дачи нет

 

Из рис.12.3 видно, что протокол TCP использует следующие поля:

q Поле «Номер в последовательности» (Sequence Number) определяет номер первого байта в очереди (последовательности) байтов в текущем сегменте. Исключение составляют случаи, когда установлен бит (флаг) синхронизации SYN. Тогда это поле обозначает начальный номер в по­следовательности (InitialSequence Number, ISN), и первый байт данных имеет номер в очереди ISN+1.

q Поле «Номер подтверждения» (Acknowledgment Number) содержит сле­дующий номер в последовательности получаемых подтверждений, который ожидает отправитель в ответ на отосланный сегмент. Иными словами, на отосланный сегмент с данными отправитель ожидает сегмент с под­тверждением его успешного приема. В заголовке в поле «Номер в после­довательности» занесен указанный номер подтверждения. При этом должен быть установлен контрольный бит подтверждения АСК. Подтверждения (или, как часто говорят, АСК) посылаются постоянно, как только соединение будет установлено.

q Поле «Смещение данных» (Data Offset) определяет количество 32-битных слов в заголовке TCP. Тем самым указывается начало поля данных. Заголовок протокола TCP всегда заканчивается на 32-битной границе, даже если он содержит опции.

q Поле «Резерв» (Reserved) должно быть заполнено нулями и предназначено для будущего расширения протокола.

q Поле «Окно» (Window) содержит объявляемый размер окна в байтах.

q Поле «Контрольная сумма» (Checksum) рассчитывается по сегменту, при этом определяется 16-битное дополнение суммы всех 16-битных слов в заголовке и в поле данных. Если сегмент содержит нечетное количество байтов, то он будет дополнен нулями справа до образования 16-битного слова. Этот выравнивающий байт не передается с сегментом по сети, так как может быть «восстановлен» получателем. Контрольная сумма учитывает также 96-битный псевдозаголовок, который ставится перед заголовком протокола TCP. Псевдозаголовок включает следующие поля из заголовка протокола IP: IP-адреса отправителя и получателя, протокол и длину сегмента. С помощью добавления псевдозаголовка протоколTCP защищает самого себя от ошибочной доставки протоколом IP. Так, если протокол IP доставляет сегмент, не предназначенный данному работающему приложению, то модуль протокола TCP на принимающей стороне обнаружит некорректность доставки.

q Поле «Указатель срочности» (Urgent Pointer) сообщает текущее значение указателя срочности. Эта положительная величина определяет смещение относительно номера в очереди данного сегмента. Этот указатель сообщает номер байта, следующего за срочными данными, то есть, начиная с этого байта, данные имеют обычный статус срочности. Поле используется совместно с контрольным битом URG.

q Поле «Опции» (Options) имеет переменную длину и может вообще отсутствовать. Опции располагаются в конце заголовка протокола TCP и их длина кратна 8 битам. Протокол TCP должен быть готов обрабатывать все виды опций. Опции используются для решения вспомогательных задач, например, для выбора максимального размера сегмента.

q Поле «Выравнивание» (Padding) может иметь переменную длину и представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битных слов.

Некоторые поля в заголовке сегмента протокола TCP могут быть использованы при его дальнейшем развитии. «Номер в последовательности» и «Номер подтверждения» выравниваются по числу байтов в поле данных, а не по длине всего сегмента. Например, если сегмент содержит в поле «Номер в последовательности» значение 1000 и несет в поле данных 600 байт данных, то поле «Номер в последовательности» указывает на номер первого байта в поле данных. Следующий (в логическом порядке) сегмент будет иметь в поле «Номер в последовательности» значение 1601. Мы видим, что протокол TCP изначально логически ориентирован на работу с потоком данных. Он принимает байты от пользовательского приложения, группирует их, а затем распределяет по сегментам и формирует поток сегментов с нумерацией каждого байта.

Флаги PSH (Push) и URG (Urgent) реализуют две службы протокола TCP: продвижение (проталкивание) потока данных и сигнализацию о срочных данных. Обычно протокол TCP передает данные, когда количество предназначенных для передачи байтов равно длине поля данных очередного сегмента. Приложение может потребовать, чтобы протокол передал все оставшиеся данные и пометил их флагом PSH. На принимающей стороне модуль протокола TCP доставит эти данные приложению сразу (то есть данные не будут ждать своей очереди в буфере). Приложение может прибегнуть к проталкиванию, если достигнут логический конец данных. Поле «Указатель срочности» позволяет информировать приложения на принимающей стороне о том, что в принимаемый ими поток помещены важные данные.

Связь модуля протокола TCP и пользовательского приложения осуществляется при помощи специального интерфейса. Приложение использует ряд команд для управления модулем протокола. Если пользовательское приложение формирует команду SEND для передачи блока данных модулю протокола TCP, то он помещает эти данные в буфер отправки. Если при этом был установлен флаг PSH, любые оставшиеся в буфере данные, включая данные, которые только что были помещены в него, будут немедленно посланы (в одном или нескольких сегментах), а последний сегмент будет помечен флагом PSH. Если этот флаг не установлен, то протокол TCPможет держать данные в буфере и посылать их в подходящее время. Например, протокол может ожидать до тех пор, пока в буфере накопится такое количество данных, которое позволит отсылать сегменты с предельно большим полем данных, повышая тем самым эффективность передачи.

Данные в сегменте проходят через соединение к точке входа в модуль протокола TCP и сохраняются в буфере приема, который ассоциируется с этим соединением. Если входящие данные помечены флагом PSH, то они вместе с данными, уже имеющимися в буфере, немедленно доставляются приложению по команде RECEIVE. Если данные не помечены флагом PSH, то протокол TCP доставляет эти данные в подходящее время. Например, протокол может ожидать накопления большего количества данных для уменьшения прерываний в системе.

Документ RFC 793 определил только одну опцию — максимальный размер сегмента. Поле этой опции с размером 16 бит может быть использовано только в сегменте, который посылается при запросе на создание логического соединения. Опция определяет максимальный размер сегмента в байтах, который будет использоваться будущим соединением. За время, прошедшее после публикации документа RFC 793, широкое распространение получили две другие опции: «Параметр масштабирования окна» (Window scale factor) и «Временной штамп» (Timestamp).

Обычно, поле «Окно» в заголовке протокола TCP определяет некий лимит или кредит, выданный отправителю на размещение его данных в отсылаемых сегментах и измеряемый в байтах. Когда используется опция «Параметр масштабирования окна», количество байтов данных, размещаемых в поле «Окно» должно быть кратно 2^F, где F — это параметр масштабирования окна. Максимальное значение F, которое может быть использовано протоколомTCP, — 14. Следует отметить, что эта опция включается только на время установления соединения. Полное описание этого метода приведено в разделе 2.2 документа RFC 1323.

В этом же документе описан алгоритм «Временной штамп». Этот алгоритм используется для соединений, работающих с окнами большого размера. Опция «Временной штамп» используется для того, чтобы проводить точное измерение времени прохождения сигнала до получателя и обратно, то есть времени обращения (Round TripTime, RTT).

Такие замеры необходимы для корректировки времени повторной передачи при отсутствии подтверждения приема определенного сегмента. «Временной штамп» реально может быть использован в любом сегменте с данными и определяет два дополнительных поля: «Timestamp Value» (значение временного штампа) и «Timestamp EchoReply» (ответ на временной штамп получен). Протокол TCP может включить поле «Timestamp Value» в любой исходящий сегмент. Когда этот сегмент подтверждается принимающей стороной, то отвечающий модуль протокола TCP включает в ответный сегмент поле «Timestamp Echo Reply» с тем же самым значением, что было в поле «Timestamp Value» в сегменте, который был подтвержден. Это позволяет протоколу TCP выполнять постоянный мониторинг времени обращения. В операционной системе Windows 2000 предусмотрен режим использования алгоритма «Временной штамп» по умолчанию.