Протокол TCP. Передача данных.

Блок управления передачей Для обеспечения надежной передачи данных по установленным логическим со­единениям между прикладными программами протокол TCP должен обеспечивать следующие функции:

q передачу данных;

q проверку достоверности данных при передаче;

q управление потоком данных;

q разделение каналов связи;

q обслуживание установленных соединений;

q соблюдение установленного приоритета пользователей;

q обеспечение соответствующего уровня безопасности.

Для одновременного использования протокола TCP несколькими прикладными программами на одном компьютере он представлен набором адресов и портов. Поскольку идентификаторы портов выбираются каждой программой протокола TCP независимо, то они не будут уникальны. Уникальна совокупность идентификатора порта и IP-адреса. Эта совокупность называется сокет. Соединение между отправителем и получателем полностью определяются двумя сокетами на его концах. Это соединение можно использовать для передачи данных в обоих направлениях, то есть оно поддерживает дуплексный режим передачи.

Существует несколько основополагающих концепций связи портов с прикладными программами при любой реализации протокола TCP.

Для сохранения всей совокупности информации, необходимой для создания и поддержки соединения, каждый раз при установлении соединения создается структура данных, называемая блоком управления передачей (Transmission Control Block, TCB). Блок управления передачей ТСВ хранит всю постоянную информацию по созданному соединению и текущие значения нескольких переменных, например, определяющих очередность отправления. К постоянной информации относятся: номера локального и удаленного сокетов, флаги безопасности и приоритета для данного соединения, указатели на буферы отправки и приема. Блок ТСВ поддерживает несколько переменных, определяющих очередность отправления и получения сегментов. К ним относятся переменные, связанные с отправкой:

q SND.UNA — посылка не подтверждена;

q SND.NXT — послать следующий сегмент;

q SND.WND — отправить окно;

q SND.UP — отправить срочный указатель;

q SND.WL1 — номер в очереди сегмента, использованный для обновления последнего окна;

q SND.WL2 — номер подтверждения в сегменте, используемый для обновления последнего окна;

q ISS — первоначальный номер в очереди отправки;

и переменные, связанные с получением:

q RCV.NXT — получить следующий сегмент;

q RCV.WND - получить окно;

q RCV.UP — получить срочный указатель;

q IRS — первоначальный номер в очереди получения.

Часто используются переменные, берущие свое значение из полей очередного сегмента. К ним относятся:

q SEG.SEQ — номер в очереди для сегмента;

q SEG.ACK — номер подтверждения для сегмента;

q SEG.LEN — длина сегмента;

q SEG.WND — окно для сегмента;

q SEG.UP — срочный указатель для сегмента;

q SEG.PRC — приоритет для сегмента.

На рис. 12.4 показана последовательность этапов отправки и приема данных.

На примере рис.12.4 рассмотрим принцип использования некоторых переменных. Отправитель данных с помощью переменной SND.NXT отслеживает следующий номер сегмента в очереди, подлежащего отправке. Получатель данных с помощью переменной RCV.NXT отслеживает номера прибывающих сегментов. В поле переменнойSND.UNA отправитель данных помещает самый старый номер сегмента, который уже был отправлен, но на который еще не получено подтверждение (АСК). Когда отправитель создает и посылает новый сегмент, он увеличивает значение своей переменной SND.NXT. Адресат при получении этого сегмента увеличивает значение своей переменной RCV.NXT и отправляет подтверждение.

Рис. 12.4 Процесс: а) передачи данных; б) прием данных

 

При получении подтверждения увеличивается значение переменной SND.UNA отправителя. Разность значений переменных SND.NXT и SND.UNA может служить мерой задержки сегментов в сети. Переменные увеличиваются на длину поля данных в сегменте.

Установление и закрытие соединений При открытии и закрытии соединений в зависимости от поведения сторон могут возникать самые различные ситуации (но так или иначе соединение всегда будет находиться в одном из состояний, перечисленных выше). Упрощенно же процесс открытия соединения можно представить следующей последовательностью действий:

q Инициатор соединения посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи.

q После открытия порта протокол TCP на стороне приложения-инициатора посылает запрос приложению, с которым требуется установить соединение (принимающей стороне).

q Протокол TCP на принимающей стороне открывает порт для приема данных и отсылает квитанцию, подтверждающую прием запроса.

q Принимающая сторона открывает порт для передачи и также передает запрос к противоположной стороне.

q Приложение-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. С этого момента соединение считается установленным. После этого начинается обмен информацией по данному соединению.

При передаче данных по соединению каждый байт информации нумеруется. Нумерация ведется и в очереди отправления и в очереди получения. Первоначальный номер байта в очереди отправки указывается модулем TCPпосылающей стороны, а первоначальный номер байта в очереди приема выясняется во время установления соединения. В это время оба модуля протокола TCP должны синхронизировать друг с другом первоначальные номера байтов в очередях. Синхронизация производится путем обмена сегментами, которые используются при установке соединения. Эти сегменты несут флаг синхронизации SYN и исходные номера для обоих очередей. Синхронизация требует, чтобы каждая сторона послала свой собственный первоначальный номер в очереди и получила подтверждение о принятии этого номера. Нумеруются и сами сегменты: номером сегмента считается номер первого байта в поле полезной нагрузки этого сегмента. Рассмотрим синхронизацию номеров на примере создания соединения между станцией А и станцией Б. Для синхронизации необходимо выполнить следующие действия:

1. Станция А посылает сегмент с флагом SYN и своим номером в очереди N станции Б;

2. Станция Б посылает подтверждение — «ваш номер в очереди N» — станции А;

3. Станция Б посылает сегмент с флагом SYN и своим номером в очереди (обозначим его К) станции А;

4. Станция А посылает подтверждение — «ваш номер в очереди К» — станции Б.

Шаги 2 и 3 можно объединить, поэтому такой обмен называется открытием соединения с подтверждением трех сообщений. Эту же процедуру открытия соединения с подтверждением трех сообщений можно показать с фиксацией состо­яний соединения и переходов между ними (рис. 7.5). Каждая строка на рис. 7.5 пронумерована и показывает состояние соединения. Стрелки «→» означают отправление сегмента от модуля TCP станции А в модуль TCP станции Б. Стрелки «←» показывают отправку сегментов в противоположном направлении. Промежуточное состояние соединения соответствует моменту посылки или по­лучения сегмента. На рис. Рис. 12.5 показано не все содержание сегментов — приведены только номера в очереди, флаги управления и АСК.

Рис. 12.5 Процедура подтверждения трех сообщений для синхронизации соединения

Станция А указывает, что она будет использовать номер в очереди 100. В ответ станция Б посылает свой номер в очереди 300 и говорит, что ожидает получения номера 101. В последней строке после установления соединения модуль TCP станции А передает некоторую порцию данных.

На рис. 12.6 показана нормальная, штатная процедура закрытия соединения.

Рис. 12.6 Нормальная процедура закрытия соединения

Как видно, при закрытии соединения происходит обмен сегментами, несущими управляющий флаг FIN, указывающий на отсутствие данных для передачи.