Лекция № 9 (2 часа)

Тема: Пртоколы TCP/IP

Цель: Ознакомится с протоколами TCP/IP.

План

1. Протокол межсетевого взаимодействия IP

1.1. Структура IP-пакета

1.2. Фрагментация IP-пакетов

2. Протокол надежной доставки сообщений TCP

2.1. Сегменты TCP

2.2. Порты и установление TCP соединений

2.3. Концепция квитирования

2.4. Формат сообщений TCP

1. Протокол IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия - Internet Protocol (IP). К основным функциям протокола IP относятся:

- перенос между сетями различных типов информации в унифицированной форме,

- сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Изучение структуры IP-пакета дает возможность понять основные режимы работы протокола по обработке и передаче датаграмм.

1.1 Структура IP-пакета

Структура IP-пакета изображена на рисунке 35.

Рисунок 35. Структура IP пакета.

Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля:

Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6, называемую также IPng (IP next generation).

Длина заголовка (HLEN) IP-пакета занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS).

Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки.

Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных.

Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит промежуточный фрагмент).

Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета.

Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется.

Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP).

Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку.

Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую структуру.

Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

1.2 Фрагментация IP-пакетов

Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet.

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535 байт, и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки через сеть. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - Maximum Transfer Unit, MTU.

Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

2 Протокол надежной доставки сообщений TCP

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

2.1 Сегменты 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.

В протоколе TCP предусмотрен случай, когда 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. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.

Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.

Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.

2.2 Порты и установление TCP-соединений

В протоколе TCP для связи с прикладными процессами используются порты.

Назначение номеров портов прикладным процессам осуществляется либо централизовано, если эти процессы представляют собой популярные общедоступные сервисы, типа сервиса удаленного доступа к файлам TFTP (Trivial FTP) или сервиса удаленного управления telnet, либо локально для тех сервисов, которые еще не стали столь распространенными, чтобы за ними закреплять стандартные (зарезервированные) номера.

Централизованное присвоение сервисам номеров портов выполняется организацией Internet Assigned Numbers Authority. Эти номера затем закрепляются и опубликовываются в стандартах Internet. Например, упомянутому выше сервису удаленного доступа к файлам TFTP присвоен стандартный номер порта 69.

Локальное присвоение номера порта заключается в том, что разработчик некоторого приложения просто связывает с ним любой доступный, произвольно выбранный числовой идентификатор, обращая внимание на то, чтобы он не входил в число зарезервированных номеров портов. В дальнейшем все удаленные запросы к данному приложению от других приложений должны адресоваться с указанием назначенного ему номера порта.

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.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.

Установление соединения выполняется в следующей последовательности:

- При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).

- После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.

- Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.

- Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.

- Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.

2.3 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 того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.

2.4 Формат сообщений TCP

Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:

- Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;

- Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;

- Порядковый номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;

- Номер подтверждения (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;

- Длина заголовка (HLEN) 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;

- Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;

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

- URG - срочное сообщение;

- ACK - квитанция на принятый сегмент;

- PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;

- RST - запрос на восстановление соединения;

- SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;

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

- Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;

- Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;

- Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;

- Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;

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

Контрольные вопросы

1. Структура IP пакета. Назначение полей «Номер версии» и «Длина заголовка».

2. Структура IP пакета. Назначение поля «Тип сервиса».

3. Структура IP пакета. Назначение поля «Общая длина» и «Идентификатор пакета».

4. Структура IP пакета. Назначение поля «Флаги».

5. Структура IP пакета. Назначение поля «Смещение фрагмента».

6. Структура IP пакета. Назначение поля «Время жизни».

7. Структура IP пакета. Назначение поля «Идентификатор протокола верхнего уровня» и «Контрольная сумма»

8. Структура IP пакета. Назначение полей «Адрес источника» и «Адрес назначения»

9. С чем связана фрагментация IP пакетов?

10. Основная еденица данных протокола TCP?

11. Опишите процесс установления TCP соединений

12. Основная идея концепции квитирования в протоколе TCP.

13. Формат сообщения TCP. Назначение полей «Порт источника» и «Порт назначения»

14. Формат сообщения TCP. Назначение поля «Порядковый номер»

15. Формат сообщения TCP. Назначение поля «Номер подтверждения»

16. Формат сообщения TCP. Назначение поля «Кодовые биты»