Protokół sterowania transmisją
Protokół sterowania transmisją, protokół kontroli transmisji, TCP (od ang. Transmission Control Protocol) – połączeniowy, niezawodny, strumieniowy protokół komunikacyjny stosowany do przesyłania danych między procesami uruchomionymi na różnych maszynach, będący częścią szeroko wykorzystywanego obecnie stosu TCP/IP (korzysta z usług protokołu IP do wysyłania i odbierania danych oraz ich fragmentacji wtedy, gdy jest to konieczne[1]), jego numer porządkowy to 6. Protokół sterowania transmisją operuje w warstwie transportowej modelu OSI. Opracowano go na podstawie badań Vintona Cerfa oraz Roberta Kahna[1][2]. Został opisany w dokumencie RFC 793 ↓.
Charakterystyka protokołu
[edytuj | edytuj kod]TCP jest protokołem działającym w trybie klient–serwer. Serwer oczekuje na nawiązanie połączenia na określonym porcie. Klient inicjuje połączenie do serwera.
W przeciwieństwie do UDP, TCP gwarantuje wyższym warstwom komunikacyjnym dostarczenie wszystkich pakietów w całości, z zachowaniem kolejności i bez duplikatów. Zapewnia to wiarygodne połączenie kosztem większego narzutu w postaci nagłówka i większej liczby przesyłanych pakietów. Chociaż protokół definiuje pakiet TCP, z punktu widzenia wyższej warstwy oprogramowania dane płynące połączeniem TCP należy traktować jako ciąg oktetów. W szczególności, jednemu wywołaniu funkcji interfejsu programowania aplikacji (np. send()) nie musi odpowiadać wysłanie jednego pakietu. Dane z jednego wywołania mogą zostać podzielone na kilka pakietów lub odwrotnie – dane z kilku wywołań mogą zostać połączone i wysłane jako jeden pakiet (dzięki użyciu algorytmu Nagle'a). Również funkcje odbierające dane (recv()) w praktyce odbierają nie konkretne pakiety, ale zawartość bufora stosu TCP/IP, wypełnianego sukcesywnie danymi z przychodzących pakietów.
Nawiązywanie połączenia
[edytuj | edytuj kod]
W protokole sterowania transmisją do nawiązania połączenia między dwoma hostami stosowana jest procedura nazwana three-way handshake. W sytuacji normalnej jest rozpoczynana, gdy host A chce nawiązać połączenie z hostem B. Wygląda ona następująco[1]:
- Host A wysyła do hosta B segment SYN wraz z informacją o dolnej wartości numerów sekwencyjnych używanych do numerowania segmentów wysyłanych przez host A (np. 100), a następnie przechodzi w stan SYN-SENT.
- Host B, po otrzymaniu segmentu SYN, przechodzi w stan SYN-RECEIVED i, jeżeli również chce nawiązać połączenie, wysyła hostowi A segment SYN z informacją o dolnej wartości numerów sekwencyjnych używanych do numerowania segmentów wysyłanych przez host B (np. 300) oraz segment ACK z polem numeru sekwencji ustawionym na wartość o jeden większą niż wartość pola sekwencji pierwszego segmentu SYN hosta A, czyli 101.
- Host A po odebraniu segmentów SYN i ACK od hosta B przechodzi w stan ESTABLISHED i wysyła do niego segment ACK potwierdzający odebranie segmentu SYN (numer sekwencji ustawiony na 301).
- Host B odbiera segment ACK i przechodzi w stan ESTABLISHED.
- Host A może teraz rozpocząć przesyłanie danych.
Jeśli host odbierający połączenie nie chce lub nie może odebrać połączenia, powinien odpowiedzieć pakietem z ustawioną flagą RST (reset).
Transmisja danych
[edytuj | edytuj kod]W celu weryfikacji wysyłki i odbioru TCP używa sum kontrolnych i sekwencyjnych numerów pakietów. Odbiorca potwierdza otrzymanie pakietów o określonych numerach sekwencyjnych, ustawiając flagę ACK. Brakujące pakiety są retransmitowane. Host odbierający pakiety TCP defragmentuje je i porządkuje je według numerów sekwencyjnych tak, by przekazać wyższym warstwom modelu OSI pełny złożony segment.
Zakończenie połączenia
[edytuj | edytuj kod]Prawidłowe zakończenie połączenia może być zainicjowane przez dowolną stronę. Polega ono na wysłaniu pakietu z ustawioną flagą FIN (finished). Pakiet taki wymaga potwierdzenia flagą ACK. Najczęściej po otrzymaniu pakietu z flagą FIN, druga strona również kończy komunikację, wysyłając pakiet z flagami FIN i ACK. Pakiet taki również wymaga potwierdzenia przez przesłanie ACK.
Dopuszcza się również awaryjne przerwanie połączenia poprzez przesłanie pakietu z flagą RST (reset). Pakiet taki nie wymaga potwierdzenia.
Stany połączenia
[edytuj | edytuj kod]Połączenie TCP może znajdować się w jednym z następujących stanów:
- LISTEN
- Gotowość do przyjęcia połączenia na określonym porcie przez serwer.
- SYN-SENT
- Pierwsza faza nawiązywania połączenia przez klienta. Wysłano pakiet z flagą SYN. Oczekiwanie na pakiet SYN+ACK.
- SYN-RECEIVED
- Otrzymano pakiet SYN, wysłano SYN+ACK. Trwa oczekiwanie na ACK. Połączenie jest w połowie otwarte (ang. half-open).
- ESTABLISHED
- Połączenie zostało prawidłowo nawiązane. Prawdopodobnie trwa transmisja.
- FIN-WAIT-1
- Wysłano pakiet FIN. Dane wciąż mogą być odbierane, ale wysyłanie jest już niemożliwe.
- FIN-WAIT-2
- Otrzymano potwierdzenie własnego pakietu FIN. Oczekuje na przesłanie FIN od serwera.
- CLOSE-WAIT
- Otrzymano pakiet FIN, wysłano ACK. Oczekiwanie na przesłanie własnego pakietu FIN (gdy aplikacja skończy nadawanie).
- CLOSING
- Połączenie jest zamykane.
- LAST-ACK
- Otrzymano i wysłano FIN. Trwa oczekiwanie na ostatni pakiet ACK.
- TIME-WAIT
- Oczekiwanie w celu upewnienia się, że druga strona otrzymała potwierdzenie rozłączenia. Zgodnie z RFC 793 ↓ połączenie może być w stanie TIME-WAIT najdłużej przez 4 minuty.
- CLOSED
- Połączenie jest zamknięte.
Segment TCP
[edytuj | edytuj kod]| Offset | Oktet | 0 | 1 | 2 | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Oktet | Bit |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31
|
| 0 | 0
|
Port nadawcy | Port odbiorcy | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 4 | 32
|
Numer sekwencyjny | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 8 | 64
|
Numer potwierdzenia (jeżeli flaga ACK jest ustawiona)
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| 12 | 96
|
Długość nagłówka | Zarezerwowane | N |
C |
E |
U |
A |
P |
R |
S |
F |
Szerokość okna | ||||||||||||||||||||
| 16 | 128
|
Suma kontrolna | Wskaźnik priorytetu (jeżeli flaga URG jest ustawiona)
| ||||||||||||||||||||||||||||||
| 20 ... |
160
|
Opcje (jeżeli długość nagłówka > 5, to pole jest uzupełniane „0”) ... | |||||||||||||||||||||||||||||||
Port nadawcy – 16-bitowy numer identyfikujący port nadawcy.
Port odbiorcy – 16-bitowy numer identyfikujący port odbiorcy.
Numer sekwencyjny – 32-bitowy identyfikator określający miejsce pakietu danych w pliku przed fragmentacją (dzięki niemu, można „poskładać” plik z poszczególnych pakietów).
Numer potwierdzenia – 32-bitowy numer będący potwierdzeniem otrzymania pakietu przez odbiorcę, co pozwala na synchronizację nadawanie-potwierdzenie.
Długość nagłówka – 4-bitowa liczba, która oznacza liczbę 32-bitowych wierszy nagłówka, co jest niezbędne przy określaniu miejsca rozpoczęcia danych. Dlatego też nagłówek może mieć tylko taką długość, która jest wielokrotnością 32 bitów.
Zarezerwowane – 3-bitowy ciąg zer, zarezerwowany dla ewentualnego przyszłego użytku.
Flagi – 9-bitowa informacja/polecenie dotyczące bieżącego pakietu. Poszczególne flagi oznaczają:
- NS – (ang. Nonce Sum) jednobitowa suma wartości flag ECN (ECN Echo, Congestion Window Reduced, Nonce Sum) weryfikująca ich integralność
- CWR – (ang. Congestion Window Reduced) flaga potwierdzająca odebranie powiadomienia przez nadawcę, umożliwia odbiorcy zaprzestanie wysyłania echa.
- ECE – (ang. ECN-Echo) flaga ustawiana przez odbiorcę w momencie otrzymania pakietu z ustawioną flagą CE
- URG – informuje o istotności pola „Priorytet”
- ACK – informuje o istotności pola „Numer potwierdzenia”
- PSH – wymusza przesłanie pakietu
- RST – resetuje połączenie (wymagane ponowne uzgodnienie sekwencji)
- SYN – synchronizuje kolejne numery sekwencyjne
- FIN – oznacza zakończenie przekazu danych
Szerokość okna – 16-bitowa informacja o tym, ile danych może aktualnie przyjąć odbiorca. Wartość 0 wskazuje na oczekiwanie na segment z innym numerem tego pola. Jest to mechanizm zabezpieczający komputer odbiorcy przed zbyt dużym napływem danych.
Suma kontrolna – 16-bitowa liczba, będąca wynikiem działań na bitach całego pakietu, pozwalająca na sprawdzenie tego pakietu pod względem poprawności danych. Obliczana jest z całego nagłówka TCP z wyzerowanymi polami sumy kontrolnej oraz ostatnich ośmiu pól nagłówka IP stanowiących adresy nadawcy i odbiorcy pakietu.
Wskaźnik priorytetu – 16 bitów, jeżeli flaga URG jest włączona, informuje o ważności pakietu.
Opcje – czyli ewentualne dodatkowe informacje i polecenia:
- 0 – koniec listy opcji
- 1 – brak działania
- 2 – ustawia maksymalna długość segmentu
W przypadku opcji 2 to tzw. Uzupełnienie, które dopełnia zerami długość segmentu do wielokrotności 32 bitów (patrz: informacja o polu „Długość nagłówka”)
Zastosowania
[edytuj | edytuj kod]Aplikacje, w których zalety protokołu sterowania transmisją przeważają nad wadami (większy koszt związany z utrzymaniem sesji TCP przez stos sieciowy), to między innymi programy używające protokołów warstwy aplikacji: HTTP, SSH, FTP czy SMTP/POP3 i IMAP4.
Zobacz też
[edytuj | edytuj kod]Przypisy
[edytuj | edytuj kod]Bibliografia
[edytuj | edytuj kod]- Jon Postel, Transmission Control Protocol, RFC 793, IETF, wrzesień 1981, DOI: 10.17487/RFC0793, ISSN 2070-1721, OCLC 943595667 (ang.).
Linki zewnętrzne
[edytuj | edytuj kod]- V. Jacobson, R. Braden, D. Borman, TCP Extensions for High Performance, RFC 1323, IETF, maj 1992, DOI: 10.17487/RFC1323, ISSN 2070-1721, OCLC 943595667 (ang.).
- Opis protokołu TCP w języku angielskim