Тема 11 Транспортный уровень сети Internet Презентацию лекций разработал доцент кафедры оптимизации систем управления Томского политехнического университета Комагоров Владимир Петрович

Семейство протоколов TCP/IP включает в себя два транспортных протокола: протокол пользовательских дейтаграмм UDP и протокол управления транспортировкой TCP. Протокол пользовательских дейтаграмм ненадежен, не ориентирован на соединение, передает и принимает данные в виде дейтаграмм. Протокол управления транспортировкой использует надежный поточнобитовый способ доставки данных, когда сетевое соединение устанавливается в виде виртуальной цепи. Транспортному уровню соответствует понятие «порт», которое обозначает тип приложения (тип прикладной программы) в отличие от IP – адреса, который обозначает определенный компьютер.

Транспортный уровень перемещает пакеты данных между прикладными программами. При этом он должен распознавать эти программы. Для этого служат номера портов. Любое приложение имеет уникальный номер порта. Когда программа устанавливает соединение с сетью, ей присваивается определенный номер порта. Протокол пользовательских дейтаграмм UDP. Этот протокол переносит данные между приложениями, имеющими определенный номер порта. UDP присоединяет к дейтаграммам пользователей UDP заголовок, структура которого приведена на рис. 50. UDP заголовок содержит: «порт источник», «порт - получатель», «длина сообщения» и «контрольная сумма». Длина UDP – заголовка – 8 байт.

Поля портов состоят из 16 битных целых чисел, представляющих номера портов приложений. Поле «порт источника» содержит номер порта, которым пользуется приложение источник данных. Поле «порт получатель» соответственно указывает на номер порта приложения получателя данных. Поле «длина сообщения» определяет длину (в байтах) UDP дейтаграммы, включая UDP заголовок. Поле «контрольная сумма», в отличие от контрольной суммы IP заголовка, содержит результат суммирования всей UDP дейтаграммы, включая ее данные, область которых начинается сразу после заголовка. Модуль UDP отслеживает появление вновь прибывших дейтаграмм, сортирует их и распределяет в соответствии с портами назначения.

Протокол транспортного уровня TCP. Транспортный протокол (Transport Control Protocol) TCP служит для передачи данных между сетевыми и прикладными уровнями сетевой модели. Для обеспечения надежной доставки и правильной последовательности данных в общем потоке, протокол TCP использует подтверждения. Каждый раз при передаче сообщения модуль TCP запускает таймер. По истечении заданного в нем времени и не получения подтверждения, протокол TCP повторяет попытку передать свое сообщение. Однако модуль TCP не посылает один пакет, ожидая прихода подтверждения, чтобы послать следующий. Вместо этого он использует принцип «скользящего окна».

Этот принцип позволяет послать несколько сообщений и только потом ожидать подтверждения. Модуль TCP регулирует полосу пропускания сети, договариваясь с удаленным узлом о параметрах потока данных. При этом процесс регулировки происходит на протяжении всего соединения TCP. Регулировка заключается в изменении размеров скользящего окна. При низкой загрузке сети, размер скользящего окна увеличивается При этом скорость выдачи данных на канале связи увеличивается. Если загрузка сети достаточна велика, модуль TCP уменьшает размер скользящего окна. Блок данных TCP принято называть сообщением или сегментом. Сегмент TCP состоит из TCP – заголовка, TCP – опций и данных. На рис. 51 приведена структура сегмента TCP.

Порт источника и порт получателя. 16 битные поля источника и получателя однозначно определяют посылающие и принимающие данные приложения или прикладные протоколы (программы). Номера портов источника и получателя в совокупности с IP адресами сетевых компьютеров (в IP заголовке) однозначно идентифицируют любое TCP соединение. Каждая из сторон TCP соединения называется сокетом (Socket). Номер последовательности. 32 битное поле номера последовательности обозначает первый байт данных из области данных сегмента TCP. Оно соответствует смещению этого байта относительно начала потока данных. Каждый байт в потоке данных может быть идентифицирован при помощи номера последовательности.

Номер подтверждения. 32 битное поле номера подтверждения обозначает байт данных, который принимающая сторона рассчитывает получить следующим в потоке данных, например, если последний принятый байт имел номер 500, модуль TCP установит номер подтверждения равным 501. Длина заголовка. Как и в заголовке IP, поле длины заголовка TCP состоит из четырех битов, обозначающих длину заголовку, измеренную в 32 битных словах. Как и заголовок IP, заголовок TCP имеет длину в 20 байтов.

Флаги. Заголовок TCP содержит шесть однобитных полей флагов. Флаг UR сообщает принимающему модулю TCP о наличии данных, требующих немедленной обработки, флаг ACK подтверждает правильность номера подтверждения в заголовке TCP, флаг PSH требует от принимающего модуля немедленно передать принятый сегмент данных приложению - получателю, флаг RST запрашивает у принимающего модуля TCP сброс соединения (прекращения работы приложений), флаг SYN указывает принимающему модулю TCP необходимость синхронизации последовательности, флаг FIN сообщает принимающему модулю TCP о том, что источник закончил передачу данных.

Размер окна. 16 битное поле «размер окна» сообщает принимающему модулю TCP количество байтов, которое собирается принять передатчик. Значение данного поля определяет размер скользящего окна. Как правило, оно равняется нескольким тысячам байтов. Контрольная сумма TCP. 16 битное поле контрольной суммы TCP содержит сумму, вычисленную по всему сегменту TCP, включая данные. Протокол TCP требует от передатчика, чтобы он включил вычисленную контрольную сумму в поле, а от приемника чтобы он вычислил ее повторно и сравнил с принятой.

Указатель на данные для неотложной обработки. 16 битное поле указателя определяет положение байта данных в области данных сегмента TCP. Указатель и флаг неотложных данных извещают принимающий модуль TCP о том, что некоторые, требующие немедленной обработки данные находятся в сегменте и указывают модулю на них. Опции. Так же как и у протокола IP, заголовок TCP содержит необязательное поле «опции» (options). В ходе установления соединения модули TCP договариваются о максимальной длине сегмента (MSS) и устанавливают соответствующую опцию. Для обмена данными протокол TCP должен установить соединение. Для установления и прекращения соединения, а также отправки и получения подтверждений TCP заголовок имеет поля «номер последовательности», «номер подтверждения» и поле флагов.

Для передачи сегмента, программа – приложение запрашивает модуль TCP для установления соединения. Модуль TCP в свою очередь шлет сообщение TCP с установленным флагом SYN (синхронизации) удаленному порту. Флаг синхронизации указывает принимающей стороне, что программа клиент желает установить соединение. Вместе с флагом SYN, сегмент TCP несет в себе 32 битный номер последовательности, размещенный в поле «номер последовательности». TCP модуль удаленного клиента отвечает сегментом TCP с установленным флагом подтверждения ASK и номером подтверждения.

Номер последовательности может выбираться произвольным образом. Нумерация данных в потоке передаваемых данных начинается с этого номера. Приемник, получив запрос на установление соединения, посылает обратное сообщение, содержащее его собственный начальный номер. Все TCP соединения являются дуплексными. Данные следуют в обоих направлениях одновременно. Соединение TCP заканчивается обменом пакетами, состоящими из двух стадий. Каждая из взаимодействующих сторон может предложить другой стороне закончить соединение. Для этого сторона – инициатор обмена высылает пакет с установленным флагом «окончание обмена» FIN. В силу дуплексной природы протокола TCP, оба потока данных независимы, и должны быть завершены по отдельности.