Читаем без скачивания TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security) - Сидни Фейт

Что можно сказать о портах, используемых клиентами? В редких случаях клиент работает не через общеизвестный порт. Но в таких ситуациях, желая открыть соединение, он часто запрашивает у операционной системы присвоения ему неиспользуемого и незарезервированного порта. В конце соединения клиент обязан возвратить этот порт обратно, после чего порт может быть использован повторно другим клиентом. Поскольку в пуле нерезервированных номеров существует более 63 000 портов TCP, ограничения на порты для клиентов можно не учитывать.

10.2.6 Адреса socket

Как мы уже знаем, комбинация IP-адреса и порта для коммуникации называется адресом socket. Соединение TCP полностью идентифицируется адресом socket на каждом конце данного соединения. На рис. 10.4 показано соединение между клиентом с адресом socket (128.36.1.24, порт = 3358) и сервером с адресом socket (130.42.88.22, порт = 21).

Рис. 10.4. Адреса socket

Заголовок каждой датаграммы содержит IP-адреса источника и назначения. В дальнейшем будет видно, что номера портов источника и назначения указываются в заголовке сегмента TCP.

Обычно сервер способен одновременно управлять несколькими клиентами. Уникальные адреса socket сервера присваиваются одновременно всем его клиентам (см. рис. 10.5).

Рис. 10.5. Несколько клиентов соединены с адресами socket сервера

Поскольку датаграмма содержит сегмент соединения TCP, идентифицирующийся IP-адресами и портами, серверу очень просто отслеживать несколько соединений с клиентами.

10.3 Механизм обеспечения надежности TCP

В этом разделе мы рассмотрим механизм TCP, используемый для надежной доставки данных при сохранении порядка пересылки и исключения потерь либо дублирования.

10.3.1 Нумерация и подтверждение

Для обеспечения надежной пересылки данных в TCP используются нумерация (numbering) и подтверждение (acknowledgment — ACK). Схема нумерации TCP несколько необычна: каждый пересылаемый по соединению октет рассматривается как имеющий порядковый номер. Заголовок сегмента TCP содержит порядковый номер первого октета данных этого сегмента.

От приемника требуется подтверждение получения данных. Если ACK не приходит за интервал тайм-аута, данные передаются повторно. Этот способ называется позитивным подтверждением с ретрансляцией (positive acknowledgment with retransmission).

Получатель данных TCP проводит строгий контроль входящих порядковых номеров, чтобы проверить последовательность получения данных и отсутствие потерянных частей. Поскольку ACK случайным образом может быть потерян или задержан, к получателю могут поступить дублированные сегменты. Порядковые номера позволяют определить дублирование данных, которые далее отбрасываются.

На рис. 10.6 показан упрощенный взгляд на тайм-аут и повторную пересылку в TCP.

Рис. 10.6. Тайм-аут и повторная пересылка в TCP

10.3.2 Поля портов, последовательности и ACK в заголовке TCP

Как показано на рис. 10.7, первые несколько полей заголовка TCP предоставляют место для значений портов источника и назначения, порядкового номера первого байта вложенных данных и ACK, равного порядковому номеру следующего байта, ожидаемого на другом конце. Другими словами, если TCP от своего партнера получит все байты до 30-го, в этом поле будет значение 31, указывающее сегмент, который следует переслать далее.

Рис. 10.7. Начальные значения в полях заголовка TCP

Нельзя не отметить одну маленькую деталь. Предположим, что TCP переслал байты от 1 до 50 и более уже нет данных для отправки. Если от партнера поступают данные, TCP обязан подтвердить их получение, для чего пошлет заголовок без подключенных к нему данных. Естественно, в этом заголовке присутствует значение ACK. В поле последовательности — значение 51, т.е. номер следующего байта, который намеревается послать TCP. Когда TCP пошлёт следующие данные, новый заголовок TCP также будет иметь в поле последовательности значение 51.

10.4 Установка соединения

Каким образом два приложения соединяются между собой? Перед коммуникацией каждое из них вызывает подпрограмму для формирования блока памяти, который будет использован для хранения параметров TCP и IP данного соединения, например адресов socket, текущего порядкового номера, начального значения времени жизни и т.д.

Серверное приложение ожидает появления клиента, который, желая получить доступ к серверу, выдает запрос на соединение (connect), идентифицирующий IP-адрес и порт сервера.

Существует одна техническая особенность. Каждая сторона начинает нумерацию каждого байта не с единицы, а со случайного порядкового номера (далее мы узнаем, для чего это делается). Исходная спецификация дает совет: начальный порядковый номер генерировать на основе 32-разрядного внешнего таймера, увеличивающего значения примерно каждые 4 мкс.

10.4.1 Сценарий соединения

Процедуру соединения часто называют тройным рукопожатием (three-way handshake), поскольку для установки соединения производится обмен тремя сообщениями — SYN, SYN и ACK.

Во время установки соединения партнеры обмениваются тремя важными порциями информации:

1. Объем буферного пространства для приема данных

2. Максимальное количество данных, переносимое во входящем сегменте

3. Начальный порядковый номер, используемый для исходящих данных

Отметим, что каждая из сторон применяет операции 1 и 2 для указания пределов, в которых будет действовать другая сторона. Персональный компьютер может иметь небольшой приемный буфер, а суперкомпьютер — огромный буфер. Структура памяти персонального компьютера может ограничивать поступающие порции данных 1 Кбайт, а суперкомпьютер управляется с большими сегментами.

Способность управлять тем, как посылает данные другая сторона, является важным свойством, обеспечивающим масштабируемость TCP/IP.

На рис. 10.8 показан пример сценария соединения. Представлены очень простые начальные порядковые номера, чтобы не перегружать рисунок. Отметим, что на данном рисунке клиент способен получать большие по размеру сегменты, чем сервер.

Рис. 10.8. Установление соединения

Выполняются следующие операции:

1. Сервер инициализируется и становится готовым к соединению с клиентами (это состояние называется пассивным открытием — passive open).

2. Клиент запрашивает у TCP открытие соединения с сервером по указанному IP-адресу и порту (это состояние называется активным открытием — active open).

3. Клиентская TCP получает начальный порядковый номер (в данном примере — 1000) и посылает сегмент синхронизации (synchronize segment — SYN). В этом сегменте пересылается порядковый номер, размер приемного окна (4 К) и размер наибольшего сегмента, который может принять клиент (1460 байт).

4. Когда поступает SYN, серверная TCP получает свой начальный порядковый номер (3000). Она посылает сегмент SYN, содержащий начальный порядковый номер (3000), ACK 1001 (что означает нумерацию первого посланного клиентом байта как 1001), размер приемного окна (4 К) и размер наибольшего сегмента, который сможет получить сервер (1024 байта).

5. Клиентская TCP, получив от сервера сообщение SYN/ACK, отсылает обратно ACK 3001 (первый байт посланных сервером данных должен нумероваться как 3001).

6. Клиентская TCP указывает своему приложению на открытие соединения.

7. Серверная TCP, получив от клиентской TCP сообщение ACK, информирует свое приложение об открытии соединения.

Клиент и сервер анонсируют свои правила для принимаемых данных, синхронизируют свои порядковые номера и становятся готовыми к обмену данными. Спецификация TCP разрешает и другой сценарий (не слишком удачный), когда равные между собой приложения одновременно выполняют активное открытие друг друга.

10.4.2 Установка значений параметров IP

Запрос приложения на установку соединения может заодно указать параметры для датаграмм IP, которые будут переносить данные этого соединения. Если не указывается определенное значение параметра, используется величина, заданная по умолчанию.

Например, приложение может выбрать требуемое значение для приоритета IP или типа обслуживания. Поскольку каждая из соединяемых сторон независимо друг от друга устанавливает собственный приоритет и тип обслуживания, теоретически эти значения могут отличаться для различных направлений потоков данных. Как правило, на практике применяются одинаковые значения для каждого направления обмена.

Когда в приложении задействованы варианты безопасности для правительственных или военных учреждений, каждая из конечных точек соединения должна использовать одинаковые уровни безопасности, иначе такое соединение не будет установлено.