Warstwa transportowa: TCP i UDP.
TCP - Transmission Control Protocol.
RFC 793.
Oprogramowanie TCP tworzy połączenia (connection) między dwoma procesami z jednoczesną dwukierunkową transmisją.
Połączenie TCP
TCP łączy dwa punkty końcowe, które są identyfikowane przez parę: nr IP oraz nr portu. Połączenie identyfikowane jest przez cztery liczby: dwa numery IP oraz dwa numery portów. Dzięki temu można np. realizować serwery współbieżne działające z tymi samymi numerami portów (wyjaśnienie na wykładzie).
Pomiędzy procesami wymieniany jest strumień 8-bitowych tzw. oktetów (bajtów). Stąd mówi się o usłudze strumienia bajtów. W strumieniu nie są umieszczane automatycznie żadne znaczniki rekordów. Bajty wysyłane są w segmentach (por. poprzedni wykład), porcjami, ale aplikacja docelowa nie jest w stanie określić wielkości poszczególnych porcji w źródle.
Ważne cechy TCP:
Partnerzy (komunikujące się procesy) tworzą połączenie z wykorzystaniem mechanizmu uzgodnienia (uzgadnianie trójfazowe - three-way handshake).
Zamknięcie połączenia odbywa się z wykorzystaniem mechanizmu uzgodnienia, podczas którego partnerzy wyrażają zgodę na zamkniecie połączenia.
TCP zapewnia sterowanie przepływem. Informuje partnera o tym ile bajtów danych może od niego przyjąć (okno oferowane - advertized window). Rozmiar okna jest równy rozmiarowi wolnego miejsca w buforze odbiorcy. Rozmiar ten zmienia się dynamicznie. Zero oznacza, że nadawca musi zaczekać, aż program użytkowy odbierze dane z bufora.
Dane dzielone są na fragmenty, które według TCP mają najlepszy do przesłania rozmiar. Jednostka przesyłania danych nazywa się segmentem.
TCP zapewnia niezawodność połączenia.
Mechanizmy niezawodności:
Potwierdzanie otrzymania segmentów z mechanizmem zegara. Odebrany segment musi być potwierdzony przez odbiorcę przez wysłanie segmentu potwierdzającego. Jeśli potwierdzenie nie nadejdzie w odpowiednim czasie, segment zostanie przesłany powtórnie. Czas oczekiwania zmienia się dynamicznie i zależy od stanu sieci (obciążenia).
Sumy kontrolne. Jeśli segment zostanie nadesłany z niepoprawna sumą kontrolną, to jest odrzucany i nie jest przesyłane potwierdzenie odbioru (w nadziei, że nadawca po odczekaniu odpowiedniego czasu prześle utracony segment jeszcze raz).
Przywracanie kolejności nadchodzących segmentów. Segmenty mogą nadchodzić w kolejności innej niż zostały wysłane, oprogramowanie TCP przywraca prawidłową kolejność przed przekazaniem do aplikacji.
Odrzucanie zdublowanych danych (pakietów). Może się zdarzyć, że pakiet zostanie przesłany powtórnie, ale pierwszy pakiet nie zaginie i do odbiorcy dotrą dwa. Wówczas jeden z pakietów należy odrzucić.
Porty - numery.
IANA (Internet Assigned Numbers Authority).
RFC 1700.
0..65535.
IANA
1..1023 - porty ogólnie znane
1024..49151 - zarejestrowane
41152 ..65535 - dynamiczne (efemeryczne) lub prywatne.
(W Unix BSD 1..1023 zarezerwowane, 1024-5000 efemeryczne, 5001-65535 nieuprzywilejowane).
Powszechne usługi w implementacjach TCP/IP:
Nazwa Port TCP i UDP RFC
echo 7 862 serwer zwraca wszystko co wysyła klient
discard 9 863 serwer odrzuca wszystko
daytime 13 867 data i czas
chargen 19 864 TCP generuje nieprzerwany ciąg znaków do zakończenia połączenia, UDP generuje ciąg o losowej długości
time 37 868 czas - liczba sekund od 01-01-1990 UTC
telnet 23
ssh 22
http 80
ftp 21
Segment TCP, nagłówek segmentu.
Enkapsulacja segmentu TCP w datagramie IP.
0 15 16 31
16-bitowy numer portu źródłowego |
16-bitowy numer portu docelowego |
|||||||
4-bajtowy numer sekwencji pierwszego oktetu w strumieniu danych. |
||||||||
4-bajtowy numer potwierdzenia |
||||||||
4-bitowa długość nagłówka |
Rezerwa (6 bitów) - zera |
URG |
ACK |
PSH |
RST |
SYN |
FIN |
16-bitowy rozmiar okna |
16 bitowa suma kontrolna TCP |
16 bitowy wskaźnik ważności |
|||||||
Opcje (jeśli są) |
||||||||
Dane (jeśli są) |
||||||||
Dodatkowe objaśnienia:
Numer sekwencji. Dla segmentu ze znacznikiem SYN w pole wpisuje się numer sekwencji początkowej, tzw. ISN (Initial Sequence Number). Pierwszy oktet danych ma numer ISN+1. ISN jest ustalany na podstawie licznika 32 bitowego [zakres 0..232-1]. RFC 793 określa, że numer ISN powinien rosnąć co 4 mikrosekundy. W praktycznych implementacjach jest inaczej, np. zwiększanie o 64000 co pół sekundy. Co kilka godzin licznik się zeruje.
Numer potwierdzenia jest ważny tylko przy włączonym znaczniku ACK. Jest to kolejny numer bajtu, którego spodziewa się wysyłający potwierdzenie.
Długość nagłówka (w protokole pole to jest określone jako przesunięcie danych). Wielkość nagłówka wyrażona w liczbie bloków 4-bajtowych.
Znaczniki (będą wyjaśniane dokładnie później):
URG - wskaźnik ponaglenia,
ACK - segment potwierdzenia,
PSH - segment „push” - wypchnięcie danych,
RST - zresetowanie połączenia,
SYN - synchronizacja,
FIN - nadawca zakończył przesyłanie danych.
Rozmiar okna. Oznacza liczbę bajtów, które odbiorca chce zaakceptować (poczynając od bajtu o numerze podanym w polu numer potwierdzenia).
Suma kontrolna. Liczona dla nagłówka i danych, z użyciem pseudonagłówka liczona tak jak w UDP (wyjaśnienie przy UDP).
Wskaźnik ważności. Dodatnie przesunięcie, które musi być dodane do pola przesunięcia sekwencyjnego aby uzyskać numer ostatniego bajtu ważnych danych.
Opcje. Rodzaj opcji (bajt), długość opcji (bajt), opcja. Najważniejsza opcja to MSS - Maximum Segment Size. Może być uzyskana jako MTU (Maximum Transmission Unit) minus rozmiar nagłówka IP oraz TCP. Dla MSS rodzaj opcji określony jast liczbą 2, długość opcji wynosi 4 (cały wpis), dwa kolejne bajty to wartość MSS. Przykładowo dla Ethernetu MTU=1500, stąd MSS=1500 - 40 = 1460 (40 bajtowy minimalny rozmiar nagłówków IP i TCP). Wartość domyślna MSS (jeśli nie podany) wynosi 536. MSS podawany jest w segmencie SYN.
Nawiązywanie i zamykanie połączenia, przesyłanie danych.
klient serwer
Wymiana pakietów przez połączenie TCP, nawiązywanie i zakończenie połączenia.
zwykłe przejście między stanami klienta
zwykła przejście między stanami serwera
SYN / SYN, ACK = odbiór SYN / wysłanie ACK
[ ] - nic
Diagram przejść między stanami połączenia TCP.
Technika opóźnionego potwierdzania.
Specyfika stanu TIME WAIT.
2MSL (Maximum Segment Life). W RFC 793 określony jako 2 minuty, w praktyce od 30 sekund do 2 minut. Spóźnione segmenty są w tym czasie odrzucane. Para punktów końcowych definiujących połączenie nie może być powtórnie użyta przed upływem 2MSL.
Czas milczenia - na wypadek awarii hosta po przejściu do TIME WAIT.
Półzamknięcie TCP.
Strona, która zakończyła połączenie i nie nadaje danych może dane odbierać od partnera TCP. Takie połączenie nazywane jest połączeniem półzamkniętym (half-close).
Przykład:
rsh komputer sort < plikdanych
Segmenty RST.
Segment RST wysyłany jest przez oprogramowanie implementujące TCP kiedy nadchodzi segment niepoprawny z punktu widzenia połączenia. W protokole UDP w przypadku nadejścia datagramu na port, nie będący w użyciu generowany jest komunikat ICMP o tym, ze port jest nieosiągalny. TCP używa tu segmentów RST (nie komunikatów ICMP).
Segment RST powoduje przerwanie połączenia (nie jest potwierdzany).
Połączenia półotwarte - jeśli jedna ze stron przerwała połączenie bez informowania drugiej (np. host uległ awarii). Przykład - wyłączenie komputera z uruchomionym telnetem.
Jednoczesne otwarcie.
Wymiana czterech segmentów. Nie określa się serwera i klienta.
Jednoczesne zamknięcie.
Skumulowane potwierdzanie.
Segment PSH.
Wysyłanie natychmiastowe segmentu (nawet, jeśli zawierałby jeden bajt danych).
Dane pilne (URG).
Przekazywane do aplikacji poza głównym strumieniem bajtów.
Przekroczenie czasu i retransmisja.
Oparte o RTT (Round Trip Time).
Problem niejednoznaczności potwierdzenia.
Algorytm Karna - adaptacyjny, nie uwzględnia segmentów retransmitowanych przy liczeniu RTT, ale powiększa czas oczekiwania.
Reakcja na przeciążenie.
Przy przeciążeniu sieci powinien być zwiększany czas oczekiwania. Proste implementacje tylko retransmitujące segmenty powiększają jeszcze obciążenie w sieci.
Dozwolone okno = min (proponowane, okno przeciążeniowe).
Algorytm - przy zgubieniu segmentu zmniejsz okno przeciążeniowe o połowę.
W drugą stronę algorytm jest inny - zwiększanie okna przeciążeniowego o jeden segment.
Małe pakiety i syndrom „głupiego okna”.
Po stronie odbiorcy - oferowanie okna co najmniej np. 50% całkowitej pojemności bufora.
Po stronie nadawcy - przed uzyskaniem potwierdzenia nie wysyłaj, chyba, że uzbiera się maksymalny rozmiar.
UDP - User Datagram Protocol.
RFC 768.
UDP jest protokołem bezpołączeniowym. Nie realizuje buforowania przychodzących i wychodzących danych (musi to zapewnić aplikacja).
UDP nie zapewnia niezawodności, nie ma żadnej gwarancji, że datagramy dotrą do miejsca przeznaczenia.
Aplikacja jest odpowiedzialna za rozmiar wysyłanego datagramu. Jeśli wielkość przekroczy MTU sieci, wówczas datagram IP jest dzielony (fragmentacja IP).
Datagram UDP
20 bajtów 8 bajtów
Enkapsulacja UDP
Nagłówek UDP.
0 15 16 31
16 bitowy numer portu źródłowego |
16 bitowy numer portu docelowego |
16 bitowa długość UDP (nagłówek + dane) |
16 bitowa suma kontrolna UDP |
Dane (jeśli są) |
|
Suma kontrolna.
Algorytm dodaje liczby 16 bitowe, stąd możliwa konieczność uzupełnienia datagramu o bajt 0. To dodanie występuje tylko w algorytmie wyliczania sumy kontrolnej. Dodatkowy bajt nie jest przesyłany.
Podobnie 12 bajtowy pseudonagłówek:
Pseudonagłówek:
32 bity adres IP źródła,
32 bity adres IP celu,
8 zer
8 bitów typ protokołu (UDP = 17)
16 bitów długość UDP (powtórzona)
Algorytm jest taki sam jak dla sumy kontrolnej nagłówka IP:
16 bitowe porcje uzupełniane są do 1 (tzn. 1 zamieniane na 0 i odwrotnie), tak otrzymane słowa są dodawane i wynik jest ponownie uzupełniony do 1.
Zastosowanie UDP: jeśli warstwa aplikacji realizuje niezawodność, dostarczanie grupowe.
Sieci komputerowe wykład 3.
3
CLOSED
LISTEN
SYN SENT
SYN RCVD
ESTABLISHED
CLOSE WAIT
LAST ACK
FIN WAIT-1
CLOSING
FIN WAIT-2
TIME WAIT
prg: otwarcie aktywne
[ ] / SYN
stan początkowy
otwarcie aktywne
RST / [ ]
SYN / SYN, ACK
prg: otwarcie bierne
[ ] / [ ]
otwarcie jednoczesne
SYN / SYN, ACK
FIN / ACK
prg: zamknięcie
[ ] / FIN
ACK / [ ]
zamknięcie bierne
ACK/ [ ]
zamknięcie aktywne
zamknięcie jednoczesne
ACK / [ ]
FIN / ACK
FIN / ACK
ACK / [ ]
FIN, ACK / ACK
stan przesyłania danych
SYN, j, mss=1460
SYN k, ACK j+1, mss=1024
ACK k+1
dane: żądanie
dane: odpowiedź /
ew. ACK dla żądania
ACK dla odpowiedzi
FIN m
ACK m+1
zamknięcie aktywne
FIN WAIT-1
ESTABLISHED
ESTABLISHED
SYN RECVD
otwarcie bierne
LISTEN
otwarcie aktywne
SYN SENT
ACK n+1
FIN n
CLOSE WAIT zamknięcie bierne
FIN WAIT-2
TIME WAIT
LAST ACK
CLOSED
Proces 1,
IP1,
Port1
Proces 2,
IP2,
Port2
Wyjście
Wejście
Wejście
Wyjście
Opóźnione potwierdzanie
(„piggyback - jazda na barana”)
dane TCP
nagłówek TCP
nagłówek IP
SYN j
SYN k
SYN k, ACK j+1
SYN k, ACK k+1
SYN SENT
SYN SENT
SYN RECVD
SYN RECVD
ESTABLISHED
ESTABLISHED
aktywne otwarcie
aktywne otwarcie
aktywne zamknięcie
TIME WAIT
TIME WAIT
CLOSING
CLOSING
FIN WAIT-1
FIN WAIT-1
SYN k, ACK k+1
SYN k, ACK j+1
FIN k
FIN j
aktywne zamknięcie
nagłówek IP
nagłówek UDP
dane UDP
[ ] / FIN
[ ] / FIN
SYN, ACK / ACK
Wyszukiwarka