На транспортном уровне стека TCP/IP используются два основных протокола: TCP и UDP. Общее представление о функциях транспортного уровня можно получит в соответствующей статьей. В данном тексте речь пойдёт о протоколе TCP (Transmission Control Protocol), который используется для обеспечения надёжной доставки данных на транспортном уровне.
Существуют общие задачи транспортного уровня, с которыми справляется как TCP, так и UDP. Основных задач собственно две: сегментация данных, приходящих с уровня приложений и адресация приложений (передающего и принимающего) при помощи портов. Подробнее об этом можно прочесть в статье, посвященной транспортному уровню.
Помимо этого, TCP обеспечивает:
- Надёжную доставку сегментов.
- Упорядочивание сегментов при получении.
- Работу с сессиями.
- Контроль за скоростью передачи.
Рассмотрим эти возможности более детально.
Надёжная доставка сегментов
Под надёжной доставкой подразумевается автоматическая повторная пересылка недошедших сегментов. Каждый сегмент маркируется при помощи специального поля — порядкового номера (sequence number). После отправки некоторого количества сегментов, TCP на отправляющем узле ожидает подтверждения от получающего, в котором указывается порядковый номер следующего сегмента, который адресат желает получить. В случае, если такое подтверждение не получено, отправка автоматически повторяется. После некоторого количества неудачных попыток, TCP считает, что адресат не доступен, и сессия разрывается.
Таким образом, надёжная доставка не означает, что ваши данные дойдут в случае, если кто-то выдернул кабель из коммутатора. Она означает, что разработчик ПО, использующий TCP на транспортном уровне знает, что если сессия не разорвалась, то всё что он поручил отправить будет доставлено получателю без потерь. Существует множество данных, критичных к потере любой порции информации. Например, если вы скачиваете приложение из интернета, то потеря одного байта будет означать, что вы не сможете воспользоваться тем что скачали. По этой причине многие протоколы уровня приложений используют для транспорта TCP.
Упорядочивание сегментов при получении
Как несложно догадаться, каждый сегмент на нижний уровнях TCP/IP обрабатывается индивидуально. То есть, как минимум, он будет запакован в индивидуальный пакет. Пакеты идут по сети и промежуточные маршрутизаторы в общем случае уже ничего не знают о том, что запаковано в эти пакеты. Часто пакеты с целью балансировки нагрузки могут идти по сети разными путями, через разные промежуточные устройства, с разной скоростью. Таким образом получатель, декапсулировав их, может получить сегменты не в том порядке, в котором они отправлялись.
TCP автоматически пересоберёт их в нужном порядке используя всё то же поле порядковых номеров и передаст после склейки на уровень приложений.
Работа с сессиями
Перед началом передачи полезных данных, TCP позволяет убедиться в том, что получатель существует, слушает нужный отправителю порт и готов принимать данные для этого устанавливается сессия при помощи механизма трёхстороннего рукопожатия (three-way handshake), о котором можно прочесть в соответствующей статье. Далее, в рамках сессии передаются полезные пользовательские данные. После завершения передачи сессия закрывается, тем самым получатель извещается о том, что данных больше не будет, а отправитель извещается о том, что получатель извещён.
Контроль за скоростью передачи
Контроль за скоростью передачи позволяет корректировать скорость отправки данных в зависимости от возможностей получателя. Например, если быстрый сервер отправляет данные медленному телефону, то сервер будет передавать данные с допустимой для телефона скоростью.
Благодаря механизму скользящего окна (sliding window), TCP может работать с сетями разной надёжности. Механизм плавающего окна позволяет менять количество пересылаемых байтов, на которые надо получать подтверждение от адресата. Чем больше размер окна, тем больший объём информации будет передан до получения подтверждения. Для надёжных сетей подтверждения можно присылать редко, чтобы не добавлять трафика, поэтому размер окна в таких сетях автоматически увеличивается. Если же TCP видит, что данные теряются, размер окна автоматически уменьшается. Это связанно с тем, что если мы передали, например, 3 килобайта информации и не получили подтверждения, то мы не знаем, какая конкретно часть из них не дошла и вынуждены пересылать все три килобайта заново. Таким образом, для ненадёжных сетей, размер окна должен быть минимальным.
Механизм скользящего окна позволяет TCP постоянно менять размер окна — увеличивать его пока всё нормально и уменьшать, когда сегменты не доходят. Таким образом, в любой момент времени размер окна будет более или менее адекватен состоянию сети.
Структура TCP
Заголовок TCP сегмента имеет следующую структуру:
- Source port и Destination port — это соответственно номера портов получателя и отправителя, идентифицирующие приложений на отправляющем и принимающем узлах.
- Sequence number и Acknowledgment number — это порядковый номер сегмента и номер подтверждения, которые используются для надёжной доставки. Например, если отправитель шлёт сегмент с SN 100, то получатель может ответить на него ACK 101 SN200, что означает: «Я получил твой сегмент с номером 100 и жду от тебя 101-го, кстати, у меня своя нумерация. Мои номера начинаются с 200» Отправитель, в свою очередь, может ответить SN101 ACK201, что означает «Я получил от тебя сегмент с номером 200, могу принять следующий 201-ый, а вот тебе мой 101-ый сегмент, которого ты ждёшь». Ну и так далее.
- Header length — Это четырёхбитное поле, содержащее в себе длину заголовка TCP сегмента.
- Reserved — 6 зарезервированных на всякий случай бит.
- Control — поле с флагами, которые используются в процессе обмена информацией и описывают дополнительное назначение сегмента. Например, флаг FIN используется для завершения соединений, SYN и ACK — для установки.
- Window — содержит размер окна, о чём было сказано выше.
- Checksumm — контрольная сумма заголовка и данных.
- Urgent — признак важности (срочности) данного сегмента.
- Options — дополнительное необязательное поле, которое может использоваться, например, для тестирования протокола.
- В разделе данных содержатся собственно данные, полученные от протокола уровня приложений, либо их кусок, если данные пришлось разбивать.
