Протокол TCP

120

C# и .NET --- Сетевое программирование --- Протокол TCP

TCP или Transmission Control Protocol, используется как надежный протокол, обеспечивающий взаимодействие через взаимосвязанную сеть компьютеров. TCP проверяет, что данные доставляются по назначению и правильно.

TCP — это ориентированный на соединения протокол, предназначенный для обеспечения надежной передачи данных между процессами, выполняемыми или на одном и том же компьютере или на разных компьютерах. Термин "ориентированный на соединения" означает, что два процесса или приложения прежде чем обмениваться какими-либо данными должны установить TCP-соединение. В этом TCP отличается от протокола UDP, являющегося протоколом "без организации соединения", позволяющим выполнять широковещательную передачу данных неопределенному числу клиентов.

Когда приложение отправляет данные, используя TCP, они перемещаются вниз по стеку протоколов. Данные проходят по всем уровням и в конце концов передаются через сеть как поток битов. Каждый уровень в наборе протоколов TCP/IP добавляет к данным некоторую информацию в форме заголовков.

Когда пакет прибывает на конечный узел в сети, он снова проходит через все уровни снизу доверху. Каждый уровень проверяет данные, отделяя от пакета свою информацию в заголовке и наконец данные достигают серверного приложения в той же самой форме, в какой они покинули приложение-клиент:

Прежде чем рассматривать, как TCP устанавливает соединение с другим хостом TCP, приведем несколько терминов, которые необходимо определить:

Сегмент: Порция данных, которую TCP отправляет IP, называется сегментом TCP.
Дейтаграмма: Порция данных, которую IP отправляет уровню сетевого интерфейса, называется дейтаграммой IP.
Порядковый номер: Каждый сегмент TCP, отправленный через соединение, имеет назначенное ему число, которое называется "порядковым номером" (sequence number). Оно используется, чтобы гарантировать прибытие данных в правильном порядке.

Чтобы понять, как работает TCP, вкратце рассмотрим структуру заголовка TCP:

Порядковые номера и номера подтверждений используются TCP, чтобы гарантировать, что все данные прибывают в правильном порядке, а биты управления содержат разнообразные флаги, указывающие статус данных. Таких битов управления (обычно представляемых трехбуквенными сокращениями) всего шесть:

URG — указывает, что сегмент содержит срочные данные.
ACK — указывает, что сегмент содержит номер подтверждения.
PSH — указывает, что данные нужно протолкнуть к получающему пользователю.
RST — сбрасывает соединение.
SYN — используется для синхронизации порядковых номеров.
FIN — указывает конец данных.

Для установления соединения TCP использует процесс, называемый "трехфазным квитированием" (Three-Phase Handshake). Как следует из названия, этот процесс включает три шага:

Клиент инициирует взаимодействие с сервером, посылая сегмент с установленным битом SYN. Этот сегмент содержит начальный порядковый номер клиента.
Сервер отвечает отправкой сегмента с установленными битами SYN и ACK. Этот сегмент содержит начальный порядковый номер сервера (не связанный с порядковым номером клиента) и номер подтверждения, на единицу больший порядкового номера клиента (т.е. равный следующему порядковому номеру, ожидаемому от клиента).
Клиент должен подтвердить этот сегмент отправкой обратно сегмента с установленным битом ACK. Номер подтверждения будет на единицу больше порядкового номера сервера, а порядковый номер будет равен номеру подтверждения сервера (т. е. на единицу больше начального порядкового номера клиента).

Теперь, узнав в общих чертах, как TCP устанавливает соединения, рассмотрим немного подробнее несколько операций TCP, чтобы понять, как TCP передает данные.

TCP передает данные порциями, которые называются сегментами. Чтобы гарантировать правильное и в должном порядке получение сегментов, каждому из них назначается порядковый номер. Получатель отправляет подтверждение получения сегмента. Если подтверждение не получено до истечения интервала - тайм-аута, данные отправляются еще раз. Каждому октету (восьми битам) данных назначается порядковый номер. Порядковый номер сегмента равен порядковому номеру первого октета данных в сегменте и это число отправляется в заголовке TCP данного сегмента.

TCP использует порядковые номера, чтобы гарантировать, что дублирующие данные получающему приложению переданы не будут и данные будут доставлены в правильном порядке. Заголовок TCP содержит контрольную сумму, чтобы гарантировать корректность данных при доставке. Если получен сегмент с неверной контрольной суммой, он просто отбрасывается, и подтверждение не отправляется. Это означает, что, когда значение тайм-аута истечет, отправитель повторит передачу сегмента.

TCP управляет объемом направляемых ему данных, возвращая с каждым подтверждением "размер окна". "Окно" — это объем данных, который может принять получатель. Между прикладной программой и потоком данных в сети располагается буфер данных. "Размер окна" фактически представляет собой разность между размером буфера и объемом сохраненных в нем данных. Это число отправляется в заголовке, чтобы информировать удаленный хост о текущем размере окна. Такой прием называется "скользящим окном" ("Sliding Window").

На рисунке ниже показан алгоритм Sliding Window, управляющий потоком данных, передаваемых в сети:

Полученные данные сохраняются в этом буфере, и приложение может обращаться к буферу и считывать из него данные со свойственной ему скоростью. По мере того как приложение считывает данные, буфер опустошается и может принимать следующие данные, поступающие из сети.

Если приложение считывает данные из буфера слишком медленно, размер окна падает до нуля, и удаленный хост получает команду прекратить передачу данных. Как только локальное приложение обработает данные в буфере, размер окна возрастает и поступление данных из сета возобновляется. Если размер окна больше размера пакета, отправитель знает, что получатель может хранить одновременно несколько пакетов, что повышает производительность.

TCP дает возможность нескольким процессам на одной машине одновременно использовать сокет TCP. Сокет TCP состоит из адреса хоста и уникального номера порта, а TCP-соединение включает два сокета на разных концах сети. Порт может использоваться для нескольких соединений одновременно — один сокет на одном конце может использоваться для нескольких соединений с разными сокетами на другом конце. Примером этой ситуации служит Web-cepвep, слушающий порт 80 и отвечающий на запросы от нескольких компьютеров.