Как называется идентификатор используемый драйвером tcp для обмена данными

Обновлено: 05.07.2024

Протокол TCP является одним из важнейших протоколов связи в компьютерных сетях. В этой статье познакомимся с ним поближе.

Что такое транспортные протоколы

Транспортные протоколы (TCP и UDP) используются для передачи информации. Информация передаётся маленькими частями – сетевыми пакетами. То есть поток информации разбивается на много маленьких пакетов.

Каждый пакет состоит из заголовка и самих данных. Заголовок содержит служебную информацию, например порт источника и назначения.

Особенности TCP

Главной особенностью TCP (Transmission Control Protocol) является то, что он гарантирует доставку всех отправленных пакетов. При этом проверяется целостность пакетов и их порядок. Если пакет потерялся или испортился, то получатель запросит эти пакеты у отправителя снова. Если пакеты пришли не в том порядке, то они на принимающей стороне всё равно обработаются в правильном. Этот механизм контроля доставки накладывает дополнительную нагрузку в виде увеличения служебной информации, которую нужно передать вместе с полезными данными.

TCP делит поток информации на сегменты. В одном сегменте может быть несколько пакетов. Каждый сегмент проверяется на целостность, и если все хорошо, отправляется подтверждение передающей стороне. Таким образом подтверждается не каждый пакет, а каждый сегмент, но в сегменте может оказаться и всего лишь один пакет.

Поверх протокола TCP работают многие прикладные протоколы:

TCP пакеты передаются не просто так, а в рамках установленного соединения – которое называют TCP сессией.

Подключение можно выполнить только если вторая сторона прослушивает порт, к которому будет выполняться подключение.

Алгоритм работы TCP

Алгоритм работы TCP следующий:

1. Используя трехкратное рукопожатие, между двумя узлами создаётся сеанс связи.
2. При отправке пакетов узлы последовательно нумеруют их и рассчитывают контрольную сумму.
3. Поскольку все пакеты имеют последовательные номера, то становится видно если какие-то из них отсутствуют. В этом случае отправляется запрос на повторную отправку пакета.
4. Если для какого-то пакета не совпала контрольная сумма, то отправляется запрос на повторную отправку пакета.

При открытии даже одной веб странички создаются несколько TCP соединений для:

• html страницы;
• каждого CSS и JavaScript файлов;
• каждого изображения.

И для каждого такого соединения вначале устанавливается сеанс, что замедляет передачу данных.

Заголовок TCP пакета

Заголовок TCP пакета состоит из следующих полей:

• Порт отправителя.
• Порт получателя.
• Порядковый номер в сегменте (sequence number). В целях безопасности это значение генерируется случайным образом и может быть равно от 0 до 4294967295;
• Номер подтверждения (acknowledgment number). Когда мы подтверждаем определённый пакет, в нем записывается sequence number подтверждаемого пакета.
• Длина заголовка (data offset). В этом поле указывается длина заголовка TCP пакета и где начинаются фактические данные.
• Зарезервированное поле. Эти биты зарезервированы для будущего использования.
• Флаги. Необходимы для дополнительной функциональности. Например, позволяют установить или разорвать соединение, включить или выключить защиту от перегрузки сети и тому подобное.
• Размер окна (Window Size). Указывается количество байт, считая от последнего номера подтверждения, которые готов принять отправитель данного пакета. То есть, какой у него в данный момент времени размер буфера.
• Контрольная сумма (Checksum). Используется для проверки на наличие ошибок при приеме или передачи пакетов. Рассчитывается с учетом заголовка (кроме контрольной суммы) и самих данных.
• Указатель срочности (Urgent pointer). Используется, если стоит флаг URG. По этому значению определяются срочные данные и они сразу же передаются приложению. Остальные данные попадают в буфер.
• Дополнительные опции. Необязательно, но используются почти всегда.
• Заполнение (Padding). Дополняет заголовок, пока он не закончится на 32-разрядной границе. Всегда состоит только из нулей.

Флаги в заголовке TCP

Создание TCP сессии

Для установления соединения использует трехкратное рукопожатие.

Первый этап. Клиент отправляет на сервер пакет с флагом SYN. При этом клиент устанавливает порядковый номер сегмента на случайное значение A.

Второй этап. В ответ сервер отвечает пакетом с флагами SYN и ACK. Номер подтверждения установлен на единицу больше принятого (A+1). Поскольку сервер также будет отправлять данные, то для себя он тоже выбирает номер первого пакета, который будет другим случайным числом B.

Третий этап. Клиент отправляет ACK на сервер. Порядковый номер устанавливается равным A+1, а номер подтверждения устанавливается на B+1.

На этом этапе клиент и сервер получили подтверждение соединения и образовали двухстороннюю связь.

Передача данных в TCP

Теперь разберём пример передачи данных в уже установленном сеансе.

Клиент отравляет запрос к серверу. Поскольку данные поместились в один пакет TCP, он получил флаг PSH, чтобы сервер не ждал продолжение получения данных. При этом пакет получил 2 флага: ACK (подтвердил предыдущею передачу пакетов от сервера) и PSH.

В ответ на это сервер отправляет пакет ACK с номером успешно полученных данных.

Далее сервер обработал запрос и отправляет данные клиенту. Эти данные делятся на пакеты и отправляются сегментами.

Далее клиент подтверждает, что данные получены отправляя пакеты с флагом ACK.

Завершение сеанса TCP

Завершение сеанса использует четырёхкратное рукопожатие, причём каждая сторона завершает своё соединение независимо.

Когда одна из сторон хочет остановить свою половину соединения, она передаёт пакет FIN, который другая сторона подтверждает пакетом с ACK.

После того, как сторона, отправившая первый FIN, ответила с последним ACK, она ожидает некоторое время прежде чем окончательно закрыть соединение. В течение этого времени локальный порт недоступен для новых соединений.

Соединение может быть «полуоткрытым», и в этом случае одна сторона завершила свою часть, а другая — нет. Завершившая сторона больше не может отправлять какие-либо данные, но другая сторона может. Завершающая сторона должна продолжить чтение данных, пока другая сторона также не завершит свою работу.

Также возможно разорвать соединение трёхкратным рукопожатием, когда первая сторона отправляет FIN, а вторая отвечает FIN и ACK (просто объединяет 2 шага в один). Дальше первая сторона подтверждает завершение сеанса с помощью ACK.

Состояния сеанса TCP

Сеанс TCP может находится в следующих состояниях:

• CLOSED – начальное состояние;
• LISTEN – сервер ожидает запросы от клиента;
• SYN-SENT – клиент хочет установить соединение с сервером и ожидает подтверждение;
• SYN-RECEIVED – сервер получил запрос на создание сеанса, отправил ответный запрос и ожидает подтверждение;
• ESTABLISHED – соединение установлено, идёт передача данных;
• FIN-WAIT-1 – одна из сторон завершает соединение, отправив флаг FIN;
• CLOSE-WAIT – другая сторона переходит в это состояние, отправив подтверждение на FIN, но продолжает передачу;
• FIN-WAIT-2 – первый узел получил ACK, разорвал свое соединение, но еще читает данные;
• LAST-ACK – второй узел заканчивает передачу и отправляет флаг FIN;
• TIME-WAIT – сервер получил пакет с флагом FIN, отправил флаг ACK и ждёт некоторое время, перед окончательным закрытием соединения;
• CLOSING – обе стороны инициировали закрытие соединения одновременно.

Вот мы и познакомились с одним из самых важных протоколов сети Интернет. Разобрались с его особенностями, алгоритмом работы. Узнали про сеансы TCP, пакеты и сегменты.

TCP - это протокол транспортного уровня, предоставляющий транспортировку (передачу) потока данных, с необходимостью предварительного установления соединения, благодаря чему гарантирует уверенность в целостности получаемых данных, также выполняет повторный запрос данных в случае потери данных или искажения. Помимо этого протокол TCP отслеживает дублирование пакетов и в случае обнаружения - уничтожает дублирующиеся пакеты. TCP - это аббревиатура от Transmission Control Protocol (Протокол Управления Передачей) - является обязательным протоколом стандарт TCP/IP, определенный в стандарте RFC 793, "Transmission Control Protocol (TCP)".

В отличие от протокола UDP гарантирует целостность передаваемых данных и подтверждения отправителя о результатах передачи. Используется при передаче файлов, где потеря одного пакета может привести к искажению всего файла.

TCP обеспечивает свою надежность благодаря следующему:

• Данные от приложения разбиваются на блоки определенного размера, которые будут отправлены.
• Когда TCP посылает сегмент, он устанавливает таймер, ожидая, что с удаленного конца придет подтверждение на этот сегмент. Если подтверждение не получено по истечении времени, сегмент передается повторно.
• Когда TCP принимает данные от удаленной стороны соединения, он отправляет подтверждение. Это подтверждение не отправляется немедленно, а обычно задерживается на доли секунды
• TCP осуществляет расчет контрольной суммы для своего заголовка и данных. Это контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения, целью которой является выявить любое изменение данных в процессе передачи. Если сегмент прибывает с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его и подтверждение не генерируется. (Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут и осуществит повторную передачу.)
• Так как TCP сегменты передаются в виде IP датаграмм, а IP датаграммы могут прибывать беспорядочно, также беспорядочно могут прибывать и TCP сегменты. После получения данных TCP может по необходимости изменить их последовательность, в результате приложение получает данные в правильном порядке.
• Так как IP датаграмма может быть продублирована, принимающий TCP должен отбрасывать продублированные данные.
• TCP осуществляет контроль потока данных. Каждая сторона TCP соединения имеет определенное пространство буфера. TCP на принимающей стороне позволяет удаленной стороне посылать данные только в том случае, если получатель может поместить их в буфер. Это предотвращает от переполнения буферов медленных хостов быстрыми хостами.

Заголовок TCP

• Порядковый номер выполняет две задачи:
• • Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности — ISN (Initial Sequence Number), и первый байт данных, которые будут переданы в следующем пакете, будет иметь номер последовательности, равный ISN + 1.
  • В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот номер последовательности.

  Рассмотрим структуру заголовка TCP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

  
  

  TCP порты

  Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки TCP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

  Номер порта — это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

  Каждый отдельный порт сервера TCP может предложить общий доступ к нескольким соединениям, потому что все TCP соединения идентифицируются двумя значениями: IP-адресом и TCP портом (сокет).

  Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

  TCP программы используют зарезервированные или хорошо известные номера портов, как показано на следующем рисунке.

  
  

  Установление соединения TCP

  Давайте теперь посмотрим, как устанавливается TCP-соединения. Предположим, что процесс, работающий на одном хосте, хочет установить соединение с другим процессом на другом хосте. Напомним, что хост, который инициирует соединение называется «клиентом», в то время как другой узел называется «сервером».

  Перед началом передачи каких-либо данных, согласно протоколу TCP, стороны должны установить соединение. Соединение устанавливается в три этапа (процесс «трёхкратного рукопожатия» TCP).

  • Запрашивающая сторона (которая, как правило, называется клиент) отправляет SYN сегмент, указывая номер порта сервера, к которому клиент хочет подсоединиться, и исходный номер последовательности клиента (ISN).
  • Сервер отвечает своим сегментом SYN, содержащим исходный номер последовательности сервера. Сервер также подтверждает приход SYN клиента с использованием ACK (ISN + 1). На SYN используется один номер последовательности.
  • Клиент должен подтвердить приход SYN от сервера своим сегментов SYN, содержащий исходный номер последовательности клиента (ISN+1) и с использованием ACK (ISN+1). Бит SYN установлен в 0, так как соединение установлено.

  
  

  После установления соединения TCP, эти два хоста могут передавать данные друг другу, так как TCP-соединение является полнодуплексным, они могут передавать данные одновременно.

  
  

  Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.

  Основы TCP/IP

  Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть — интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую, с целью обеспечить такую возможность был разработан стек интернет-протоколов также известный как TCP/IP.

  Разработкой этих протоколов занималось Министерство обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:

  
  

  Уровневая модель TCP/IP

  Три верхних уровня — прикладной, транспортный и сетевой — присутствуют как в RFC, так и у Таненбаума и других авторов. А вот стоит ли говорить только о канальном или о канальном и физическом уровнях — нет единого мнения. В RFC они объединены, поскольку выполняют одну функцию. В статье мы придерживаемся официального интернет-стандарта RFC и не выделяем физический уровень в отдельный. Далее мы рассмотрим четыре уровня модели.

  Канальный уровень (link layer)

  Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.

  Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, но мы рассмотрим его на примере в конце статьи.

  Межсетевой уровень (internet layer)

  Каждая индивидуальная сеть называется локальной, глобальная сеть интернет позволяет объединить все локальные сети. За объединение локальных сетей в глобальную отвечает сетевой уровень. Он регламентирует передачу информации по множеству локальных сетей, благодаря чему открывается возможность взаимодействия разных сетей.

  Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.

  Маска подсети и IP-адреса

  
  

  Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.

  Протокол интернета — IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Он имеет два подвида, первым был принят IPv4 (IP version 4, версии 4) в 1983 году.

  IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2 32 ). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает его класс, классов всего 4: A, B, C, D.

  IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:

  Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по следующим правилам: ведущие нули допускается опускать, например в адресе выше :00FF: позволяется записывать как :FF:, группы нулей, идущие подряд тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие, например, 2DAB:FFFF::01AA:00FF:DD72:2C4A. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6.

  IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации, он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.

  ICMP и IGMP

  
  

  ICMP никогда не вызывается сетевыми приложениями пользователя, кроме случаев диагностики сети, к примеру, пинг (ping) или traceroute (tracert). ICMP не передает данные, это отличает его от транспортных TCP и UDP, расположенных на L3, которые переносят любые данные. ICMP работает только с IP четвертой версии, с IPv6 взаимодействует ICMPv6.

  Сетевые устройства объединяются в группы при помощи IGMP, используемый хостами и роутерами в IPv4 сетях. IGMP организует multicast-передачу информации, что позволяет сетям направлять информацию только хостам, запросившим ее. Это удобно для онлайн-игр или потоковой передаче мультимедиа. IGMP используется только в IPv4 сетях, в сетях IPv6 используется MLD (Multicast Listener Discovery, протокол поиска групповых слушателей), инкапсулированный в ICMPv6.

  Транспортный уровень (transport layer)

  Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.

  TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум хостам производить обмен пакетами через установку соединения. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.

  UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.

  UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.

  Протоколы L3 не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.

  Прикладной уровень (application layer)

  В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.

  Зачем нужен порт и что означает термин сокет

  Приложения прикладного уровня, общаются также с предыдущим, транспортным, но они видят его протоколы как «черные ящики». Для приема-передачи информации они могут работать с TCP или UDP, но понимают только конечный адрес в виде IP и порта, а не принцип их работы.

  IP присваивается каждому компьютеру межсетевым уровнем, но обмен данными происходит не между компьютерами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP, для идентификации приложений применяют порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом или гнездом (socket). Поэтому обмен информацией происходит между сокетами. Нередко слово сокет употребляют как синоним для хоста или пользователя, также сокетом называют гнездо подключения процессора.

  Из привилегий у приложений на прикладном уровне можно выделить наличие собственных протоколов для обмена данными, а также фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.

  
  

  Процесс, кодирования данных на прикладном уровне, передача их на транспортном, а затем на межсетевом и, наконец, на канальном уровне называется инкапсуляцией данных. Обратная передача битов информации по иерархии, с канального на прикладной уровни, называют декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.

  Стек протоколов, снова канальный уровень

  О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего, давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и, что значит «стек».

  Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet называется фреймом или кадром (frame).

  MAC-адрес каждого устройства уникален и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать, хотя порой такое случается, что приводит к сетевым проблемам. Таким образом, при получении сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации из кадра и ее дальнейшей обработкой.

  После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

  На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

  Point-to-Point протоколы

  
  

  Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости, PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).

  У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.

  PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.

  Заключение

  Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием в здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.

  Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.

  Transport Control Protocol

  Реализация TCP, как правило, встроена в ядро ОС, хотя есть и реализации TCP в контексте приложения.

  Содержание

  Заголовок сегмента TCP

  Порт источника

  Порт источника идентифицирует приложение клиента, с которого отправлены пакеты. По возвращении данные передаются клиенту на основании номера порта источника.

  Порт назначения

  Порт назначения идентифицирует порт, на который отправлен пакет.

  TCP-порты

  Существует набор служб (использующих для передачи данных TCP), за которыми закреплены определенные порты:

  Номер последовательности

  Номер последовательности выполняет две задачи:

  Поскольку поток TCP в общем случае может быть длиннее, чем число различных состояний этого поля, то все операции с номером последовательности должны выполняться по модулю 2^32. Это накладывает практическое ограничение на использование TCP. Если скорость передачи коммуникационной системы такова, чтобы в течение MSL (максимального времени жизни сегмента) произошло переполнение номера последовательности, то в сети может появиться два сегмента с одинаковым номером, относящихся к разным частям потока, и приёмник получит некорректные данные.

  Номер подтверждения

  Если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.

  Смещение данных

  Зарезервировано

  Зарезервировано (6 бит) для будущего использования и должно устанавливаться в ноль. Из них два (5-й и 6-й) уже определены:

  Флаги (управляющие биты)

  Это поле содержит 6 битовых флагов:

  В этом поле содержится число, определяющее в байтах размер данных, которые отправитель готов принять.

  Псевдозаголовок

  TCP-псевдозаголовок IPv4

  Биты	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
  0-31	IP-адрес отправителя (Source address)
  32-63	IP-адрес получателя (Destination address)
  64-95	0	0	0	0	0	0	0	0	Протокол (Protocol)								Длина TCP-сегмента (TCP length)

  TCP-псевдозаголовок IPv6

  Контрольная сумма

  Указатель важности

  16-битовое значение положительного смещения от порядкового номера в данном сегменте. Это поле указывает порядковый номер октета, которым заканчиваются важные (urgent) данные. Поле принимается во внимание только для пакетов с установленным флагом URG.

  Опции

  Могут применяться в некоторых случаях для расширения протокола. Иногда используются для тестирования. На данный момент в опции практически всегда включают 2 байта NOP (в данном случае 0x01) и 10 байт, задающих timestamps. Вычислить длину поля опции можно через значение поля смещения.

  Механизм действия протокола

  • Установка соединения
  • Передача данных
  • Завершение соединения

  Состояния сеанса TCP

  
  

  Упрощённая диаграмма состояний TCP. Более подробно в TCP EFSM diagram (на английском языке)

  Состояния сеанса TCP
  CLOSED	Начальное состояние узла. Фактически фиктивное
  LISTEN	Сервер ожидает запросов установления соединения от клиента
  SYN-SENT	Клиент отправил запрос серверу на установление соединения и ожидает ответа
  SYN-RECEIVED	Сервер получил запрос на соединение, отправил ответный запрос и ожидает подтверждения
  ESTABLISHED	Соединение установлено, идёт передача данных
  FIN-WAIT-1	Одна из сторон (назовём её узел-1) завершает соединение, отправив сегмент с флагом FIN
  CLOSE-WAIT	Другая сторона (узел-2) переходит в это состояние, отправив, в свою очередь сегмент ACK и продолжает одностороннюю передачу
  FIN-WAIT-2	Узел-1 получает ACK, продолжает чтение и ждёт получения сегмента с флагом FIN
  LAST-ACK	Узел-2 заканчивает передачу и отправляет сегмент с флагом FIN
  TIME-WAIT	Узел-1 получил сегмент с флагом FIN, отправил сегмент с флагом ACK и ждёт 2*MSL секунд, перед окончательным закрытием соединения
  CLOSING	Обе стороны инициировали закрытие соединения одновременно: после отправки сегмента с флагом FIN узел-1 также получает сегмент FIN, отправляет ACK и находится в ожидании сегмента ACK (подтверждения на свой запрос о разъединении)

  Установка соединения

  Процесс начала сеанса TCP - обозначаемое как "рукопожатие" (handshake), состоит из 3 шагов.

  1. Клиент, который намеревается установить соединение, посылает серверу сегмент с номером последовательности и флагом SYN.

  • Сервер получает сегмент, запоминает номер последовательности и пытается создать сокет (буферы и управляющие структуры памяти) для обслуживания нового клиента.
    • В случае успеха сервер посылает клиенту сегмент с номером последовательности и флагами SYN и ACK, и переходит в состояние SYN-RECEIVED.
    • В случае неудачи сервер посылает клиенту сегмент с флагом RST.

    2. Если клиент получает сегмент с флагом SYN, то он запоминает номер последовательности и посылает сегмент с флагом ACK.

    • Если он одновременно получает и флаг ACK (что обычно и происходит), то он переходит в состояние ESTABLISHED.
    • Если клиент получает сегмент с флагом RST, то он прекращает попытки соединиться.
    • Если клиент не получает ответа в течение 10 секунд, то он повторяет процесс соединения заново.

    3. Если сервер в состоянии SYN-RECEIVED получает сегмент с флагом ACK, то он переходит в состояние ESTABLISHED.

    • В противном случае после тайм-аута он закрывает сокет и переходит в состояние CLOSED.

    Процесс называется "трехэтапным согласованием" ("three way handshake"), так как несмотря на то что возможен процесс установления соединения с использованием 4 сегментов (SYN в сторону сервера, ACK в сторону клиента, SYN в сторону клиента, ACK в сторону сервера), на практике для экономии времени используется 3 сегмента.

    Пример базового 3-этапного согласования:

    В строке 2 TCP A начинает передачу сегмента SYN, говорящего об использовании номеров последовательности, начиная со 100. В строке 3 TCP B передает SYN и подтверждение для принятого SYN в адрес TCP A. Надо отметить, что поле подтверждения показывает ожидание TCP B приема номера последовательности 101, подтверждающего SYN с номером 100.

    Передача данных

    При обмене данными приемник использует номер последовательности, содержащийся в получаемых сегментах, для восстановления их исходного порядка. Приемник уведомляет передающую сторону о номере последовательности байт, до которой он успешно получил данные, включая его в поле «номер подтверждения». Все получаемые данные, относящиеся к промежутку подтвержденных последовательностей, игнорируются. Если полученный сегмент содержит номер последовательности больший, чем ожидаемый, то данные из сегмента буферизируются, но номер подтвержденной последовательности не изменяется. Если впоследствии будет принят сегмент, относящийся к ожидаемому номеру последовательности, то порядок данных будет автоматически восстановлен исходя из номеров последовательностей в сегментах.

    Для того, чтобы передающая сторона не отправляла данные интенсивнее, чем их может обработать приемник, TCP содержит средства управления потоком. Для этого используется поле «окно». В сегментах, направляемых от приемника передающей стороне в поле «окно» указывается текущий размер приемного буфера. Передающая сторона сохраняет размер окна и отправляет данных не более, чем указал приемник. Если приемник указал нулевой размер окна, то передача данных в направлении этого узла не происходит, до тех пор пока приемник не сообщит о большем размере окна.

    В некоторых случаях передающее приложение может явно затребовать протолкнуть данные до некоторой последовательности принимающему приложению, не буферизируя их. Для этого используется флаг PSH. Если в полученном сегменте обнаруживается флаг PSH, то реализация TCP отдает все буферизированные на текущий момент данные принимающему приложению. «Проталкивание» используется, например, в интерактивных приложениях. В сетевых терминалах нет смысла ожидать ввода пользователя после того, как он закончил набирать команду. Поэтому последний сегмент, содержащий команду, обязан содержать флаг PSH, чтобы приложение на принимающей стороне смогло начать её выполнение.

    Завершение соединения

    Завершение соединения можно рассмотреть в три этапа:

    1. Посылка серверу от клиента флагов FIN и ACK на завершение соединения.
    2. Сервер посылает клиенту флаги ответа ACK , FIN, что соединение закрыто.
    3. После получения этих флагов клиент закрывает соединение и в подтверждение отправляет серверу ACK , что соединение закрыто.

    Известные проблемы

    Максимальный размер сегмента

    TCP требует явного указания максимального размера сегмента (MSS) в случае, если виртуальное соединение осуществляется через сегмент сети, где максимальный размер блока (MTU) менее, чем стандартный MTU Ethernet (1500 байт).

    В протоколах туннелирования, таких как GRE, IPIP, а также PPPoE MTU туннеля меньше чем стандартный, поэтому сегмент TCP максимального размера имеет длину пакета больше, чем MTU. Поскольку фрагментация в подавляющем большинстве случаев запрещена, то такие пакеты отбрасываются.

    Проявление этой проблемы выглядит как «зависание» соединений. При этом «зависание» может происходить в произвольные моменты времени, а именно тогда, когда отправитель использовал сегменты длиннее допустимого размера.

    Для решения этой проблемы на маршрутизаторах применяются правила Firewall-а, добавляющие параметр MSS во все пакеты, инициирующие соединения, чтобы отправитель использовал сегменты допустимого размера.

    MSS может также управляться параметрами операционной системы.

    Обнаружение ошибок при передаче данных

    Хотя протокол осуществляет проверку контрольной суммы по каждому сегменту, используемый алгоритм считается слабым [1]. Так в 2008 году не обнаруженная сетевыми средствами ошибка в передаче одного бита, привела к остановке серверов системы Amazon Web Services [2].

    В общем случае распределенным сетевым приложениям рекомендуется использовать дополнительные программные средства для гарантирования целостности передаваемой информации[3].

    Атаки на протокол

    Недостатки протокола проявляются в успешных теоретических и практических атаках, при которых злоумышленник может получить доступ к передаваемым данным, выдать себя за другую сторону или привести систему в нерабочее состояние.

    Реализация

    Освобождение от расчёта контрольной суммы

    Многие реализации стека TCP/IP предоставляют возможности использования аппаратной поддержки для автоматического расчёта контрольной суммы в сетевом адаптере до передачи в сеть или после приёма из сети для верификации. Это может освобождать операционную систему от использования ценных тактов процессора при вычислении контрольной суммы.

    Эта функция может приводить к тому, что анализаторы трафика, перехватывающие исходящие пакеты до их передачи в сетевой адаптер и не знающие о делегировании расчёта контрольной суммы сетевому адаптеру, могут сообщать об ошибке контрольной суммы в исходящих пакетах.

    
    

    По нашему опыту, когда дело доходит до низкоуровневого анализа TCP девять из десяти ИТ специалистов в компаниях среднего и крупного бизнеса чувствуют себя неуверенно. Не могут точно сказать, что такое ретрансмиссии, размер окна и т.д. Большинство материалов в интернете по этой теме больше походят на научные работы. В этой статье мы попытаемся донести с практической точки зрения, что же полезного прячет в себе протокол TCP для того, кто занимается анализом сетевого трафика.

    В каких случаях нам нужен анализ TCP пакетов?

    Как показывает практика, современные системы анализа сетевого трафика имеют большую базу протоколов и готовых шаблонов для программного обеспечения. Это позволяет без труда разбивать транзакции на логические части. К сожалению, далеко не для всех задач бизнеса удаётся найти готовые продукты и в каждой компании обязательно найдётся парочка «самописных» или кастомизированных приложений. Как же анализировать трафик от таких приложений?

    База анализатора трафика не имеет информации, в каком бите содержится код реквеста, какой код соответствует респонсу и т.д. В таких ситуациях приходится прибегать к самым азам сетевой науки – TCP анализу. Давайте рассмотрим, что прячет внутри себя этот протокол.

    По своей сути TCP является протоколом транспортного уровня. Он позволяет осуществить соединение одного сокета (IP-адрес + порт) хоста источника с сокетом хоста назначения. Заголовок IP будет содержать информацию, связанную с IP-адресами, а заголовок TCP — информацию о порте.

    Заголовок TCP

    Заголовки TCP перемещаются по сети для установления, поддержки и завершения TCP-соединений, а также передачи данных.

    
    

    Рисунок 1. Заголовок TCP

    В заголовке TCP содержаться следующие поля:

    Перед тем, как данные могут быть переданы между двумя узлами, в TCP, в отличие от UDP, предусмотрена стадия установки соединения. Также, после того, как все данные были переданы, наступает стадия завершения соединения. Таким образом, осуществление каждого TCP-соединения можно условно разделить на три фазы:

    Установка соединения осуществляется с помощью, так называемого трехстороннего рукопожатия TCP. Инициатором соединения может выступать любая сторона. Однако чтобы упростить рассмотрения данного вопроса в рамках данной статьи, мы рассмотрим пример, когда клиент инициализирует соединение с сервером.

    
    

    Рисунок 2. Трехстороннее рукопожатие TCP

    (Пакет №1). Клиент отправляет пакет с установленным флагом SYN и случайным числом («R1»), включенным в поле порядкового номера (sequence number).

    (Пакет №2). При получении пакета №1 сервер в ответ отправляет пакет с установленным флагом SYN, а также с установленным флагом ACK. Поле порядкового номера будет содержать новое случайное число («R2»), а поле номера подтверждения будет содержать значение порядкового номера клиента, увеличенного на единицу (то есть «R1 + 1»). Таким образом, он будет соответствовать следующему порядковому номеру, который сервер ожидает получить от клиента.

    (Пакет №3). В ответ на пакет SYN от сервера (пакет №2) клиент отправляет пакет с установленным флагом ACK и полем номера подтверждения с числом «R2 + 1». По аналогии, это число будет соответствовать следующему порядковому номеру, который клиент ожидает получить от сервера.

    После инициализации соединения полезная нагрузка будет перемещаться в обоих направлениях TCP-соединения. Все пакеты в обязательном порядке будут содержать установленный флаг ACK. Другие флаги, такие как, например, PSH или URG, могут быть, а могут и не быть установленными.

    
    

    Рисунок 3. Завершение TCP-соединения

    • Keep-alive или повторное использование соединений

    Подписывайтесь на рассылку, делитесь статьями в соцсетях и задавайте вопросы в комментариях!

    Читайте также:

      
    • Отсутствует корневой сертификат гуц 1с
      
    • One drive что это за программа и нужна ли она на телефоне
      
    • Как нарезать спрайты в фотошопе
      
    • Любая программа грузит процессор на 100
      
    • Как работает javascript в браузере