16. Протоколы udp и tcp.
User Datagram Protocol - UDP
Протокол UDP- это один из двух протоколов транспортного уровня, которые используются в стеке протоколов TCP/IP. UDP позволяет прикладной программе передавать свои сообщения по сети с минимальными издержками, связанными с преобразованием протоколов уровня приложения в протокол IP. Однако при этом, прикладная программа сама должна заботиться о подтверждении того, что сообщение доставлено по месту назначения. Заголовок UDP-датаграммы (сообщения) имеет вид, показанный на рисунке 2.10.
Рис. 2.10. Структура заголовка UDP-сообщения
Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой (user datagram). UDP-пакет состоит из заголовка и поля данных, в котором размещается пакет прикладного уровня. Заголовок имеет простой формат и состоит из четырех двухбайтовых полей:
UDP source port - номер порта процесса-отправителя,
UDP destination port - номер порта процесса-получателя,
UDP message length - длина UDP-пакета в байтах,
UDP checksum - контрольная сумма UDP-пакета
Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули. Можно отказаться и от подсчета контрольной суммы, однако следует учесть, что протокол IP подсчитывает контрольную сумму только для заголовка IP-пакета, игнорируя поле данных
Порты в заголовке определяют протокол UDP как мультиплексор, который позволяет собирать сообщения от приложений и отправлять их на уровень протоколов. При этом приложение использует определенный порт. Взаимодействующие через сеть приложения могут использовать разные порты, что и отражает заголовок пакета. Всего можно определить 216 разных портов. Первые 256 портов закреплены за, так называемыми "well known services", к которым относятся, например, 53 порт UDP, который закреплен за сервисом DNS.
Поле Lengthопределяет общую длину сообщения. ПолеChecksumслужит для контроля целостности данных. Приложение, которое использует протокол UDP должно само заботится о целостности данных, анализируя поля Checksum и Length. Кроме этого, при обмене данными по UDP прикладная программа сама должна заботится о контроле доставки данных адресату. Обычно это достигается за счет обмена подтверждениями о доставке между прикладными программами.
Наиболее известными сервисами, основанными на UDP, является служба доменных имен BIND и распределенная файловая система NFS. Если возвратиться к примеру traceroute, то в этой программе также используется транспорт UDP. Собственно, именно сообщение UDP и засылается в сеть, но при этом используется такой порт, который не имеет обслуживания, поэтому и порождается ICMP-пакет, который и детектирует отсутствие сервиса на принимающей машине, когда пакет наконец достигает машину-адресата.
Transfer Control Protocol - TCP
Если для приложения контроль качества передачи данных по сети имеет значение, то в этом случае используется протокол TCP. Этот протокол еще называют надежным, ориентированным на соединение и потокоориентированным протоколом. Прежде чем обсудить эти свойства протокола, рассмотрим формат передаваемой по сети датаграммы (рисунок 2.11). Согласно этой структуре, в TCP, как и в UDP, имеются порты. Первые 256 портов закреплены за WKS, порты от 256 до 1024 закреплены за Unix-сервисами, а остальные можно использовать по своему усмотрению. В поле Sequence Numberопределен номер пакета в последовательности пакетов, которая составляет все сообщение, за тем идет поле подтвержденияAsknowledgment Numberи другая управляющая информация.
Рис. 2.11. Структура пакета TCP
Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;
Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;
Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;
Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;
Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;
Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;
Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:
URG - срочное сообщение;
ACK - квитанция на принятый сегмент;
PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
RST - запрос на восстановление соединения;
SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.
Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;
Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;
Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;
Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;
Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.
Надежность TCP заключается в том, что источник данных повторяет их посылку, если только не получит в определенный промежуток времени от адресата подтверждение об их успешном получении. Этот механизм называется Positive Asknowledgement with Retransmission (PAR). Как мы ранее определили, единица пересылки (пакет данных, сообщение и т.п.) в терминах TCP носит название сегмента. В заголовке TCP существует поле контррольной суммы. Если при пересылке данные повреждены, то по контрольной сумме модуль, вычленяющий TCP-сегменты из пакетов IP, может определить это. Поврежденный пакет уничтожается, а источнику ничего не посылается. Если данные не были повреждены, то они пропускаются на сборку сообщения приложения, а источнику отправляется подтверждение.
Ориентация на соединение определяется тем, что прежде чем отправить сегмент с данными, модули TCP источника и получателя обмениваются управляющей информацией. Такой обмен называется handshake(буквально "рукопожатие"). В TCP используется трехфазный hand-shake:
Источник устанавливает соединение с получателем, посылая ему пакет с флагом "синхронизации последовательности номеров" (Synchronize Sequence Numbers - SYN). Номер в последовательности определяет номер пакета в сообщении приложения. Это не обязательно должен быть 0 или единица. Но все остальные номера будут использовать его в качестве базы, что позволит собрать пакеты в правильном порядке;
Получатель отвечает номером в поле подтверждения получения SYN, который соответствует установленному источником номеру. Кроме этого, в поле "номер в последовательности" может также сообщаться номер, который запрашивался источником;
Источник подтверждает, что принял сегмент получателя и отправляет первую порцию данных.
Графически этот процесс представлен на рисунке 2.12.
Рис. 2.12. Установка соединения TCP
После установки соединения источник посылает данные получателю и ждет от него подтверждений о их получении, затем снова посылает данные и т.д., пока сообщение не закончится. Заканчивается сообщение, когда в поле флагов выставляется бит FIN, что означает "нет больше данных".
Потоковый характер протокола определяется тем, что SYN определяет стартовый номер для отсчета переданных байтов, а не пакетов. Это значит, что если SYN был установлен в 0, и было передано 200 байтов, то номер, установленный в следующем пакете будет равен 201, а не 2.
Понятно, что потоковый характер протокола и требование подтверждения получения данных порождают проблему скорости передачи данных. Для ее решения используется "окно" - поле - window. Идея применения window достаточно проста: передавать данные не дожидаясь подтверждения об их получения. Это значит, что источник предает некоторое количество данных равное window без ожидания подтверждения об их приеме, и после этого останавливает передачу и ждет подтверждения. Если он получит подтверждение только на часть переданных данных, то он начнет передачу новой порции с номера, следующего за подтвержденным. Графически это изображено на рисунке 2.13.
Рис. 2.13. Механизм передачи данных по TCP
В данном примере окно установлено в 250 байтов шириной. Это означает, что текущий сегмент - сегмент со смещением относительно SYN, равном 250 байтам. Однако, после передачи всего окна модуль TCP источника получил подтверждение на получение только первых 100 байтов. Следовательно, передача будет начата со 101 байта, а не с 251.
Таким образом, мы рассмотрели все основные свойства протокола TCP. Осталось только назвать наиболее известные приложения, которые использует TCP для обмена данными. Это в первую очередь TELNET и FTP, а также протокол HTTP, который является сердцем World Wide Web.
Прервем немного разговор о протоколах и обратим свое внимание на такую важнейшую компоненту всей системы TCP/IP как IP-адреса.