Sieci Komputerowe

Protokół TCP

Transmission Control Protocol

dr Zbigniew Lipiński

Instytut Matematyki i Informatyki

ul. Oleska 48

50-204 Opole

[e-mail]

Zagadnienia

Protokół TCP

Transmisja strumieniowa

Niezawodność TCP

Opis Segmentu TCP

Przykład segmentu TCP (TCP Connect Request Telnetu)

Struktura nagłówka segmentu TCP

Porty i połączenia TCP

Aplikacje i protokoły korzystające z TCP

Mechanizm przesuwających się okien

Przesyłanie z użyciem buforów

2

Protokół TCP

TCP, ang. Transmission Control Protocol.

RFC 793

TCP jest protokołem warstwy transportowej modelu OSI.

Pakiet danych TCP nazywa się segmentem.

Protokół TCP jest protokołem połączeniowym umożliwiającym wykrywanie błędów transmisji.

Cechy protokołu TCP:

•

stosuje pozytywne potwierdzanie odbioru danych (pole ACK=1),

•

ma możliwość ustalania priorytetu przesyłania segmentów,

•

ma możliwość kontroli i usuwania błędów (retransmisji niepotwierdzonych pakietów).

3

Protokół połączeniowy

Protokół TCP jest protokołem połączeniowym.

Każdy segment TCP zawiera informacje pozwalające kontrolować transmisję:

•

numer portu, adres IP odbiorcy

(pola: Source port, Source Address)

•

numer portu, adres IP nadawcy

(pola: Destination port, Destination Address)

•

kolejny numer wysłanego segmentu

(pole: Sequence number)

•

wielkość okna

(pole: Window).

Zbiór tych parametrów nazwa się połączeniem (RFC 793).

Budowa połączenia polega na:

•

lokalizacji odbiorcy,

•

ustaleniu parametrów połączenia.

Proces trasmisji składa się z trzech etapów:

•

budowa połączenia,

•

przesyłanie danych,

•

zamknięcie połączenia.

4

Parametry połączenia

Lista parametrów ustalana przy budowie połączenia:

•

port nadawcy, port odbiorcy,

•

adresy IP nadawcy, adres IP odbiorcy,

•

numer ISN (Initial Sequence Number),

•

wielkość okna.

5

Transmisja strumieniowa

W transmisji wykorzystującej protokół TCP między nadawcą a odbiorcą wymieniany jest strumień bajtów.

Protokół TCP nie umieszcza znaczników początku i końca danych, usługa strumienia bajtów (byte stream service).

Jeśli nadawca wyśle kolejno 100 bajtów, 200, 300 bajtów to odbiorca nie wie jakiej wielkości segmenty były wysłane.

Do odbiorcy dane mogą dotrzeć w 4 segmentach po 150 bajtów każdy.

Nadawca wysyła strumień danych i odbiorca odbiera strumień danych.

6

Niezawodność TCP

Protokół TCP umożliwia weryfikację czy transmitowane dane są:

•

uszkodzone

•

zgubione

•

powielone

•

dostarczone w nieodpowiedniej kolejności do odbiorcy.

W celu zapewnienia niezawodności transmisji:

•

każdy wysłany segment danych TCP jest numerowany

•

każdy segment TCP potwierdzający odbiór jest numerowany

•

protokół wykorzystuje mechanizm pozytywnego potwierdzenia z retransmisją PAR, (ang.) Positive Acknowledgment with Re-transmission.

7

Pozytywne potwierdzanie z retransmisja (PAR)

Protokół TCP stosuje mechanizm 'pozytywnego potwierdzania z retransmisja', tzn. potwierdzany jest poprawny odbiór danych.

Nadawca po wysłaniu segmentu TCP, uruchamia zegar mierząc czas oczekiwania na potwierdzenie odbioru.

Po odebraniu segmentu TCP odbiorca wysyła pakiet w którym flaga ACK = 1.

Nadawca wysyła ponownie segment jeżeli:

•

zostanie przesłany komunikat z wartością pola ACK=0 (brak pozytywnego potwierdzenia),

•

po określonym czasie nie nadejdzie potwierdzenie prawidłowego obioru danych.

Odbiorca po prawidłowym odebraniu segmentu TCP wysyła potwierdzenie odbioru do nadawcy.

Jeżeli potwierdzenie nie nadejdzie w określonym czasie, nadawca wysyła segment ponownie.

Pakiet jest wysyłany tak długo dopóki nadawca nie otrzyma potwierdzenia o bezbłędnie odebraniu pakietu.

8

Przykład: Pozytywne Potwierdzanie z Retransmisja

# ----- Naglowek Ethernetowy -----

# ----- Naglowek TCP -----

Packet 7 arrived at 17:37:24.00

Source port = 23

Packet size = 60 bytes

Destination port = 36869

Destination = 8:0:20:86:35:4b, Sun

Sequence number = 2486243368

Acknowledgement number = 1913975089

Source

= 0:e0:f7:26:3f:e9, CISCO Router

Data offset = 20 bytes

Ethertype = 0800 (IP)

Flags = 0x10

# ----- Naglowek IP -----

..0. .... = No urgent pointer

Version = 4

...1 .... = Acknowledgement

Header length = 20 bytes

.... 0... = No push

Type of service = 0x00 (normal)

.... .0.. = No reset

Total length = 40 bytes

.... ..0. = No Syn

Identification = 43773

.... ...0 = No Fin

Flags = 0x0

Window = 8760

.0.. .... = may fragment

Checksum = 0x1c65

..0. .... = last fragment

Urgent pointer = 0

Fragment offset = 0 bytes

No options

Time to live = 252 seconds/hops

Protocol = 6 (TCP)

Header checksum = 3a56

Source address = 150.168.233.2,

server.math.edu.pl

Destination address = 150.168.27.110, client

No options

9

Cechy protokołu TCP

Numerowanie segmentów.

Do numerowania wysłanych segmentów TCP nadawca i odbiorca wykorzystują pole ' Sequence number' w nagłówku protokołu TCP.

Pole ' Sequence number' zawiera liczbę ISN + N, gdzie N jest liczbą odebranych bajtów, przy czym numeruje się pierwszy bajt danych w przesłanym segmencie.

Segmenty TCP są kapsułkowane w warstwie sieci w datagramy IP. Protokół IP jest protokołem bezpołączeniowym bez obsługi błędów dlatego, datagramy IP mogą nie dotrzeć do odbiorcy lub dotrzeć w rożnej kolejności. Pole ' Sequence number‘ pozwala sprawdzić czy jakiś segment TCP nie zaginął, służy również do uporządkowania odebranego strumienia danych we właściwej kolejności.

Obiorca wysyła pakiet z flagą ACK = 1 (pakiety potwierdzające prawidłowy odbiór danych) wykorzystuje pole Numer potwierdzenia (Acknowledgement number) do poinformowania nadawcy o liczbie prawidłowo odebranych bajtów i o spodziewanej wartości w polu ' Sequence number‘.

10

Cechy protokołu TCP

Suma kontrolna w nagłówku segmentu TCP.

Mechanizm sum kontrolnych służy zapewnieniu integralności danych podczas transmisji.

Nagłówek protokołu TCP zawiera pole 'Checksum' .

Wartość pola jest ilością 16-bitowych słów w pseudonagłówku, nagłówku i polu 'dane'.

Jeżeli segment zostanie nadesłany z niepoprawną sumą kontrolną, odbiorca porzuca go i nie wysyła potwierdza odbioru.

11

Cechy protokołu TCP

Sterowanie szybkością transmisji.

Pole 'Window' w nagłówku segmentu TCP służy do informowania nadawcy ile bajtów może odebrać odbiorca.

Zmieniając wartość w polu 'Window' odbiorca może określać wielkość/ilość wysyłanych segmentów.

Np. wysłany segment TCP z wartością pola 'Window = 0' wstrzymuje transmisję.

Jeżeli odległość między nadawcą a obiorcą jest duża (liczona w liczbą routerów) i są możliwe opóżnienia w transmisji, odbiorca danych stopniowo zwiększa wartość pola 'Window ‘ – stosuje mechanizm

‘slow start’.

RFC 2001. Algorytm TCP slow start stosowany przez protokół TCP ma na celu określenie optymalnej wartości dla pola ‘Window’ gdy nadawca i odbioraca znajdują się w różnych sieciach (segamentach sieci).

W segmentach TCP nadawcy i odbiorcy wartość w polu ‘Window’ może być różna.

12

Struktura nagłówka segmentu TCP

Segmentów używa się do:

•

budowy połączenia

•

przesyłania danych

•

potwierdzania

•

wstrzymywania transmisji

•

zamykania połączeń.

Każdy segment podzielony jest na dwie części:

•

'pseudo' nagłówek ,

•

nagłówek TCP.

13

Psedonagłówek TCP

Pseudonagłówek poprzedza nagłówek segmentu TCP (RFC 793).

Wilekość pseudonagłówka 12 bajtów (96 bitów).

Pole:

Adres nadawcy. Wielkość pola: 32 bity. Pole określa adres IP nadawcy.

Pole:

Adres odbiorcy. Wielkość pola: 32 bity. Pole określa adres IP odbiorcy.

Pole:

Zero

Pole:

Protokół. Wielkość pola: 8 bitów. Pole określa typ protokołu. Wartość: 6 oznacza TCP.

Pole:

Długość TCP. Wielkość pola: 16 bitów. Liczba bajtów w nagłówku i polu dane segementu TCP.

W polu nie uwzględnia się wielkości pseudonagłówka.

Bity

1-4

5-8

9-12

13-16

17-20

21-24

25-28

29-32

Source Address

Destination Address

Zero

Protocol

TCP Length

Pseudonagłówek TCP

14

Pola w nagłówku segmentu TCP

Bity

Pole:

Port źródłowy (Source port). Wielkość pola: 16 bitów.

1-4

5-8

9-10

11-12

13-16

17-20

21-24

25-28

29-32

Source port

Destination port

Sequence number

Pole:

Port docelowy (Destination port). Wielkość pola: 16 bitów.

Acknowledgement number

Data

Pola zawierają numery portów aplikacji wymieniających dane. offset Not used

Flags

Window

Checksum

Urgent pointer

Options

Padding

Data …

Pole:

Kolejny numer (Sequence number). Wielkość pola: 32 bity.

Struktura segmentu TCP

Numer pierwszego bajtu przesyłanych danych w segmencie.

Przy nawiązywaniu połączenia, gdy pole SYN= 1, w polu 'kolejny numer' jest wpisywany początkowy numer ISN od którego rozpoczęta będzie numeracja przesyłanych segmentów (pierwszy wysłany bajt danych ma numer ISN + 1).

Liczba ISN jest generowana losowo z gwarancją nie powtórzenia się przez około 4.55 godz..

Pole:

Numer potwierdzenia (Acknowledgement number).

Wielkość pola: 32 bity.

Jeśli pole ACK = 1, to pole 'numer potwierdzenia' zawiera oczekiwaną (następną) wartość w polu 'kolejny numer'.

Pole:

Długość nagłówka (Data offset). Wielkość pola: 4 bity.

Wartość w polu określa liczbę 32-bitowych słów w nagłówku TCP. Pole pozwala określić początek bitów z danymi.

Pole:

Pole nieużywane. Wielkość pola: 6 bitów.

Pole jest przeznaczone dla przyszłych zastosowań.

15

Pola w nagłówku segmentu TCP

Bity

1-4

5-8

9-10

11-12

13-16

17-20

21-24

25-28

29-32

Source port

Destination port

Pole:

Flagi, (Flags). Wielkość pola: 6 bitów.

Sequence number

Pole zawiera parametry określające tryb transmisji.

Acknowledgement number

Data

Atrybuty pola flagi: UGR, ACK, PSH, RST, SYN, FIN. offset Not used

Flags

Window

Checksum

Urgent pointer

Wartości atrybutów pola flagi: 0,1.

Options

Padding

UGR - wskaźnik pilności

Data …

ACK - określa ważność pola numer potwierdzania.

Struktura segmentu TCP

PSH - wskazuje na zastosowanie funkcji wymuszającej.

RST - wyzerowanie połączenia (dla wartości 1 oznacza polecenie zerowania połączenia).

SYN - wskazuje, że w polu 'kolejny numer' umieszczony jest inicjujący numer INS. Wartość 0 oznacza nowe połączenie.

FIN - wartość 1 oznacza koniec połączenia.

Pole:

Okno, (Window). Wielkość pola: 16 bitów.

Pole służy do sterowania transmisją danych.

Pole określa liczbę bajtów jaką może jeszcze odebrać odbiorca (wielkość bufora odbiorcy).

Pole 'Okno' o wartości zero, oznacza, ze nadawca powinien wstrzymać transmisje, dopóki nie otrzyma potwierdzenia z niezerowa wartością pola.

16

Pola w nagłówku segmentu TCP

Pole:

Suma kontrolna (Checksum). Wielkość pola: 16 bitów.

Suma kontrolna jest ilością 16-bitowych słów w pseudonagłówku (12 bajtów), nagłówku i polu dane segmentu TCP .

Jeżeli liczba bajtów jest nieparzysta to dodawany jest bajt zer w polu dane tak, aby suma kontrolna była liczona dla 16-bitowych słów. Dodany bajt zer w polu dane nie jest transmitowany.

Pole:

Priorytet (Urgent pointer). Wielkość pola: 16 bitów.

Pole określa pilności przesyłanego segmentu, jest interpretowane tylko wtedy, gdy flaga 'UGR' ma wartość 1.

Pole zawiera kolejny numer bajtu następującego po pilnych danych.

Pole:

Opcje (Options). Wielkość pola: zmienna, wielokrotność 8 bitów.

Pole zawiera numery opcji, każdy numer zapisany w jednym bajcie.

Dla protokołu TCP zdefiniowano trzy opcje:

0 - koniec listy opcji

1 - brak działania

Bity

1-4

5-8

9-10

11-12

13-16

17-20

21-24

25-28

29-32

2 - maksymalna długość segmentu.

Source port

Destination port

Sequence number

Acknowledgement number

Data

offset

Not used

Flags

Window

Checksum

Urgent pointer

Options

Padding

Data …

Struktura segmentu TCP

17

Pola w nagłówku segmentu TCP

Pole:

Uzupełnienie (Padding). Wielkość pola: zmienna.

Pole zawiera uzupełnienia zerami nagłówka TCP do wielkości 32 bitów.

Pole:

Dane (Data). Wielkość pola: zmienna.

Pole zawiera dane aplikacji.

Bity

1-4

5-8

9-10

11-12

13-16

17-20

21-24

25-28

29-32

Source port

Destination port

Sequence number

Acknowledgement number

Data

offset

Not used

Flags

Window

Checksum

Urgent pointer

Options

Padding

Data …

Struktura segmentu TCP

18

Synchronizacja numeracji segmentów

W procesie synchronizacji 'połączenia TCP' między nadawcą (A) i odbiorcą (B) wymieniane są trzy segmenty TCP.

Proces uzgadniania wartości w polach ' Sequence number‘, ‘Acknowledgement number w wysyłanych i potwierdzanych pakietach (RFC 793).

(1) A ----> B flaga SYN=1,

pole ‘Sequence number=X’, ISN nadawcy (A), Np. X=100

(2) A <---- B flagi ACK=1,

pole ‘Sequence number=Y’, ISN odbiorcy (B),

SYN=1

pole ‘Acknowledgement number=X+1’

Np. SeqNumber=Y = 300, AckNumber = X+1 = 101

(3) A ----> B flaga ACK=1

pole ‘Acknowledgement number=Y+1,

Np. SeqNumber=X+1=101, AckNumber=Y+1=301

19

Synchronizacja numeracji segmentów

Uzgadnionie wartości w polu Sequence number (Kolejny numer) jest wymagana ponieważ, wartości początkowe ISN (initial sequence number) są wyliczane na podstawielokalnego czasu nadawcy i odbiorcy.

Maximum Segment Lifetime (MSL) w sieci dla segmentów TCP wynosi 2 minuty (RFC 793).

Każdy przesłany bajt ma swój ‘sequence number’.

Mechanizm potwierdzania pakietów jest przyrostowy, tzn. potwierdzenie odebrania bajtu o numerze X

(wartość w polu ‘sequence number’=X), oznacza, że potwierdzony jest odbiór strumienia X bajtów.

20

Przykład segmentu TCP

# ----- naglowek ethernetowy -----

# ----- naglowek TCP -----

Packet 10 arrived at 12:35:32.17

Source port = 23

Packet size = 69 bytes

Destination port = 36869

Destination = 8:0:20:85:55:4b, Sun

Sequence number = 2486243368

Source

= 0:e0:f7:22:3f:d9, CISCO Router

Acknowledgement number = 1913975089

Ethertype = 0800 (IP)

Data offset = 20 bytes

# ----- naglowek IP -----

Flags = 0x18

Version = 4

..0. .... = No urgent pointer

Header length = 20 bytes

...1 .... = Acknowledgement

Type of service = 0x00 (normal)

Total length = 55 bytes

.... 1... = Push

Identification = 43775

.... .0.. = No reset

Flags = 0x0

.... ..0. = No Syn

.0.. .... = may fragment

.... ...0 = No Fin

..0. .... = last fragment

Window = 8760

Fragment offset = 0 bytes

Checksum = 0xc10c

Time to live = 252 seconds/hops

Urgent pointer = 0

Protocol = 6 (TCP)

No options

Header checksum = 3a45

# ----- dane aplikacji TELNET: -----

Source address = 152.148.13.32,

dane

server.math.edu.pl

Destination address = 155.181.171.109, client

No options

21

Porty i połączenia TCP

Aby dane trafiły do odpowiednich aplikacji uruchomionych na danym hoscie protokół TCP numeruje połączenia.

Każdemu połączeniu aplikacja przypisuje liczbę, port TCP, z przedziału 1 - 65355.

Gniazdo internetowe TCP, (ang.) TCP internet socket, to adres IP hosta, numeru portu, wartość pola typ portu = TCP.

Aplikacja która chce przesłać dane musi zbudować połączenie:

•

odnaleźć odbiorcę

•

wysłać komunikat z zadaniem budowy połączenia.

Zarezerwowane numery portów dla ' dobrze znanych aplikacji' sieciowych służą serwerom aplikacji do nasłuchiwania żądań usługi przez klientów aplikacji.

Protokoły korzystające w warstwie transportowej z TCP:

ftp,

porty: 20, 21

ssh,

port: 22

telnet,

port: 23

SMTP,

port: 25

kerberos,

porty: 88, 464, 749

22

Transmisja danych między klientem a serwerem FTP

Wielkość okna, pole Window = 8760 bajtów

1.

Klient -> Serwer

TCP SeqNumber: 356870796, AckNumber: 349349990, Window: 8760, 2.

Serwer -> Klient

FTP SeqNumber: 349349990, AckNumber: 356870796, Window: 8760, 3.

Serwer -> Klient FTP Transmisja danych do klienta FTP, wielkość danych: 1460

4.

Serwer -> Klient FTP Transmisja danych do klienta FTP, wielkość danych: 1460

5.

Serwer -> Klient FTP Transmisja danych do klienta FTP, wielkość danych: 1460

6.

Serwer -> Klient FTP Transmisja danych do klienta FTP, wielkość danych: 1460

7.

Serwer -> Klient

TCP SeqNumber: 356870796, AckNumber: 349358750, Window: 4096

Liczba wysłanych bajtów:

AckNumber (pakiet 7) 349358750 - SeqNumber (pakiet 2) 349349990 = 8760 (6*1460) 23

Interfejs Programowy TCP

(TCP Application Programming Interface)

Podstawowe funkkcje API protokołu TCP (RFC 793)

•

Open

To establish a connection takes several parameters, such as: Active/passive, Foreign socket, Local port number, Timeout value (optional). This returns a local connection name, which is used to reference this particular connection in all other functions.

•

Send

Causes data in a referenced user buffer to be sent over the connection. Can optionally set the URGENT flag or the PUSH flag.

•

Receive

Copies incoming TCP data to a user buffer.

•

Close

Closes the connection; causes a push of all remaining data and a TCP segment with FIN flag set.

•

Status

Is an implementation-dependent call that could return information such as: Local and foreign socket, Send and receive window sizes, Connection state, Local connection name.

•

Abort

Causes all pending Send and Receive operations to be aborted.

•

RESET

to be sent to the foreign TCP.

24