Podstawy Protokołu TCP

Podstawy Protokołu TCP/IP

Wprowadzenie

MoŜliwość przesyłania programów i danych między komputerami za pośrednictwem sieci
komputerowej odgrywa niezwykle istotna rolę niemal dla kaŜdego uŜytkownika komputera.

Jednak zbudowanie uniwersalnej sieci (pracującej w oparciu o rozwiązania jednego
producenta) spełniającej wymagania wszystkich uŜytkowników jest praktycznie niemoŜliwe.
UŜytkownicy dobierają więc rozwiązania techniczne sieci stosownie do swoich potrzeb,
tworząc niezaleŜne sieci słuŜące określonej grupie osób. Zapewnienie wymiany informacji i
komunikacji pomiędzy róŜnymi sieciami jest jednakŜe trudnym problemem technicznym.

W wyniku niezwykle dynamicznego rozwoju techniki opracowano jednak rozwiązania
umoŜliwiające połączenie wielu róŜnych sieci fizycznych, tak Ŝeby funkcjonowały jako
skoordynowana całość. Praca w intersieci (ang. internetworking) polega na przystosowaniu
do siebie róŜnych rozwiązań sprzętowych, udostępniając sposób łączenia ze sobą
niejednorodnych sieci. Technika intersieci pozwala komputerom na komunikowanie się
niezaleŜnie od fizycznych połączeń sieciowych.

Niniejsza praca przedstawia podstawowe zasady, na których opiera się funkcjonowanie sieci
złoŜonej, będące wynikiem prac wspieranych przez amerykańską instytucję - Advanced
Research Project Agency (ARPA).

Organizacja ta zaproponowała zbiór standardów określających szczegóły komunikacji
między komputerami, a takŜe szczegółów dotyczących łączenia sieci i wyboru trasy w sieci
nazwane TCP/IP (od głównych protokołów wchodzących w ich skład). TCP/IP (ang.
Transmission Control Protocol / Internet Protocol) nie jest więc pojedynczym produktem. Jest
to uogólniona nazwa całej rodziny protokołów i oprogramowania udostępniającego szereg
usług sieciowych. Podstawę ich stanowią jednak dwa typy usług wykorzystywanych przez
wszystkie programy uŜytkowe.

Usługa bezpołączeniowego przenoszenia pakietów - stanowi podstawę wszystkich innych
usług intersieciowych. Przenoszenie bez uŜycia połączenia oferuje większość sieci
wymieniających pakiety i oznacza, Ŝe intersieć kieruje przesyłaniem niewielkich porcji danych
przy pomocy informacji adresowych, zawartych w kaŜdej takiej porcji. PoniewaŜ usługi
bezpołączeniowe bezpośrednio tłumaczą się na czynności sprzętu, rozwiązanie to jest
efektywne, ponadto umoŜliwia łatwą adaptację protokołów TCP/IP do szerokiej gamy sprzętu.
Ubocznym skutkiem tej metody przesyłania danych jest to, Ŝe usługi bezpołączeniowe kierują
kaŜdym pakietem oddzielnie, w związku z czym nie ma Ŝadnej pewności, Ŝe pakiety zostaną
dostarczone do odbiorcy w określonej kolejności, nie ma teŜ pewności, Ŝe w ogóle zostaną
dostarczone.

Usługa transportu niezawodnymi strumieniami wychodzi naprzeciw tym problemom.
Posiada ona mechanizmy, które pozwalają wykryć błędy w transmisji danych czy teŜ
zagubienie pakietu. Usługa transportu niezawodnymi strumieniami umoŜliwia programowi
uŜytkowemu na jednym komputerze ustanowienie “połączenia” z programem uŜytkowym na
drugim komputerze, a następnie wysyłanie danych tak jak gdyby to było stałe, bezpośrednie
połączenie. NaleŜy jednak mocno podkreślić, Ŝe jest to połączenie wirtualne - strumień danych
nadal jest dzielony na mniejsze porcje i w tej postaci przesyłany jest do odbiorcy.

PoniewaŜ wiele sieci zapewnia usługi podobne do powyŜszych, warto wskazać podstawowe
cechy odróŜniające usługi TCP/IP od innych:

Sieć TCP/IP oparta jest na zwykłej technice wymiany pakietów, funkcjonuje więc

niezaleŜnie od jakiegokolwiek dostępnego sprzętu.

Intersieć TCP/IP umoŜliwia komunikowanie się dowolnej pary komputerów, które

łączy. Jest to moŜliwe dzięki rozpoznawaniu kaŜdego komputera przez unikalny w
skali światowej adres, jednoznacznie rozpoznawany w całej intersieci. Informacja
adresowa słuŜy takŜe do podejmowania decyzji o wyborze trasy pakietu od nadawcy
do odbiorcy.

Protokoły TCP/IP umoŜliwiają potwierdzanie między nadawcą a odbiorcą

docelowym, nawet gdy komputery nie są podłączone do tej samej sieci fizycznej.

Oprócz wspomnianych podstawowych usług protokoły TCP/IP oferują standardy dla

wielu programów uŜytkowych takich jak: poczta elektroniczna, transfer plików,
zdalna praca. W efekcie w programach uŜytkowych moŜna wykorzystywać gotowe,
istniejące juŜ usługi.

Tak więc rodzina protokołów TCP/IP moŜe być uŜywana do komunikacji w dowolnym
zbiorze połączonych sieci. Ponadto moŜna wykorzystać protokoły TCP/IP do połączenia
swoich wewnętrznych sieci chociaŜ nie mają połączenia z sieciami z zewnątrz. Technika
TCP/IP jest szczególnie interesująca z uwagi na fakt, Ŝe stanowi podstawowe rozwiązanie
ś

wiatowej intersieci - INTERNETU.

Działanie i niezwykle dynamiczny rozwój sieci INTERNET świadczy o sile i przenośności
techniki TCP/IP.

***

Model TCP/IP

Podstawowym załoŜeniem modelu TCP/IP jest podział całego zagadnienia komunikacji
sieciowej na szereg współpracujących ze sobą warstw (ang. layers). KaŜda z nich moŜe być
tworzona przez programistów zupełnie niezaleŜnie, jeŜeli narzucimy pewne protokoły według
których wymieniają się one informacjami. ZałoŜenia modelu TCP/IP są pod względem
organizacji warstw zbliŜone do

modelu OSI

. Jednak ilość warstw jest mniejsza i bardziej

odzwierciedla prawdziwą strukturę Internetu. Model TCP/IP składa się z czterech warstw.

Warstwa aplikacji

Warstwa procesowa czy warstwa aplikacji (ang. process layer) to najwyŜszy poziom, w
którym pracują uŜyteczne dla człowieka aplikacje takie jak, np. serwer WWW czy
przeglądarka internetowa. Obejmuje ona zestaw gotowych protokołów, które aplikacje
wykorzystują do przesyłania róŜnego typu informacji w sieci.

Warstwa transportowa

Warstwa transportowa (ang. host-to-host layer) zapewnia pewność przesyłania danych oraz
kieruje właściwe informacje do odpowiednich aplikacji. Opiera się to na wykorzystaniu

portów

określonych dla kaŜdego połączenia. W jednym komputerze moŜe istnieć wiele

aplikacji wymieniających dane z tym samym komputerem w sieci i nie nastąpi wymieszanie
się przesyłanych przez nie danych. To właśnie ta warstwa nawiązuje i zrywa połączenia
między komputerami oraz zapewnia pewność transmisji.

Warstwa sieciowa

Warstwa sieciowa lub warstwa protokołu internetowego (ang. internet protocol layer) to
sedno działania Internetu. W tej warstwie przetwarzane są datagramy posiadające

adresy IP

Ustalana jest odpowiednia droga do docelowego komputera w sieci. Niektóre urządzenia
sieciowe posiadają tę warstwę jako najwyŜszą. Są to

routery

, które zajmują się kierowaniem

ruchu w Internecie, bo znają

topologię sieci

. Proces odnajdywania przez routery właściwej

drogi określa się jako

trasowanie

Warstwa dostępu do sieci

Warstwa dostępu do sieci lub warstwa fizyczna (ang. network access layer) jest najniŜszą
warstwą i to ona zajmuje się przekazywaniem danych przez fizyczne połączenia między
urządzeniami sieciowymi. Najczęściej są to

karty sieciowe

lub

modemy

. Dodatkowo warstwa

ta jest czasami wyposaŜona w protokoły do dynamicznego określania adresów IP.

Aplikacje i warstwa transportowa

W warstwie transportowej moŜe istnieć wiele protokołów, które współegzystują w jednej
sieci. Ich algorytmy powinny być optymalizowane, aby zapewnić:

•

niezawodny transfer danych

•

duŜą przepustowość

•

mały czas reakcji.

Niezawodny transfer danych oznacza zapewnienie, Ŝe jeŜeli tylko istnieje taka moŜliwość,
kaŜdy komunikat dotrze do odbiorcy. DuŜa przepustowość określa ilość informacji jaką
moŜna przesłać w zadanych czasie. Czas reakcji (

ping

) musi być jak najmniejszy, co jest

niezbędne, aby ograniczyć opóźnienie w komunikacji. W praktyce nie da się pogodzić
wszystkich trzech wymogów względem warstwy transportowej. Zwykle poprawa jednego z
nich dokonuje się kosztem pozostałych. Aby rozwiązać ten problem w sieciach
komputerowych zaprojektowano szereg protokołów warstw transportowych. Projektant
tworzący aplikację musi w takiej sytuacji wybrać, który protokół najlepiej sprawdzi się w
jego oprogramowaniu oraz sieci.

Niezawodny transfer danych

Niektóre zastosowania, takie jak

poczta elektroniczna

, przesyłanie wiadomości

błyskawicznych, transfer plików,

terminale

sieciowe, pobieranie

stron internetowych

transakcje finansowe wymagają niezawodnego przesyłania danych, czyli bez utraty danych.
Utrata danych pliku lub danych transakcji finansowej moŜe mieć przecieŜ fatalne
konsekwencje (w drugim przypadku dla banku lub klienta!). Zastosowania tolerujące utratę
danych, wśród których najbardziej wyróŜniają się

media strumieniowe

, mogą pozwolić sobie

na przepadniecie określonej ilości danych. W przypadku zastosowań multimedialnych utrata
danych moŜe spowodować niewielkie zakłócenia podczas odtwarzania danych obrazu lub
dźwięku, które nie wpłyną znacząco na jakość. Wpływ utraty danych na jakość pracy
aplikacji i rzeczywista liczba pakietów danych, które mogą przepaść, w duŜym stopniu zaleŜy
od aplikacji i zastosowanego schematu kodowania.

Przepustowość

Aby efektywnie działać, niektóre aplikacje muszą być w stanie transmitować dane z określoną
szybkością. Jeśli na przykład aplikacja

telefonii internetowej

koduje

głos

z szybkością 32

kb/s, z taką samą szybkością musi mieć moŜliwość przesyłania danych w sieci i dostarczania
ich do aplikacji odbiorczej. Jeśli wymagana przepustowość nie jest dostępna, aplikacja
zaleŜna od przepustowości będzie zmuszona do kodowania z inną szybkością (i uzyskania
przepustowości wystarczającej do kontynuowania procesu) lub powinna przerwać operację,
poniewaŜ np. połowa Ŝądanej przepustowości to zdecydowanie za mało dla tego typu
aplikacji. Wiele aktualnie istniejących aplikacji multimedialnych jest zaleŜnych od
przepustowości. Jednak aplikacje

multimedialne

, które powstaną w przyszłości, w celu

kodowania z szybkością dostosowaną do aktualnie dostępnej przepustowości mogą stosować

adaptacyjne

metody kodowania. Aplikacje zaleŜne od przepustowości wymagają określonej

przepustowości, natomiast aplikacje elastyczne są w stanie skorzystać z takiej
przepustowości, jaka w danej chwili będzie dostępna. Przykładami takich aplikacji są

programy pocztowe

, słuŜące do przesyłania

plików

stron internetowych

. Oczywiście im

większa przepustowość, tym lepiej.

Czas reakcji

Ostatnim z wymagań dotyczących aplikacji jest czas. Aby efektywnie funkcjonować,
interaktywne zastosowania

czasu rzeczywistego

, takie jak telefonia internetowa, wirtualne

rodowiska,

telekonferencje

i gry dla wielu osób (

MMO

), Ŝądają dostarczania danych w

czasie o niewielkim zakresie tolerancji. Przykładowo, wiele z tych zastosowań wymaga, aby
opóźnienia międzywęzłowe miały wartość kilkuset milisekund lub mniejszą. DuŜe opóźnienia
w przypadku telefonii internetowej powodują zwykle nienaturalne przerwy w rozmowie.
Znaczne opóźnienie między wykonaną czynnością i uzyskaną odpowiedzią (na przykład od
innego gracza znajdującego się na drugim końcu połączenia) występujące w przypadku gier
dla wielu osób lub w interaktywnym środowisku wirtualnym sprawiają, Ŝe aplikacja wydaje
się działać nie do końca w czasie rzeczywistym.

Właściwości

Protokoły te mają następujące cechy charakterystyczne:

•

dobrą odtwarzalność po awarii

•

moŜliwość dodawania nowych sieci bez przerywania pracy istniejących

•

wysoki współczynnik korekcji błędów

•

niezaleŜność od platformy

•

mały stopień obciąŜenia danych własnymi strukturami

•

duŜą wydajność

Protokoły TCP i IP łącznie zarządzają przepływem większości danych przez sieć. IP
odpowiada za przesyłanie dowolnych danych z punktu do punktu i zawiera w sobie na
przykład TCP lub UDP. Zadaniem TCP jest:

•

uzgadnianie toŜsamości (

handshake

)

•

zarządzanie pakietami (mogą docierać do adresata w innej kolejności, niŜ były
wysłane)

•

sterowanie przepływem

•

wykrywanie i obsługę błędów

Para TCP+IP jest stosowana do tzw. transmisji połączeniowej, gdzie zagwarantowany jest
przepływ danych dowolnej długości w obydwie strony, lub zwrotne poinformowanie nadawcy
o nieusuwalnym błędzie.

Para protokołów UDP+IP jest najczęściej uŜywanym standardem do tzw. transmisji
bezpołączeniowej, czyli przesyłania w jedną stronę, bez potwierdzania odbioru, niewielkich
paczek danych zwanych datagramami.

Model TCP/IP a Internet

KaŜdy protokół sieciowy moŜna przyporządkować do określonej warstwy modelu TCP/IP.
Pewną szczególną cechą rodziny protokołów

TCP/IP

uŜywanej w internecie jest podział

protokołów z warstwy aplikacyjnej i połączeniowej. Niektóre protokoły z warstwy aplikacji
wykorzystują tylko pewne protokoły z warstwy transportowej.

Protokoły

DNS

NTP

wykorzystują tylko protokół

UDP

z warstwy transportowej. Protokoły

FTP

SMTP

POP3

SSH

IRC

posługują się tylko

TCP

. Natomiast

SMB

uŜywa obu

protokołów.

Protokół

SSL

ma szczególną rolę. MoŜe zostać umieszczony pomiędzy kaŜdym

połączeniowym protokołem warstwy aplikacji, a TCP. Dzięki jego wykorzystaniu dane
przesyłane przez aplikacje mogą zostać

zaszyfrowane

Niektóre protokoły z warstwy aplikacji, jak np. SMB nie działają zwykle w Internecie. Są
wykorzystane w

sieciach lokalnych

do udostępniania usług, jak np. zdalne

drukarki

czy dyski.

W systemie

Linux

oraz innych klonach

Uniksa

dokładną listę protokołów transportowych

moŜna znaleźć w pliku:

/etc/protocols

a listę protokołów z warstwy aplikacji w pliku

/etc/services

W systemach z rodziny

Windows NT

, odpowiednie pliki znajdują się w katalogu

%ROOTDIR%\system32\drivers\etc

gdzie

%ROOTDIR

to katalog z systemem, domyślnie:

c:\windows\system32\drivers\etc

Od ogólnego modelu TCP/IP są w Internecie wyjątki. Przykładem moŜe być tutaj usługa

ping

w której aplikacja wysyła bezpośrednio pakiety ICMP w celu ustalenia jakości połączenia z
innym komputerem.