Стек протоколов TCP/IP. Транспортный протокол TCP.

Эти протоколы берут свое начало от одной из первых территориальных сетей ARPANET. Они получили широкое распространение благодаря реализации в ОС Unix и в сети Internet и в настоящее время оформлены в виде стандартов RFC (Requests For Comments) организацией IETF (Internet Engineering Task Force).

TCP/IP - пятиуровневые протоколы, но основными среди них, давшими название всей совокупности, являются протоколы сетевого (IP - Internet Protocol) и транспортного (TCP - Transpоrt Control Protocol) уровней.

TCP - дуплексный транспортный протокол с установлением соединения. Его функции: упаковка и распаковка пакетов на концах транспортного соединения; установление виртуального канала путем обмена запросом и согласием на соединение; управление потоком - получатель при подтверждении правильности передачи сообщает размер окна, т.е. диапазон номеров пакетов, которые получатель готов принять; помещение срочных данных между специальными указателями, т.е. возможность управлять скоростью передачи.

В TCP имеется программа-демон, которая постоянно готова к работе и при приходе запроса генерирует свою копию для обслуживания создаваемого соединения, а сама программа-родитель ждет новых вызовов.

Схема установления соединения в одноранговых сетях такова: инициатор соединения обращается к своей ОС, которая в ответ выдает номер протокольного порта и посылает сегмент получателю. Тот должен подтвердить получение запроса и послать свой сегмент-запрос на создание обратного соединения (так как соединение дуплексное). Инициатор должен подтвердить создание обратного соединения. Получается трехшаговая процедура (handshake) установления соединения. Во время этих обменов партнеры сообщают номера байтов в потоках данных, с которых начинаются сообщения. На противоположной стороне счетчики устанавливаются в состояние на единицу больше, чем и обеспечивается механизм синхронизации в дейтаграммной передаче, реализуемой на сетевом уровне. После установления соединения начинается обмен. При этом номера протокольных портов включаются в заголовок пакета. Каждое соединение (socket) получает свой идентификатор ISN. Разъединение происходит в обратном порядке.

Примечание: ISN в TCP/IP не используется, но предусмотрен в UNIX, так как может потребоваться в лругих протоколах.

Схема установления соединения в сетях "клиент-сервер" аналогична (за исключением handshake) и включает посылку клиентом запроса на соединение (команда ACTIVE_OPEN) с указанием адреса сервера, тайм-аута (времени жизни), уровня секретности. Можно сразу же поместить в запрос данные (тогда команда ACTIVE_OPEN_WITH_DATA). Если сервер готов к связи, он отвечает командой согласия (OPEN_RECEIVED), в которой назначает номер соединения. Далее командой SEND посылаются данные, а командой DELIVER подтверждается их получение. Разъединение выполняется обменом командами CLOSE и CLOSING.

Структура ТСР-пакета (в скобках указано число битов):

• порт отправителя (16);
• порт получателя (16);
• код позиции в сообщении, т.е. порядковый номер первого байта в поле данных (32);
• номер следующего байта (32);
• управление (16);
• размер окна (16), т.е. число байт, которое можно послать до получения подтверждения;
• контрольная сумма (16);
• дополнительные признаки, например срочность передачи (16);
• опции (24);
• заполнитель (8);
• данные.

Нужно отметить, что каждый байт сообщения получает уникальный порядковый номер. Отсюда вытекает одно из ограничений на максимально допустимую в протоколе TCP/IP пропускную способность. Это ограничение составляет (2³² байта) / (время жизни дейтаграммы), так как для конкретного соединения в сети не должно одновременно существовать более одного байта с одним и тем же номером.

Еще более жесткое ограничение возникает из-за представления размера окна всего 16-ю битами. Это ограничение заключается в том, что за время T_v прохождения пакета от отправителя к получателю и обратно в сеть может быть направлено не более 2¹⁶ информационных единиц конкретного сообщения. Поскольку обычно такой единицей является байт, то имеем (2¹⁶*8 бит) / T_{v .} Так, для каналов со спутниками на геостационарных орбитах T_v составляет около 0,5 с и ограничение скорости будет около 1 Мбит/с. Заметно увеличить этот предел можно, если в качестве информационной единицы использовать С байт, С>1.

В ТСР повторная передача пакета происходит, если в течение оговоренного интервала времени Тm (тайм-аута) не пришло положительное подтверждение. Следовательно, не нужно посылать отрицательные квитанции. Обычно Tm=2*t , где t - некоторая оценка времени прохождения пакета туда и обратно. Это время периодически корректируется по результату измерения Tv, а именно

t := 0,9*t + 0,1*Tv.

Попытки повторных передач пакета не могут продолжаться бесконечно, и при превышении интервала времени, устанавливаемого в пределах 0,5...2,0 мин, соединение разрывается.

Размер окна регулируется следующим образом. Если сразу же после установления соединения выбрать завышенный размер окна, что означает разрешение посылки пакетов с высокой интенсивностью, то велика вероятность появления перегрузки определенных участков сети. Поэтому используется алгоритм так называемого медленного старта. Сначала посылается один пакет и после подтверждения его приема окно увеличивается на единицу, т.е. посылаются два пакета. Если вновь положительное подтверждение (потерь пакетов нет), то посылаются уже четыре пакета и т.д. Скорость растет, пока пакеты проходят успешно. При потере пакета или при приходе от протокола управления сигнала о перегрузке размер окна уменьшается и далее опять возобновляется процедура линейного роста размера окна. Медленный старт снижает информационную скорость, особенно при пересылке коротких пакетов, поэтому стараются применять те или иные приемы его улучшения.