Формат опций для TCP-сегментов

Рис. 4.4.3.2. Формат опций для TCP-сегментов

Поле данные в TCP-сегменте может и отсутствовать, характер и формат передаваемой информации задается исключительно прикладной программой, теоретически максимальный размер этого поля составляет в отсутствии опций 65495 байт (на практике, помимо MSS, нужно помнить, например, о значении MTU для Ethernet, которое немногим больше 1500 байт). TCP является протоколом, который ориентируется на согласованную работу ЭВМ и программного обеспечения партнеров, участвующих в обмене информацией. Установление связи клиент-сервер осуществляется в три этапа:

1. Клиент посылает SYN-сегмент с указанием номера порта сервера, который предлагается использовать для организации канала связи (active open).
2. Сервер откликается, посылая свой SYN-сегмент, содержащий идентификатор (ISN - Initial Sequence Number). Начальное значение ISN не равно нулю. Процедура называется passive open.
3. Клиент отправляет подтверждение получения SYN-сегмента от сервера с идентификатором равным ISN (сервера)+1.

Стандартная процедура установления связи представлена на рисунке 4.4.3.3 (под словом “стандартная” подразумевается отсутствие каких-либо отклонений от штатного режима, например, одновременного открывание соединения со стороны сервера и клиента). Если же соединение одновременно инициируется клиентом и сервером, в конечном итоге будет создан только один виртуальный канал.

Рис. 4.4.3.3. Алгоритм установления связи. В рамках представлены состояния клиента и сервера; пунктиром отмечены изменения cостояния после посылки сообщения (см. также рис. 4.4.3.4)

Префикс S на рисунке указывает на сервер, а С - на клиента. Параметры в скобках обозначают относительные значения ISN. После установления соединения ISN(S) = s_seq_1, а ISN(C) = c_seq_1.

Каждое соединение должно иметь свой неповторимый код ISN. Для реализации режима соединения прикладная программа на одном конце канала устанавливается в режим пассивного доступа ("passive open"), а операционная система на другом конце ставится в режим активного доступа ("active open"). Протокол TCP предполагает реализацию 11 состояний (established, closed, listen, syn_sent, syn_received и т.д.; см. также RFC-793), переход между которыми строго регламентирован. Машина состояний для протокола TCP может быть описана диаграммой, представленной на рис. 4.4.3.4. Здесь состояние closed является начальной и конечной точкой последовательности переходов. Каждое соединение стартует из состояния closed. Из диаграммы машины состояний видно, что ни одному из состояний не поставлен в соответствие какой-либо таймер. Это означает, что машина состояний TCP может оставаться в любом из состояний сколь угодно долго. Исключение составляет keep-alive таймер, но его работа является опционной, а время по умолчанию составляет 2 часа. Это означает, что машина состояния может оставаться 2 часа без движения. В случае, когда две ЭВМ (C и S) попытаются установить связь друг с другом одновременно, реализуется режим simultaneous connection (RFC-793). Обе ЭВМ посылают друг другу сигналы SYN. При поучении этого сигнала партнеры посылают отклики SYN+ACK. Обе ЭВМ должны обнаружить, что SYN и SYN+ACK относятся к одному и тому же соединению. Когда C и S обнаружат, что SYN+ACK соответствует посланному ранее SYN, они выключат таймер установления соединения и перейдут непосредственно в состояние syn_recvd (смотри рис. 4.4.3.4).

В состоянии established пакет будет принят сервером, если его ISN лежит в пределах s_ack, s_ack+s_wind (s_wind - ширина окна для сервера; см. рис. 4.4.3.5). Аналогичный диапазон ISN для клиента выглядит как: c_ack, c_ack+c_wind (c_wind - ширина окна для клиента). c_wind и s_wind могут быть не равны. Пакеты, для которых эти условия не выполняются, будут отброшены.

Рассмотрим пример установления соединения для случая FTP-запроса (См. также http://www.cis.ohio-state.edu/~dolske/gradwork/cis694q). Пусть клиент С запускает процесс установления FTP-соединения с сервером s. Обычный порядок установления соединения показан ниже (см. рис. 4.4.3.3):

c -> s:syn(ISN_c)
s -> c:syn(ISN_s), ack(ISN_c)
c -> s: ack(ISN_s) (Связь установлена)
c -> s: данные
и/или
s -> c: данные

ISN - идентификатор пакета, посылаемого клиентом (С) или сервером (S). Клиент, послав SYN серверу S, переходит в состояние syn_sent. При этом запускается таймер установления соединения.

Как при установлении соединения, так и при его разрыве приходится сталкиваться с проблемой двух армий. Представим себе, что имеется две армии А и Б, причем Б больше по численности чем А. Армия Б разделена на две части, размещенные по разные стороны от армии А. Если две части армии Б одновременно нападут на армию А, победа гарантирована. В то же время нападение на А одной из частей армии Б обрекает ее на поражение. Но как обеспечить одновременность? Здесь предполагается, что радио еще не изобретено и передача сообщений осуществляется вестовыми, которые в нашем случае могут быть перехвачены врагом. Как убедиться, что вестовой дошел? Первое, что приходит в голову, это послать другого вестового с подтверждением. Но он также с некоторой вероятностью может быть перехвачен. А отправитель не будет знать, дошел ли он. Ведь если сообщение перехвачено, отправитель первичного запроса не выдаст команды на начало, так как не уверен, дошло ли его первое сообщение. Возникает вопрос, существует ли алгоритм, который бы гарантировал надежность синхронизации решений путем обмена сообщениями при ненадежной доставке? Повысит ли достоверность увеличение числа обменов между партнерами? Ответом на этот вопрос будет - нет, не существует. В этом читатель, порассуждав логически, может убедиться самостоятельно. Не трудно видеть, что схожие проблемы возникают в любом протоколе, работающем через установление соединения. Чаще всего эта проблема решается путем таймаутов и повторных попыток (это, слава богу, не война и все обходится без людских жертв).

Сервер, получив SYN, откликается посылкой другого SYN. Когда С получает SYN от S (но не получает ACK, например, из-за его потери или злого умысла), он предполагает, что имеет место случай одновременного открытия соединения. В результате он посылает syn_ack, отключает таймер установления соединения и переходит в состояние syn_received. Сервер получает syn_ack от C, но не посылает отклика. Тогда С ожидает получения syn_ack в состоянии syn_received. Так как время пребывания в этом состоянии не контролируется таймером, С может остаться в состоянии syn_received вечно. Из-за того, что переходы из состояния в состояние не всегда четко определены, протокол TCP допускает и другие виды атак (некоторые из них описаны в разделе “Сетевая безопасность”), там же рассмотрены алгоритмы задания и изменения ISN.

Хотя TCP-соединение является полнодуплексным, при рассмотрении процесса разрыва связи проще его рассматривать как два полудуплексных канала, каждый из которых каналов ликвидируется независимо. Сначала инициатор разрыва посылает сегмент с флагом FIN, сообщая этим партнеру, что не намерен более что-либо передавать (FIN посылается, как правило в результате вызова приложением функции close). Когда получение этого сегмента будет подтверждено (ACK), данное направление передачи считается ликвидированным (реализуется полузакрытие соединения). При этом передача информации в противоположном направлении может беспрепятственно продолжаться. Когда партнер закончит посылку данных, он также пошлет сегмент с флагом FIN. По получении отклика ACK виртуальный канал считается окончательно ликвидированным.

Таким образом, для установление связи требуется обмен тремя сегментами, а для разрыва - четырьмя. Но протокол допускает совмещение первого ACK и второго FIN в одном сегменте, сокращая полное число закрывающих сегментов с четырех до трех.

Партнер, пославший флаг FIN первым, производит активное закрытие соедиения, а противоположный партнер (получивший FIN) отвечает на него своим FIN, осуществляя пассивное закрытие соединения. Инициатором посылки первого FIN может любая из сторон, но чаще это делается клиентом (например, путем ввода команды quit). Полузакрытие используется, например при реализации команды rsh (запуск операций в удаленном узле).

Машина состояний для протокола TCP не предусматривает изменения состояний при посылке или получении обычных пакетов, содержащих данные.

Всего в машине конечных состояний протокола TCP имеется 11 состояний (CLOSED, LISTEN, SYN_RCVD, SYN_SENT и т.д., введены в RFC-793). Состояние CLOSED является начальной и конечной точкой диаграммы. ESTABLISHED указывает на то, что система находится в состоянии с установленным соединением. Четыре состояния в левом углу помещены в границы зеленой зоны и соответствуют активному закрытию. Состояния CLOSE_WAIT и LAST_ACK относятся к пассивному закрытию. Переход из состояния SYN_RCVD в LISTEN возможно, если переход в SYN_RCVD осуществлен из состояния LISTEN, а не из состояния SYN_SENT (одновременное открытие двух соединений, получение RST вместо финального ACK).