Протоколы транспортного уровня (стр. 2 из 5)

Что такое протокол пользовательских датаграмм?

UDP весьма похож на IP в том смысле, что они оба ненадежные, не ориентированные на соединение протоколы, пользующиеся датаграммами. Они оба переносят данные между компьютерами, однако только UDP умеет распознать то приложение среди многих, работающих внутри компьютера, которому предназначены данные. Как правило, сеть назначает таким приложениям определенный номер порта. Итак, UDP пользуется датаграммами для доставки данных. Точно так же, как IP прицепляет к данным IP-заголовок, UDP прицепляет к ним UDP-заголовок. Структура UDP-заголовка намного проще. На рис. 5.1 изображена структура UDP-датаграммы. UDP-заголовок содержит четыре поля: «порт-источник», «порт-получатель», «длина сообщения» и «контрольная сумма».

Длина UDP-заголовка — восемь байтов. Поля портов состоят из 16-битных целых чисел, представляющих номера портов протоколов. Поле «порт-источник» содержит номер порта, которым пользуется приложение-источник данных. Поле «порт-получатель» соответственно указывает на номер порта приложения-получателя данных. Поле «длина сообщения» определяет длину (в байтах) UDP-датаграммы, включая UDP-заголовок. Наконец, поле «контрольная сумма», в отличие от контрольной суммы IP-заголовка, содержит результат суммирования всей UDP-датаграммы, включая ее данные, область которых начинается сразу после заголовка.

Примечание: Несмотря на то, что контрольная сумма UDP включает область данных, подсчитывать и помещать ее в заголовок не обязательно. Такое поведение не характерно, например, для протоколов IP или TCP. Последние обязаны подсчитать и включить в свой заголовок контрольную сумму.

Модуль UDP отслеживает появление вновь прибывших датаграмм, сортирует их и распределяет (демультиплексирует) в соответствии с портами назначения. На рис. 5.2 показан поток данных, следующий сквозь сетевой уровень и модуль UDP к прикладным программам.

Рис..2. Поток данных через модуль UDP

Что такое транспортный протокол?

Транспортный протокол (TransportControlProtocol, TCP) наряду с протоколом IP — один из наиболее распространенных в Интернет. Так же, как и UDP, TCP служит для передачи данных между сетевым и прикладным уровнями сетевой модели. По сравнению с UDPTCP устроен гораздо сложнее. И это понятно — ведь ему приходится обеспечивать надежную, потоковую, ориентированную на соединение службу доставки данных. Другими словами, TCP сам следит за доставкой данных, а также за правильной последовательностью передаваемых пакетов. В отличие от TCP протокол пользовательских датаграмм (UDP) доставки данных не гарантирует. Не обеспечивает он и правильной последовательности прихода датаграмм.

TCP пытается оптимизировать пропускную способность сети, то есть увеличивает производительность доставки пакетов в Интернет, насколько это вообще возможно. Для этого он динамически управляет потоком данных в соединении. Если буфер приемника данных на принимающем конце переполняется, TCP просит передающую сторону снизить скорость передачи.

Рассмотрим, каким образом протокол управления транспортировкой пользуется услугами IP для передачи данных между двумя компьютерами. Может показаться странным, что TCP умудряется пользоваться ненадежным IP и при этом оставаться надежным. Также может казаться удивительным, что TCP, пользуясь не ориентированным на соединение IP, остается ориентированным на соединение. Наконец, как получается, что TCP доставляет данные в виде потока байтов, тогда как IP пересылает датаграммы? Последующие абзацы ответят на все эти вопросы и устранят возможные недоразумения. Постигая секреты TCP, вы должны помнить о том, что его данные всегда переносит IP. To есть данные TCPвсегда упаковываются в IP-датаграммы.

Обеспечение надежности

Для обеспечения надежной доставки и правильной последовательности данных в потоке TCP пользуется подтверждениями. Как только пункт назначения принимает блок данных, он передает подтверждение о приеме источнику данных. Источнику данных это сообщение говорит: «Все в порядке. Я принял твои данные». Каждый раз при передаче сообщения модуль TCP запускает специальный таймер. По истечении заданного в нем времени и не получении подтверждения TCP повторяет попытку передать свое сообщение. На рис. 5.3 схематично показана работа такой системы.

Рис. .3. Передача данных с простым подтверждением о доставке

К несчастью, простое подтверждение о доставке, изображенное на рис. 5.3, работает исключительно неэффективно. Одна из сторон соединения вынуждена все время ждать появления подтверждения о доставке от другой стороны. Вскоре вы узнаете, что на самом деле TCP не использует такую простейшую схему подтверждения, при которой пакеты и подтверждения следуют по очереди друг за другом.

Что такое скользящее окно?

TCP не посылает один пакет, ожидая прихода подтверждения, чтобы послать следующий. Вместо этого он использует принцип «скользящего окна». Этот принцип позволяет послать несколько сообщений и только потом ожидать подтверждения. «Скользящее окно» проиллюстрировано на рис. 5.4.

Рис. .4. Скользящее окно TCP

Что такое транспортный протокол?

Выражаясь образно, TCP как бы накладывает окно на поток данных, ожидающих передачи, и передает все данные, попавшие в окно. Приняв подтверждение о доставке всех данных, TCP перемещает окно дальше по потоку и передает следующие попавшие в него сообщения. Работая сразу с несколькими сообщениями, TCP может одновременно «выставить» их на сетевой канал и только потом ожидать прихода подтверждения. Метод скользящего окна значительно увеличивает производительность соединения, а также эффективность циклов обмена сообщениями и подтверждениями об их доставке. Рис. 5.5 иллюстрирует цикл обмена сообщение-подтверждение TCP.

Рис. .5. Передача сообщений и подтверждений о доставке по схеме скользящего окна

Передатчик и приемник на рис. 5.5 используют скользящее окно шириной в три пакета. То есть передатчик сначала высылает три пакета и только после ждет прихода подтверждения. Приняв подтверждение о доставке третьего последнего пакета, передатчик может посылать следующие три.

TCP регулирует полосу пропускания сети, договариваясь с другой стороной о некоторых параметрах потока данных. Причем процесс регулировки происходит на протяжении всего соединения TCP. В частности, регулировка заключается в изменении размеров скользящего окна. Если сеть загружена не сильно и вероятность столкновения данных минимальна, TCP может увеличить размер скользящего окна. При этом скорость выдачи данных на канал увеличивается и соединение становится более эффективным, поскольку через сеть проходит больше данных за одно и то же время.

Если, наоборот, вероятность столкновения данных велика, TCP уменьшает размер скользящего окна. Если размер скользящего окна, изображенного на рис. 5.4, принять равным восьми пакетам при обычном сетевом трафике, то в худших условиях, когда Интернет сильно загружен, его размер может уменьшиться до пяти. Наоборот, когда данных в сети немного, размер окна может увеличиться, например, до 10—20 пакетов.

Имейте в виду, что представленная на рис. 5.4 и описанная в предыдущих абзацах схема несколько упрощена. На самом деле TCP задает размер окна в байтах. То есть размер окна по умолчанию может равняться нескольким тысячам байтов, а не восьми, десяти и двенадцати байтам, как в предыдущем примере. Как правило, модуль TCP передает несколько сегментов, прежде чем скользящее окно заполнится целиком. Большинство систем в Интернет устанавливают окно равным по умолчанию 4096 байтам. Иногда размер окна равен 8192 или 16384 байтам.

Сообщение TCP

Блок данных TCP принято называть сообщением или сегментом. Оба эти термина вполне корректны и широко употребляются в литературе, посвященной Интернет. Мы, однако, по причинам, которые обсудим ниже, на протяжении всей книги будем употреблять термин «сегмента.TCP рассматривает свои данные в качестве однородного, неделимого потока. Тем не менее для доставки данных он вынужден использовать IP-датаграммы. Прикладной программе, однако, совершенно не обязательно знать, что ее поток данных переносят датаграммы. TCP делает этот процесс прозрачным для всех приложений, работающих через него.

Где бы вы не встретили термин «сообщением, относящийся к TCP, можете смело подставлять туда термин «сегмента. Почему? Потому, что каждое сообщение TCP, доставленное датаграммой протокола Интернет, является на самом деле ТСР-сегментом. Сегмент TCP состоит из TCP-заголовка, TCP-опций и данных, переносимых сегментом. На рис. 5.6 изображена структура сегмента TCP. Несмотря на то, что заголовок показан состоящим как бы из нескольких уровней, на самом деле он является последовательным потоком данных, длиной как минимум в 20 байтов. В табл. 5.2 кратко описано назначение каждого поля заголовка TCP. Способы применения каждого поля будут обсуждены в следующих абзацах.