Протокол TCP. Функции протокола по мультиплексированию и демультиплексированию.
Главной целью протокола TCP является обеспечение надежного, безопасного сервиса для логических цепей или соединений между парами процессов. Чтобы обеспечить такой сервис, основываясь на менее надежных коммуникациях Internet, система должна иметь возможности для работы в следующих областях:
базовая передача данных
достоверность
управление потоком
разделение каналов
работа с соединениями
приоритет и безопасность
Базовая передача данных
Протокол TCP способен передавать непрерывные потоки октетов между своими клиентами в обоих направлениях, пакуя некое количество октетов в сегменты для передачи через системы Internet. В общем случае протоколы TCP решают по своему усмотрению, когда производить блокировку и передачу данных.
Иногда пользователям бывает необходимо убедиться в том, что все данные, переданные ими протоколу TCP, уже отправлены. Для этой цели определена функция проталкивания (push). Чтобы убедиться в том, что данные, отправленные протоколу TCP, действительно переданы, отправитель указывает, что их следует протолкнуть к получателю.
Проталкивание приводит к тому, что программы протокола TCP сразу осуществляют отправление и, соответственно, получение остающихся данных. Правильно осуществленное проталкивание может быть невидимо для получателя, а сама функция проталкивания может не иметь маркера границы записи.
Достоверность
Протокол TCP должен иметь защиту от разрушения данных, потери, дублирования и нарушения очередности получения, вызываемых коммуникационной системой Internet. Это достигается присвоением очередного номера каждому передаваемому октету, а также требованием подтверждения (ACK) от программы TCP, принимающей данные. Если подтверждения не получено в течении контрольного интервала времени, то данные посылаются повторно. Со стороны получателя номера очереди используются для восстановления очередности сегментов, которые могут быть получены в неправильном порядке, а также для ограничения возможности появления дубликатов.
Повреждения фиксируются посредством добавления к каждому передаваемому сегменту контрольной суммы, проверки ее при получении и последующей ликвидации дефектных сегментов.
До тех пор, пока программы протокола TCP продолжают функционировать корректно, а система Internet не развалилась полностью на составные части, ошибки пересылки не будут влиять на правильное получение данных. Протокол TCP защищает от ошибок коммуникационной системы Internet.
Управление потоком
Протокол TCP дает средства получателю управлять количеством данных, посылаемых ему отправителем. Это достигается возвратом так называемого "окна" (window) вместе с каждым подтверждением, которое указывает диапазон приемлемых номеров, следующих за номером последнего успешно принятого сегмента. Окно определяет количество октетов, которое отправитель может послать до получения дальнейших указаний.
Разделение каналов
Чтобы позволить на отдельно взятом компьютере многим процессам одновременно использовать коммуникационные возможности уровня TCP, протокол TCP предоставляет на каждом хост-компьютере набор адресов или портов. Вместе с адресами сетей и хост-компьютеров на коммуникационном уровне Internet они образуют сокет (socket - разъем).
Каждое соединение уникальным образом идентифицируется парой сокетов. Таким образом, любой сокет может одновременно использоваться во многих соединениях.
Соотнесение портов и процессов осуществляется каждым хост- компьютером самостоятельно. Однако оказывается полезным связывать часто используемые процессы (такие как "logger" или сервис с разделением времени) с фиксированными документированными сокетами.
Этот сервис можно впоследствии использовать через известные адреса. Установка и настройка адресов портов для других процессов может включать более динамичные механизмы.
Работа с соединениями
Механизмы управления потоком и обеспечения достоверности, описанные выше, требуют, чтобы программы протокола TCP инициализировали и поддерживали определенную информацию о состоянии каждого потока данных. Набор такой информации, включающий сокеты, номера очереди, размеры окон, называется соединением. Каждое соединение уникальным образом идентифицируется парой сокетов на двух концах.
Если два процесса желают обмениваться информацией, соответствующие программы протокола TCP должны сперва установить соединение (на каждой стороне инициализировать информацию о статусе). По завершении обмена информацией соединение должно быть расторгнуто или закрыто, чтобы освободить ресурсы для предоставления другим пользователям.
Поскольку соединения должны устанавливаться между ненадежными хост-компьютерами и через ненадежную коммуникационную систему Internet, то во избежание ошибочной инициализации соединений используется механизм подтверждения связи с хронометрированными номерами очереди.
Приоритет и безопасность
Пользователи протокола TCP могут затребовать для своего соединения приоритет и безопасность. Предусмотрены принимаемые по умолчанию характеристики соединений, когда такие параметры не требуются.
Протокол TCP взаимодействует через межуровневые интерфейсы с ниже лежащим протоколом IP и с выше лежащими протоколами прикладного уровня или приложениями.
В то время как задачей сетевого уровня, к которому относится протокол IP, является передача данных между произвольными узлами сети, задача транспортного уровня, которую решает протокол TCP, заключается в передаче данных между любыми прикладными процессами, выполняющимися на любых узлах сети. Действительно, после того как пакет средствами протокола IP доставлен в компьютер-получатель, данные необходимо направить конкретному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, более того, прикладной процесс тоже может иметь несколько точек входа, выступающих в качестве адреса назначения для пакетов данных.
Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются операционной системой в виде множества очередей к точкам входа различных прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие системные очереди называются портами. Таким образом, адресом назначения, который используется протоколом TCP, является идентификатор (номер) порта прикладной службы. Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного узла однозначно определяют прикладной процесс в сети. Этот набор идентифицирующих параметров имеет название сокет (socket).
Назначение номеров портов прикладным процессам осуществляется либо централизованно, если эти процессы представляют собой популярные общедоступные службы (например, номер 21 закреплен за службой удаленного доступа к файлам FTP, a 23 - за службой удаленного управления telnet), либо локально для тех служб, которые еще не стали столь распространенными, чтобы закреплять за ними стандартные (зарезервированные) номера. Централизованное присвоение службам номеров портов выполняется организацией Internet Assigned Numbers Authority (IANA). Эти номера затем закрепляются и опубликовываются в стандартах Internet (RFC 1700).
Локальное присвоение номера порта заключается в том, что разработчик некоторого приложения просто связывает с ним любой доступный, произвольно выбранный числовой идентификатор, обращая внимание на то, чтобы он не входил в число зарезервированных номеров портов. В дальнейшем все удаленные запросы к данному приложению от других приложений должны адресоваться с указанием назначенного ему номера порта.
Протокол TCP ведет для каждого порта две очереди: очередь пакетов, поступающих в данный порт из сети, и очередь пакетов, отправляемых данным портом в сеть. Процедура обслуживания протоколом TCP запросов, поступающих от нескольких различных прикладных служб, называется мультиплексированием. Обратная процедура распределения протоколом TCP поступающих от сетевого уровня пакетов между набором высокоуровневых служб, идентифицированных номерами портов, называется демультиплексированием (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Функции протокола TCP no мультиплексированию и демультиплексированию потоков
В случае топологии «звезда» каждый компьютер через специальный сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к центральному узлу. Центральным узлом служит пассивный соединитель или активный повторитель. Недостатком такой топологии является низкая надежность, так как выход из строя центрального узла приводит к остановке всей сети, а также обычно большая протяженность кабелей (это зависит от реального размещения компьютеров). Иногда для повышения надежности в центральном узле ставят специальное реле, позволяющее отключать вышедшие из строя кабельные лучи.