Операционная система UNIX

Робачевский Андрей Михайлович

Далее заголовок содержит шесть управляющих флагов

Flags

, каждый из которых занимает отведенный ему бит:

URG	Указывает, что сегмент содержит экстренные данные, и поле Urgent pointer заголовка определяет их положение в сегменте.
ACK	Указывает, что заголовок содержит подтверждение полученных данных В поле Acknowledgement Number.
PSH	Указывает, что данные должны быть переданы немедленно, не ожидая заполнения сегмента максимального размера.
RST	Указывает на необходимость уничтожения канала.
SYN	Указывает, что сегмент представляет собой управляющее сообщение, являющееся частью "тройного рукопожатия" для синхронизации порядковых номеров при создании канала.
FIN	Указывает, что сторона прекращает передачу данных и желает закрыть виртуальный канал.

Поле контрольной суммы

Checksum

используется для защиты от ошибок. Контрольная сумма вычисляется на основании 12-октетного псевдозаголовка, содержащего, в частности IP-адреса источника и получателя, а также номер протокола. Цель включения в контрольную сумму части заголовка IP та же, что и для протокола UDP — дополнительно защитить данные от получения не тем адресатом.

Поле

Urgent Pointer

позволяет указать расположение экстренных данных внутри сегмента. Это поле используется при установленном флаге URG и содержит порядковый номер октета, следующего за экстренными данными.

В конце заголовка располагается поле

Options

переменной длины, которое может содержать различные опции, например, максимальный размер сегмента (MSS). Это поле дополняется нулями (Padding) для того, чтобы заголовок всегда заканчивался на границе 32 бит.

Состояния TCP-сеанса

Как уже говорилось, передача данных с использованием протокола TCP предусматривает предварительное установление связи, или создание логического TCP-канала. Эта предварительная фаза призвана усилить надежность протокола. В процессе этой фазы определяется начало TCP-потоков в обоих направлениях, их характеристики (например, максимальный размер окна), в это же время могут быть обнаружены "полуразрушенные" TCP-каналы прошлых сеансов передачи, некорректно закрытые, например, ввиду аварийного останова одной из сторон. Стороны выбирают произвольные начальные порядковые номера потоков, чтобы уменьшить вероятность обработки сегментов, принадлежащих "старым" сеансам. [71]

71

В нормальных условиях модули TCP хранят последние использованные порядковые номера. Поэтому при создании нового канала (сеанса) модуль выбирает следующее значение из адресного пространство порядковых номеров (которое составляет 2^3^2). При скорости передачи 2 Мбит/с потребуется 4,5 часа для передачи данных, адресуемых этими номерами (порядковыми и подтверждений). Это время на несколько порядков превышает время жизни TCP-сегмента в сети, которое по умолчанию составляет 2 секунды. Это гарантирует, что новые номера не "догонят" номера старых сегментов. Даже при скорости 100 Мбит/с полный цикл использования порядковых номеров составляет чуть больше 5 минут.

Начальная фаза сеанса передачи получила название "тройное рукопожатие" (three-way handshake), которое достаточно точно отражает процесс обмена служебными сегментами между сторонами. Этот процесс является ассиметричным — одна из сторон, называемая клиентом, инициирует начало сеанса, посылая другой стороне — серверу сегмент

SYN

. [72] Как правило этот сегмент является числом служебным, т.е. не содержит полезных данных, его заголовок определяет номер порта и начальный порядковый номер потока клиент-сервер. Если сервер готов принять данные от клиента, он создает логический канал (размещая соответствующие структуры данных) и отправляет клиенту сегмент с установленным начальным порядковым номером потока сервер-клиент и флагами

SYN

и

ACK

, подтверждающий получение сегмента

SYN

и выражающего готовность сервера к получению данных. Наконец, и это третье рукопожатие, клиент отвечает сегментом с установленным флагом

ACK

, подтверждающим получение ответа от сервера и тем самым завершающим фазу создания TCP-канала. Процесс установления связи в TCP-сеансе представлен на рис. 6.12.

72

Сегмент

SYN

имеет установленный флаг

SYN

в заголовке — отсюда и его название.

Рис. 6.12. Установление связи, передача данных и завершение TCP-сеанса

После этого обе стороны начинают передачу TCP-сегментов, каждый из которых содержит подтверждение полученных данных и новое значение окна. Начиная с подтвержденного октета, источник может передать, не дожидаясь подтверждения, количество данных, определенных значением окна. Если отправитель не получает подтверждения на посланные данные в течение определенного промежутка времени, он полагает, что данные утеряны, и их передача повторяется, начиная с последнего подтвержденного октета. Поскольку надежность передачи гарантируется протоколом, для данных приложения, переданных, но не подтвержденных, протокол хранит копию, которая уничтожается после получения подтверждения или вновь передается при отсутствии такового. Получение дублированных данных также подтверждается, хотя сами данные уничтожаются, поскольку дублирование могло быть вызвано неполучением подтверждения. Если одна из сторон получает неупорядоченные данные, они, как правило, сохраняются до получения недостающих последовательных сегментов. Разумеется, получение таких неупорядоченных данных не подтверждается, поскольку подтверждение отправляется только на полученный непрерывный последовательный поток октетов.

Завершение сеанса в TCP происходит в несколько этапов. Любая из сторон может завершить передачу данных, отправив сегмент с установленным флагом

FIN

(рис. 6.12). Получение такого сегмента подтверждается другой стороной и эквивалентно достижению конца файла при его чтении.

Однако другая сторона может продолжать передавать данные, также впоследствии завершив передачу сегментом

FIN

. Подтверждение этого сегмента полностью разрушает канал и завершает сеанс. Для того чтобы гарантировать синхронизацию завершения сеанса, сторона, отправившая подтверждение на последний сегмент

FIN

, должна поддерживать сеанс достаточно долго, чтобы иметь возможность вновь подтвердить повторные сегменты

FIN

данного сеанса в случае, когда подтверждение не было получено другой стороной.

На рис. 6.12 также проиллюстрированы состояния коммуникационных узлов TCP-канала.

Как видно из рисунка, начальное состояние узла (сервера или клиента) — состояние CLOSED. Готовность сервера к обработке инициирующих запросов от клиента определяется переходом его в состояние LISTEN. С этого момента сервер может принимать и обрабатывать инициирующие сеанс сегменты

SYN

. При отправлении такого сегмента клиент переходит в состояние SYN-SENT и ожидает ответного запроса от сервера. Сервер при получении сегмента также отправляет сегмент

SYN

с подтверждением

ACK

и переходит в состояние SYN-RECEIVED. Подтверждение от клиента завершает "рукопожатие" и сеанс переходит в состояние ESTABLISHED. После завершения обмена данными одна из сторон (например, клиент) отправляет сегмент FIN, переходя при этом в состояние FIN-WAIT-1. Приняв этот сегмент другая сторона (например, сервер) отправляет подтверждение

ACK

и переходит в состояние CLOSE-WAIT, при этом канал становится симплексным — передача данных возможна только в направлении от сервера к клиенту. Когда клиент получает подтверждение он переходит в состояние FIN-WAIT-2, в котором находится до получения сегмента

FIN

. После подтверждения получения этого сегмента канал окончательно разрушается.

Расшифровка состояний приведена в табл. 6.5.

Таблица 6.5. Состояния TCP-сеанса

Состояние	Описание
LISTEN	Готовность узла к получению запроса на соединение от любого удаленного узла.
SYN-SENT	Ожидание ответного запроса на соединение.
SYN-RECEIVED	Ожидание подтверждения получения ответного запроса на соединение.
ESTABLISHED	Состояние канала, при котором возможен дуплексный обмен данными между клиентом и сервером.
CLOSE-WAIT	Ожидание запроса на окончание связи от локального процесса, использующего данный коммуникационный узел.
LAST-ACK	Ожидание подтверждения запроса на окончание связи, отправленного удаленному узлу. Предварительно от удаленного узла уже был получен запрос на окончание связи и канал стал симплексным.
FIN-WAIT-1	Ожидание подтверждения запроса на окончание связи, отправленного удаленному узлу (инициирующий запрос, канал переходит в симплексный режим).
FIN-WAIT-2	Ожидание запроса на окончание связи от удаленного узла
CLOSING	Ожидание подтверждения от удаленного узла на запрос окончания связи.
TIME-WAIT	Таймаут перед окончательным разрушением канала, достаточный для того, чтобы удаленный узел получил подтверждение своего запроса окончания связи. Величина тайм-аута составляет 2 MSL (Maximum Segment Lifetime). [73]
CLOSED	Фиктивное состояние, при котором коммуникационный узел и канал фактически не существуют.

73

Значение MSL, рекомендованное в RFC 793 "Transmission Control Protocol", составляет 2 минуты. Однако в реальных системах типичными значениями MSL являются 30 секунд, 1 или 2 минуты.

Для обеспечения правильной обработки данных для каждого логического TCP-канала хранится полная информация о его состоянии, различных таймерах и о текущих порядковых номерах переданных и принятых октетов. Это необходимо, например, для корректной обработки служебных сегментов

SYN

и

FIN

. [74]

Передача данных

После создания виртуального канала взаимодействующие процессы получают возможность обмениваться данными в дуплексном режиме.

74

Эта информация представлена соответствующими структурами данных, называемыми TCB (Transmission Control Block). Как правило, коммуникационный узел, представляющий сетевой интерфейс для взаимодействующих процессов, хранит указатель на эти управляющие данные. Более подробно архитектура сетевых интерфейсов UNIX описана в следующих разделах.

Хотя фактически передача данных осуществляется в виде сегментов, ее логический вид представляет собой последовательный поток октетов, каждый из которых адресуется порядковым номером. Каждый сегмент хранит в заголовке порядковый номер первого октета данных. Данные буферизуются обоими коммуникационными узлами TCP-канала. Как правило, модуль TCP самостоятельно принимает решение, когда именно сформировать сегмент для отправки и когда передать полученные данные процессу- адресату.

В случае, когда требуется немедленная передача данных, без ожидания заполнения сегмента определенного размера, протокол верхнего уровня (приложение) устанавливает флаг

PSH

, который указывает модулю TCP на необходимость немедленной доставки данных, находящихся в очереди на отправление. Это может потребоваться, например, при передаче пользовательского ввода при удаленном доступе (протокол Telnet).