Образовательный комплекс Компьютерные сети

TCP
Программный интерфейс сокетов

передавать данные между узлами через интерсеть
Уровень Хост-Хост обеспечивает сервисы, которые

могут использоваться приложениями для доставки данных
User Datagram Protocol (UDP)
Transmission Control Protocol (TCP)
Протоколы TCP и UDP выполняют подмножество функций более сложного транспортного уровня модели ISO/OSI

с другим процессом, должен зарегистрироваться на каком-либо порту
Порт – это

32-битное число, которое используется протоколами уровня Хост-Хост для определения протокола (сервиса или приложения) прикладного уровня, которому предназначается сообщение
Механизм портов используют протоколы TCP, UDP. Также механизм портов реализован в протоколе ISO-4.
Пространства портов протоколов TCP и UDP различны
то есть, один процесс может использовать 10-й порт TCP, а другой в то же самое время – 10-й порт UDP

интерсеть

IP

IP

UDP

UDP

Порт А

Порт B

…

Порт C

Порт D

…

Процесс
1

Процесс
2

Процесс
3

Процесс
4

0-1023 предназначены для регистрации серверных компонент стандартных сервисов (протоколов прикладного

уровня) TCP/IP
Порты с номерами 1024-65535 используются любыми программами, в том числе клиентскими частями стандартных протоколов
Ниже перечислены некоторые стандартные сервисы, используемые ими протоколы и номера портов
21/TCP – FTP (20/TCP – FTP-DATA)
22/TCP – SSH (Secure SHell)
23/TCP – TELNET
25/TCP – SMTP
53/UDP – NAMESERVER (DNS)
80/TCP – HTTP
110/TCP – POP3
…
В Linux в файле /etc/services для большого числа сервисов указаны используемый протокол и номер порта

ненадежный датаграммный протокол
Обеспечивает прикладным программам возможность посылать данные другим программам

с минимальными накладными расходами
Не добавляет надежности нижележащим уровням
Не выполняет контроль трафика
Приложения, требующие надежной доставки потоков данных, должны использовать TCP

(SP) – номер порта источника
Destination Port (DP) – номер порта

получателя
Length – длина датаграммы в байтах
Checksum – контрольная сумма датаграммы
Data – передаваемые данные

Source Port
(16 бит)

Destination Port
(16 бит)

Length
(16 бит)

Checksum
(16 бит)

Data

использования перед UDP-заголовком размещается псевдозаголовок, который не входит в UDP-датаграмму

и содержит информацию из IP-заголовка
IP-адрес отправителя
IP-адрес получателя
Протокол
Длина UDP-датаграммы
Длина псевдозаголовка UDP не учитывается в общей длине датаграммы, но его содержимое используется при вычислении контрольной суммы

приложения, использующие UDP
Trivial File Transfer Protocol (TFTP) – тривиальный протокол

передачи файлов (используется при удаленной загрузке)
Domain Name Server (DNS) – служба доменных имён
Remote Procedure Call (RPC) – механизм удаленного вызова процедур (используется многими программами, например, сервисом Network File System, NFS)
Simple Network Message Protocol (SNMP) – простой протокол управления сетью

протокол, обеспечивающий сервис, ориентированный на соединение, для пары взаимодействующих процессов,

и включающий надежность, контроль трафика и исправление ошибок

интерсеть

IP

IP

TCP

TCP

Порт А

Порт B

…

Порт C

Порт D

…

Процесс
1

Процесс
2

Процесс
3

Процесс
4

IP-пакеты

Соединение TCP

логическое соединение между парой процессов. Логическое соединение идентифицируется парой адресов

сокетов.
Сокет – объект межпроцессного взаимодействия, который может быть использован для передачи данных между процессами через сеть
Адрес сокета – комбинация IP-адреса и номера порта, используемых для коммуникации
TCP хранит всю информацию о логическом соединении в специальной структуре, называемой блоком управления передачей

управления передачей
Локальный IP-адрес
Локальный номер порта
Протокол
Удаленный IP-адрес
Удаленный номер порта
Размер буфера передачи
Размер

буфера приема
Текущее состояние TCP
Текущее значение интервала тайм-аута
Количество осуществленных повторных передач
Текущий размер окна передачи
Максимальный размер передаваемого сегмента
Номер последнего из подтвержденных байтов
Максимальный размер принимаемого сегмента
Номер байта, который должен быть послан

Механизм окон…
Протокол TCP обеспечивает передачу потоков данных, при этом он

использует механизм окон
Все байты исходящего потока последовательно нумеруются
Размер окна задается получателем в момент установления соединения, но может изменяться им в процессе передачи
На стороне приемника окно – это фактически буфер приема, на стороне источника – абстракция, определяющая порядок передачи
В исходный момент окно расположено в начале потока

Поток байт источника

0

Окно реконструкции входящего потока приемника

…

Механизм окон…
Источник разбивает исходящий поток на пакеты (сегменты)
Источник может послать

все пакеты в окне без подтверждения, но должен запускать таймер для каждого из них
Получатель подтверждает номер последнего принятого байта

Поток байт источника

0

Буфер реконструкции входящего потока приемника

…

Пакеты данных

Подтверждения

Механизм окон…
Получатель в ходе реконструкции потока данных передвигает начало окна

на первый еще не полученный байт
Источник продвигает окно после получения очередного подтверждения

Поток байт источника

0

Окно реконструкции входящего потока приемника

…

Механизм окон…
С точки зрения источника, выходной поток байт делится на

4 части
A – посланные и подтвержденные байты
B – посланные, но еще не подтвержденные байты
C – байты, которые могут быть посланы без подтверждения
D – байты, которые еще не могу быть посланы

Поток байт источника

0

Окно реконструкции входящего потока приемника

…

A

B

C

D

Механизм окон
Если при передаче потерян какой-либо пакет, источник не получит

подтверждения и спустя время тайм-аута начнет повторную передачу всех неполученных байт
даже если следующие пакеты были получены приемником, он посылает номер последнего байта полностью реконструированного потока
Каждое подтверждение полностью описывает текущую ситуацию для источника
если получатель отправил подтверждение, но оно не дошло до источника, следующее доставленное подтверждение отменит необходимость повторной передачи данных источником
Таким образом, механизм окон обеспечивает
Надежную передачу
Контроль трафика
Эффективное использование пропускной способности сети (источник может посылать данные, не дожидаясь подтверждения всех уже отправленных данных)

(SP) – номер порта источника
Destination Port (DP) – номер порта

получателя
Sequence Number – порядковый номер первого байта в сегменте
Acknowledgment Number – если установлен флаг ACK, номер следующего байта в потоке, который узел рассчитывает принять как получатель
Data Offset – размер заголовка TCP в 32-битных словах

Source Port
(16 бит)

Destination Port
(16 бит)

Sequence Number
(16 бит)

Acknowledgment Number
(16 бит)

Data
Offset
(4 бит)

F
I
N

S
Y
N

R
S
T

P
S
H

A
C
K

U
R
G

0

Window
(16 бит)

Urgent Pointer
(16 бит)

Options + Padding
(N* 32 бит)

Data

E
C
E

C
W
R

Checksum
(16 бит)

Window Reduced) – подтверждение принятия сегмента с установленным флагом ECE

ECE (ECN-Echo) – данный узел способен на явное уведомление о перегрузке
URG – если равен 1, то поле Urgent Pointer сегмента значимо
ACK – если равен 1, то поле Acknowledgment Number сегмента значимо
PSH – указание получателю "протолкнуть" данные в приложение
RST – сброс соединения
SYN – синхронизация номеров байт в потоке
FIN – конец данных источника

Source Port
(16 бит)

Destination Port
(16 бит)

Sequence Number
(16 бит)

Acknowledgment Number
(16 бит)

Data
Offset
(4 бит)

F
I
N

S
Y
N

R
S
T

P
S
H

A
C
K

U
R
G

0

Window
(16 бит)

Urgent Pointer
(16 бит)

Options + Padding
(N* 32 бит)

Data

E
C
E

C
W
R

Checksum
(16 бит)

количество байт, начиная с номера из поля Acknowledgment Number, которое

узел может принять как получатель
Checksum – контрольная сумма TCP-сегмента
Urgent Pointer – номер первого байта срочных данных (в поле данных сегмента)
Options – опции доставки TCP-сегмента, может содержать несколько опций и имеет переменную длину
Padding – дополнения поля Options до размера, кратного 32 битам
Data – данные

Source Port
(16 бит)

Destination Port
(16 бит)

Sequence Number
(16 бит)

Acknowledgment Number
(16 бит)

Data
Offset
(4 бит)

F
I
N

S
Y
N

R
S
T

P
S
H

A
C
K

U
R
G

0

Window
(16 бит)

Urgent Pointer
(16 бит)

Options + Padding
(N* 32 бит)

Data

E
C
E

C
W
R

Checksum
(16 бит)

использования перед TCP-заголовком размещается псевдозаголовок, который не входит в TCP-сегмент

и содержит информацию из IP-заголовка
IP-адрес отправителя
IP-адрес получателя
Протокол
Длина TCP-сегмента
Длина псевдозаголовка TCP не учитывается в общей длине сегмента, но его содержимое используется при вычислении контрольной суммы

объект межпроцессного взаимодействия, обеспечивающий прием и передачу данных для процесса
Существуют

следующие типы сокетов
Stream – обеспечивает надежную доставку потоков данных (SOCK_STREAM)
Datagram – обеспечивает ненадежную доставку сообщений (SOCK_DGRAM)
Sequential packet – обеспечивает надежную доставку пакетов длины не больше заданной (SOCK_SEQPACKET)
на настоящий момент отсутствует реализация данного типа сокетов
Raw – доступ к нижележащему протоколу (SOCK_RAW)

достаточно общий интерфейс и может обеспечивать взаимодействие посредством использования различных

механизмов (локальных и сетевых)
Различные механизмы требуют использования специальных типы адресов, принадлежащие различным коммуникационным доменам
AF_INET – взаимодействие удаленных систем с использованием TCP/IP (адрес – пара IP-адрес + номер порта)
AF_INET6 – взаимодействие удаленных систем с использованием TCP/IP (IP версии 6)
AF_UNIX – локальное межпроцессное взаимодействие (адресом является имя на файловой системе)
AF_NS
IUCV
...

датаграммной передаче взаимодействующие процессы выполняют один и тот же набор

вызовов (далее приводится множество вызовов для сокетов в реализации Berkley)
Создание сокета
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain – коммуникационный домен
type – тип сокета
protocol – протокол транспортного уровня, если значение параметра равно 0, используется протокол по умолчанию для данного типа сокета и коммуникационного домена
Возвращаемое значение – дескриптор сокета

Процесс A

Процесс B

socket()

socket()

адреса сокету
int bind(int s, const struct sockaddr *name, int namelen);
s

– дескриптор сокета
name – адрес буфера, содержащего адрес сокета. Адрес представляет собой структуру struct sockaddr_in; ее поля
sa_family_t sin_family; - коммуникационный домен
in_port_t sin_port; - номер порта (используется сетевой порядок следования байт в целочисленных значениях)
struct in_addr sin_addr; - структура, содержащая сетевой адрес
in_addr_t s_addr; - IP-адрес (используется сетевой порядок следования байт в целочисленных значениях)
unsigned char sin_zero[8]; - нули
namelen – длина структуры, содержащей адрес

Процесс A

Процесс B

socket()

socket()

bind()

bind()

recvfrom(int s, void *buffer, size_t length, int flags, struct sockaddr

*address, socklen_t *address_len);
ssize_t sendto(int s, const void *message, size_t length, int flags, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
s – дескриптор сокета
buffer – адрес буфера приема/передачи
length – размер буфера в байтах
flags – флаги операции
address – адрес буфера адреса источника/получателя
address_len – размер адреса получателя в sendto(), адрес объекта целого типа, содержащего размер буфера address в recvfrom()

Процесс A

Процесс B

socket()

socket()

bind()

bind()

recvfrom()

sendto()

сокета
int close(int s);
s – дескриптор сокета
Процесс A
Процесс B
socket()
socket()
bind()
bind()
recvfrom()
sendto()
recvfrom()
sendto()
close()
close()

установлением соединения
При использовании взаимодействия, ориентированного на соединение, клиент и сервер

выполняют разные последовательности вызовов
Сервер
Создание сокета
int socket(int domain, int type, int protocol);
Назначение адреса сокету
int bind(int s, const struct sockaddr *name, int namelen);

Сервер

Клиент

socket()

bind()

установлением соединения
Сервер
Регистрация входящих запросов на соединение int listen(int s, int backlog);
s

– дескриптор сокета
backlog – максимальное число ожидающих запросов
Прием запроса на соединение
int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *len);
s – дескриптор сокета
addr – адрес буфера для размещения адреса клиента
len – размер буфера, предназначенного для адреса клиента

Сервер

Клиент

socket()

bind()

listen()

accept()

установлением соединения
Клиент
Создание сокета
int socket(int domain, int type, int protocol);
Запрос на

установление соединения с сервером
int connect(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *len);
s – дескриптор сокета
addr – адрес буфера, в котором размещен адрес сервера
len – размер буфера addr

Сервер

Клиент

socket()

bind()

listen()

accept()

socket()

connect()

установлением соединения
Передача/прием
size_t recv(int s, void *buffer, size_t length, int flags);
size_t

send(int s, const void *message, size_t length, int flags);
s – дескриптор сокета
buffer – адрес буфера приема/передачи
length – размер буфера в байтах
flags – флаги операции

Сервер

Клиент

socket()

bind()

listen()

accept()

socket()

connect()

sendto()

recv()

установлением соединения
Клиент и сервер
Отключение сокета
int shutdown(int socket, int how);
s –

дескриптор сокета
how – тип отключения (SHUT_RD, SHUT_WR, SHUT_RDWR)
Закрытие сокета
int close(int s);

Сервер

Клиент

socket()

bind()

listen()

accept()

socket()

connect()

sendto()

recv()

close()

shutdown()

close()

передачу данных между процессами
UDP – ненадежную доставку сообщений
TCP – надежную

доставку потоков данных
При создании приложений используется программный интерфейс сокетов

System (DNS) – система доменных имен

Windows 2000 Server. – М.: Русская редакция, 2001.
В.Г. Олифер, Н.А.

Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб: Питер, 2001.