Протокол TCP находится на транспортном уровне модели взаимодействия открытых систем и стека протоколов TCP/IP.
На этом уровне есть два протокола, протокол UDP, который уже рассматривали и протокол TCP, который является одним из основных протоколов стека TCP/IP и интернет.
TCP — расшифровывается как (Transmission Control Protocol) протокол управления передач. В отличии от UDP, TCP обеспечивает надежную доставку данных. Сервис предоставляемый TCP называются надежная передача потока байт или (reliable byte stream) по-английский. TCP обеспечивает как гарантию доставки данных, так и гарантию сохранения порядка следования сообщений.
Поток байт
От приложения, протокол TCP получает поток байт, который может быть очень большим. Например, вы можете скачивать из интернета файл, который составляет несколько мегабайт или несколько гигабайт. Данные файлы приходят на транспортный уровень в виде одного большого потока байт.
В протоколе TCP поток байт делится на отдельные части, которые называются сегменты. Каждый сегмент отправляется отдельно получателю. Получатель со своей стороны, принимает сегменты, собирает их в один большой поток байт и отправляет этот поток байт приложению.
Гарантия доставки: подтверждение получения
Для того чтобы обеспечить гарантию доставки данных, TCP использует подтверждение получения сообщения. Рассмотрим, как это работает. Отправитель пересылает по сети некоторый сегмент данных, получатель принимает сегмент и посылает отправителю подтверждение, сокращенно ACK от английского Acknowledgment, которая говорит о том что сегмент данных получен. Затем отправляется следующий сегмент данных, снова подтверждение и так далее.
Гарантия доставки: повторная отправка
Что происходит, если произошла ошибка при передаче данных? Сегмент данных потерян в сети, он не доходит до получателя, получатель не отправляет подтверждение сообщения. Отправитель при отправке сегмента устанавливает таймер, который задает время ожидания подтверждения, если в течении этого времени подтверждение не пришло, таймер срабатывает и тот же самый сегмент отправляются повторно.
Предположим, что в этот раз сегмент дошел, получатель отправляет подтверждение, отправитель может передавать следующий сегмент данных.
Протокол TCP: скользящее окно
Работа протокола TCP отличаются от той схемы, которую мы сейчас рассмотрели. Подтверждается не каждый сегмент, а несколько сегментов следующие друг за другом, этот механизм называется скользящее окно.
Варианты подтверждения:
- Остановка и ожидание (Wi-Fi, канальный уровень)
- Скользящее окно (TCP, транспортный уровень)
Варианты подтверждения доставки
Рассмотрим остановку и ожидание. Отправитель передает данные и останавливается ожидая подтверждение. Получатель присылает подтверждение после этого передается следующая порция данных. Снова подтверждение, снова данные и снова подтверждение.
Другой вариант скользящее окно. В этом случае отправитель передает сразу несколько порций данных не дожидаясь подтверждения. Получатель отправляет одно подтверждение которое называется кумулятивное. Это означает, что получатель получил последнюю порцию данных и все предыдущие.
Время передачи сообщения
Почему на транспортном уровне эффективно использовать скользящее окно? Дело в том, что сообщение по сети передается хотя и быстро, но не мгновенно. Поэтому в среде передачи данных может находиться некоторый объем данных, который определяется скоростью передачи данных умноженной на задержку передачи данных. Этот объем небольшой для локальных сетей, где отправитель и получатель находится рядом друг с другом, поэтому задержка небольшая.
В локальных сетях, например Wi-Fi используется метод подтверждения остановка и ожидания. В крупных современных сетях с высокоскоростными каналами связи большой протяженности, например если вы хотите скачать чего-нибудь с американского сайта, такой объем данных может быть очень большой. И в этой ситуации ожидания подтверждения приводит к существенному снижению производительности.
Пример подтверждения доставки
Рассмотрим на примере работу сети.
- Например, канал Екатеринбург-Пермь, его протяженность 465 километров, скорость 10 Гб/с, так как протяженность достаточно большая, задержка при передаче данных составляет 10 миллисекунд.
- Объем данных в сети: умножаем задержку на скорость передачи данных это составляет 12,5 МБайт. Это означает, что отправитель начал передавать данные и до того как первая порция данных дойдет до получателя он может отправить в сеть 12,5 МБайт. Еще столько же он может отправить в сеть пока до него дойдёт подтверждение получения. Если не останавливать передачу до получения подтверждения, можно передать в сеть 25 МБайт и только после этого получить подтверждение первой порции данных. Если же мы будем останавливаться и ждать получение каждого сегмента, то за секунду мы можем передать всего лишь 50 сегментов, скорость передачи данных в таком режиме будет всего лишь 75 килобайт в секунду, что существенно меньше 10 ГБит в секунду пропускной способности канала. Поэтому важно использовать скользящее окно и передавать несколько сегментов сразу не дожидаясь подтверждения каждого.
Скользящее окно
Почему термин называется скользящее окно? Удобно представлять себе окно, которое скользит по потоку байт получаемых от приложений. У есть поток байт, разделенный на отдельные сегменты, часть сегментов уже передана, часть еще не отправлены. Для некоторых сегментов, которые уже переданы, получено подтверждение. И отправлено некоторое количество сегментов соответствующие размеру окна, для которых подтверждение не получено.
Размер окна — это количество байтов данных, которые могут быть переданы без получения подтверждения.
В примере размер окна 8 сегментов. Что происходит, если мы получили очередное подтверждение? Мы можем передвинуть окно дальше по данным, в него попадает новая порция не отправленных данных. Можно отправить эти данные получателю, после этого отправитель останавливается и дожидаются подтверждения получения следующей порции данных. Таким образом, окно скользит вдоль нашего потока байт от приложения.
Тип подтверждения
Есть два типа подтверждения, которые могут использоваться совместно с алгоритмом скользящего окна.
- Кумулятивное подтверждение, говорит о том что получен указанный байт данных и все предыдущие. Такой подход используется в TCP по умолчанию. Сейчас из-за того что распространились высокоскоростные каналы связи большой протяженности, размер окна в TCP может быть увеличен до 1 гигабайта. Представьте, что вы передали гигабайт данных и у вас потерялся всего лишь один сегмент, который находится в середине. С помощью кумулятивного подтверждения вы можете подтвердить получение только первых 500 мегабайт, получится что вам придётся повторно передавать 500 мегабайт данных, которые уже есть у получателя.
Для устранения этой проблемы предложено выборочное подтверждение. В этом случае получатель подтверждает получение диапазона принятых байт. Он получил первые 500 мегабайт и вторые 500 мегабайт из гигабайта и не получил всего лишь один сегмент. Отправитель вместо вторых 500 мегабайт, повторно передает всего лишь один недостающий сегмент. Выборочное подтверждение эффективно при большом размере окна TCP, но выборочное подтверждение по умолчанию не используется для этого необходимо применение дополнительных полей заголовка TCP, которые называются параметрами.
Порядок следования сообщений
Но подтверждений и повторной отправки данных недостаточно для обеспечения надежной передачи потока байт. Это защищает только от потери сегментов, но не обеспечивает сохранение порядка следования сообщений.
Какие проблемы могут произойти? Протокол IP не сохраняет порядок следования сообщений и поэтому сегменты могут прийти к получателю не в том порядке в котором они были отправлены. Кроме того, некоторые сегменты могут прийти два и более раз. Рассмотрим одну из возможных причин дублирования сегментов.
Дублирование сегментов
Предположим, отправитель передал сегмент данных получателю, получатель этот сегмент принял и передал отправителю подтверждение, но при передаче подтверждения произошла ошибка. Отправитель не получил подтверждение, сработал таймер и тот же самый сегмент данных был отправлен второй раз.
Это один из возможных вариантов, на самом деле, таких вариантов еще очень много, поэтому в протокол TCP встроен механизм защиты от дублирования и нарушение порядка следования сообщений.
Механизм очень простой, все сообщения нумеруются. В TCP нумеруются не сегменты, так как разные сегменты могут иметь разный размер, а байты.
В нашем примере 4 сегмента первый сегмент содержит байты от 0 до 1023, второй от 1024 до 2047 и так далее.
Нумерация байтов
При передаче отправитель включают в сегмент номер первого байта данных, которые в нем содержатся.
- Например сегмент данных, байт 0, он содержит байты с 0 до 1023.
- Получатель отправляет подтверждение и в подтверждение включает номер следующего байта, который ожидается байт 1024.
- Отправитель передает следующий сегмент, включая в него номер первого байта, сегмент данных, номер первого байта 1024 содержит данные до номера байта 2047.
- Получатель отправляет подтверждение, что он ждет байт с номером 2048, если сегменты придут в неправильном порядке, то получатель по номерам байтов всегда сможет выставить их в правильной последовательности.
Дублирование сегментов
Рассмотрим как решается ситуация с дублированием сегментов.
- Отправитель включает в сегмент номер первого передаваемого байта 1024.
- Получатель отправляет подтверждение, где говорит что ждет байт в 2048.
- Но так как подтверждение не дошло, то отправитель передает тот же самый сегмент 1024.
- Однако получатель видит, что этот сегмент у него уже есть поэтому он этот сегмент игнорирует и снова отправляет подтверждение, где говорит что он ожидает байт 2048.
Соединение TCP
TCP для передачи данных использует соединение. Соединение нужно установить перед тем, как начать передачу данных, а после того как передача данных завершена, соединение разрывается.
Задачи соединения
- Убедиться в том, что отправитель и получатель действительно хотят передавать данные друг другу
- Договориться о нумерации потоков байт. С точки зрения практической реализации нельзя всегда нумеровать данные в потоке байт с нуля. Каждый раз начальное значение для нумерации байт выбираются по определенному алгоритму и отправитель и получатель должны договориться между собой какое начальное значение они будут использовать для нумерации потока байт.
- При установке соединения происходит договоренность о некоторых параметрах соединения.
Установка соединения в TCP
Получатель в ответ передаёт сообщение SYN, куда включает подтверждение получения предыдущего сообщения ACK от слова acknowledge и порядковый номер байта, который он ожидает 7538, потому что на предыдущем этапе был получен байт с номером 7537.
Также отправитель включает в сегмент номер байта в потоке байт 36829. Номера байт в первом сообщении не могут быть всегда нулевыми, они выбираются по достаточно сложным алгоритмам, но для простоты можно представлять себе что эти номера выбираются случайным образом.
На третьем этапе пересылается подтверждение получения предыдущего запроса на установку соединения ACK номер следующего ожидаемого байта 36830, а также номер байта в сообщении. После этого соединение считается установленным и можно передавать данные.
Разрыв соединения в TCP
Протокол TCP предусматривает два варианта разрыва соединения: корректное, с помощью одностороннего разрыва соединения и сообщения FIN и разрыв из-за критической ситуации с помощью сообщения RST.
Рассмотрим, как выполняется корректный разрыв соединения. Сторона, которая хочет разорвать соединение пересылает другой стороне сообщение FIN и в ответ получает сообщение ACK. Однако соединение разорвано только с одной стороны.
Когда другая сторона решила, что данные для передачи у нее закончились, она также передает сообщение FIN в ответ получает сообщение ACK подтверждение. На этом этапе соединение закрыто полностью в обе стороны.
Для разрыва соединения в критической ситуации из-за ошибок в приложении или с оборудованием используется одно сообщение RST. В этом случае соединение закрывается в обе стороны. Хотя сообщение RST предназначено для использования в критических ситуациях, некоторые протоколы используют его для быстрого закрытия соединения.
Заключение
Итак мы рассмотрели протокол TCP — протокол управления передачей данных. TCP обеспечивают надежную передачу потока байт от одного приложения к другому. При этом TCP обеспечивает, как гарантию доставки данных, так и гарантию сохранении порядка следования сообщений.
TCP использует соединение между отправителем и получателем, которое необходимо установить до того, как начнется передача данных, а после завершения передачи соединение необходимо разорвать.
Рассмотрели различные варианты подтверждения сообщений. Остановка и ожидание, которые используются на канальном уровне и скользящее окно которое используется на транспортном уровне в протоколе TCP, для того чтобы повысить производительность передачи данных по протяженным высокоскоростным каналам связи, которые сейчас широко используется в интернет.
Прежде чем передавать данные в TCP, необходимо сначала установить соединение, а после завершения передачи соединение необходимо разорвать. Для установки соединения в TCP используется схема трехкратного рукопожатия. Сначала передается сообщение SYN потом SYN + ACK и на третьем шаге ACK.
Для разрыва соединения возможны две схемы. Корректное закрытие соединения требует корректной отправки обеими сторонами сообщения FIN и получении подтверждения. Разрыв соединения в критической ситуации может быть выполнен быстро, отправкой одного сообщения RST. Таким образом накладные расходы в TCP особенно при передаче небольшого объема данных значительно выше чем в UDP, но соединение и отправка подтверждений позволяют TCP обеспечивать гарантию доставки и гарантию сохранения порядка следования сообщений.
