Эталонная модель - это идеальная модель передачи данных. OSI помогает иллюстрировать зависимость одних протоколов от других, и кто кем погоняет, но она не может диктовать, как им функционировать.

MTU и модель OSI

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535 , и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - Maximum Transfer Unit, MTU. Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

MTU является характеристикой канального уровня модели OSI. Если IP хочет отослать датаграмму, которая больше чем MTU канального уровня, осуществляется фрагментация (fragmentation), при этом датаграмма разбивается на меньшие части (фрагменты). Каждый фрагмент должен быть меньше чем MTU.

Верхний уровень всегда знает о нижнем . Когда IP уровень получает IP датаграмму, которую необходимо отправить, он определяет, на какой локальный интерфейс отправляется датаграмма (или маршрутизируется), и запрашивает интерфейс, чтобы тот сообщил размер своего MTU. IP сравнивает MTU с размером датаграммы и, если необходимо, осуществляет фрагментацию. Фрагментация может быть осуществлена как на отправляющем хосте, так и на промежуточном маршрутизаторе.

Теоретически, максимальный размер IP-дейтаграммы составляет 65 535 байтов, что обусловлено 16-разрядным полем полной длины в IP-заголовке.

Вам пользователь @Smithson сообщил правильный ответ, ведь IP работает не только над Ethernet, в каждой сети свой размер.

Зачем нужен MTU?

Когда общаются два компьютера в одной и той же сети, важным является MTU для этой сети. Однако, когда общаются два компьютера в разных сетях, каждый промежуточный канал может иметь различные MTU. В данном случае важным является не MTU двух сетей, к которым подключены компьютеры, а наименьший MTU любого канала данных, находящегося между двумя компьютерами. Он называется транспортным MTU (path MTU).

Транспортный MTU между любыми двумя хостами может быть не постоянным. MTU зависит от загруженности канала на настоящий момент. Также он зависит от маршрута. Маршрут может быть несимметричным (маршрут от A до B может быть совсем не тем, что маршрут от B к A), поэтому MTU может быть неодинаков для этих двух направлений.

У протокола TCP есть MSS

Есть такое понятие, как максимальный Размер TCP Сегмента (MSS), который определяет максимальное количество данных, которые хост желает принимать в единственной TCP/IP датаграмме.

Мало того, эта TCP/IP датаграмма может быть фрагментирована в уровне IP.

Значение MSS посылают как опцию TCP заголовка только в сегменте TCP SYN. Каждая сторона на TCP соединении сообщает свое значение MSS другой стороне. Хост отправитель обязан ограничивать размер данных в единственном TCP сегменте в значение, меньшем или равном MSS, о котором сообщает хост получатель.

Механизм работы MSS следующий: при создании TCP соединения, машина определяет размер буфера исходящего интерфейса и MTU этого интерфейса. Дальше эти два числа сравниваются и выбирается наименьшее. Тут следует оговориться, что за MTU выбирается число по формуле MTU минус 40 байт, для учета TCP и IP заголовков. Затем выбранное число сравнивается с размером MSS, переданным принимающей стороной, и снова выберется наименьшее значение. Пример работы MSS:

1. Машина А сравнивает размер своего буфера интерфейса (16 Кбайт) со значение MTU этого интерфейса (1500-40 = 1460 байт) и использует наименьшее число как MSS при отправке к машине B.
2. Машина B принимает значение MSS машины A (1460) и сравнивает его со значением MTU своего исходящего интерфейса (4462 - 40 = 4422 байт).
3. Машина B выбирает наименьшее из получившихся значений (1460) как значение MSS при отправке TCP сегментов к машине A.
4. Машина B сравнивает размер своего буфера интерфейса (8 Кбайт) со значение MTU этого интерфейса (4462-40 = 4422 байт) и использует наименьшее число как MSS при отправке к машине A.
5. Машина A принимает значение MSS машины B (4422) и сравнивает его со значение MTU своего исходящего интерфейса (1500 - 40 = 1460 байт).
6. Машина A выбирает наименьшее из получившихся значений (1460) как значение MSS при отправке TCP сегментов к машине B.

Таким образом MSS на обеих сторонах установлено равным 1460 байтам, это наиболее частая ситуация.

TCP - это транспортный механизм, предоставляющий поток данных, с предварительной установкой соединения, за счёт этого дающий уверенность в достоверности получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета. В отличие от UDP , гарантирует, что приложение получит данные точно в такой же последовательности, в какой они были отправлены, и без потерь.

Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать таймауты и повторные передачи для обеспечения надежности. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) и TELNET. Кроме того, TCP используют система X-Window, rcp (remote copy - удаленное копирование) и другие "r-команды". Большие возможности TCP даются не бесплатно. Реализация TCP требует большой производительности процессора и большой пропускной способности сети. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры модуля UDP.

Реализация TCP, как правило, встроена в ядро системы, хотя есть и реализации TCP в контексте приложения.

Когда осуществляется передача от компьютера к компьютеру через Internet, TCP работает на верхнем уровне между двумя конечными системами, например, интернет-браузер и интернет-сервер. Также TCP осуществляет надежную передачу потока байт от одной программы на некотором компьютере в другую программу на другом компьютере. Программы для электронной почты и обмена файлами используют TCP. TCP контролирует длину сообщения, скорость обмена сообщениями, сетевой трафик.

Когда прикладной процесс начинает использовать TCP, то модуль TCP на машине клиента и модуль TCP на машине сервера начинают общаться. Эти два оконечных модуля TCP поддерживают информацию о состоянии соединения, называемого виртуальным каналом. Этот виртуальный канал потребляет ресурсы обоих оконечных модулей TCP. Канал является дуплексным; данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях. Один прикладной процесс пишет данные в TCP-порт, они проходят по сети, и другой прикладной процесс читает их из своего TCP-порта.

Протокол TCP разбивает поток байт на пакеты; он не сохраняет границ между записями. Например, если один прикладной процесс делает 5 записей в TCP-порт, то прикладной процесс на другом конце виртуального канала может выполнить 10 чтений для того, чтобы получить все данные. Но этот же процесс может получить все данные сразу, сделав только одну операцию чтения. Не существует зависимости между числом и размером записываемых сообщений с одной стороны и числом и размером считываемых сообщений с другой стороны.

Протокол TCP требует, чтобы все отправленные данные были подтверждены принявшей их стороной. Он использует таймауты и повторные передачи для обеспечения надежной доставки. Отправителю разрешается передавать некоторое количество данных, не дожидаясь подтверждения приема ранее отправленных данных. Таким образом, между отправленными и подтвержденными данными существует окно уже отправленных, но еще неподтвержденных данных. Количество байт, которые можно передавать без подтверждения, называется размером окна. Как правило, размер окна устанавливается в стартовых файлах сетевого программного обеспечения. Так как TCP-канал является дуплексным, то подтверждения для данных, идущих в одном направлении, могут передаваться вместе с данными, идущими в противоположном направлении. Приемники на обеих сторонах виртуального канала выполняют управление потоком передаваемых данных для того, чтобы не допускать переполнения буферов.

Схема работы пользовательского приложения с TCP в общих чертах состоит в следующем. Для передачи данных пользовательскому процессу надо вызвать соответствующую функцию TCP, с указанием на буфер передаваемых данных. TCP упаковывает эти данные в сегменты своего стека и вызывает функцию передачи протокола нижнего уровня, например IP.

На другом конце, получатель TCP группирует поступившие от протокола нижнего уровня данные в принимающие сегменты своего буфера, проверяет целостность данных, передает данные пользовательскому процессу и уведомляет отправителя об их получении.

Пользовательский интерфейс с TCP может выполнять такие команды как открыть (OPEN) или закрыть соединение (CLOSE), отправить (SEND) или принять (RECEIVE) данные, а также получить состояние соединения (STATUS).

В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, как правило, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Реализуется этот механизм через интерфейс вызовов между TCP и IP.

В результате работы этого механизма каждый TCP пакет вкладывается в «конверт» протокола нижнего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же как TCP пакет содержит пользовательские данные.

Краткое описание протоколов семейства TCP/IP с расшифровкой аббревиатур

• ARP (Address Resolution Protocol, протокол определения адресов) : конвертирует 32-разрядные IP-адреса в физические адреса вычислительной сети, например, в 48-разрядные адреса Ethernet.

• FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов) : позволяет передавать файлы с одного компьютера на другой с использованием TCP-соединений. В родственном ему, но менее распространенном протоколе передачи файлов - Trivial File Transfer Protocol (TFTP) - для пересылки файлов применяется UDP, а не TCP.

• ICMP (Internet Control Message Protocol, протокол управляющих сообщений Internet) : позволяет IP-маршрутизаторам посылать сообщения об ошибках и управляющую информацию другим IP-маршрутизаторам и главным компьютерам сети. ICMP-сообщения "путешествуют" в виде полей данных IP-дейтаграмм и обязательно должны реализовываться во всех вариантах IP.

• IGMP (Internet Group Management Protocol, протокол управления группами Internet) : позволяет IP-дейтаграммам распространяться в циркулярном режиме (multicast) среди компьютеров, которые принадлежат к соответствующим группам.

• IP (Internet Protocol, протокол Internet) : низкоуровневый протокол, который направляет пакеты данных по отдельным сетям, связанным вместе с помощью маршрутизаторов для формирования Internet или интрасети. Данные "путешествуют" в форме пакетов, называемых IP-дейтаграммами.

• RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного преобразования адресов) : преобразует физические сетевые адреса в IP-адреса.

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол обмена электронной почтой) : определяет формат сообщений, которые SMTP-клиент, работающий на одном компьютере, может использовать для пересылки электронной почты на SMTP-сервер, запущенный на другом компьютере.

• TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) : протокол ориентирован на работу с подключениями и передает данные в виде потоков байтов. Данные пересылаются пакетами - TCP-сегментами, - которые состоят из заголовков TCP и данных. TCP - "надежный" протокол, потому что в нем используются контрольные суммы для проверки целостности данных и отправка подтверждений, чтобы гарантировать, что переданные данные приняты без искажений.

• UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) : протокол, не зависящий от подключений, который передает данные пакетами, называемыми UDP-дейтаграммами. UDP - "ненадежный" протокол, поскольку отправитель не получает информацию, показывающую, была ли в действительности принята дейтаграмма.

Состав и предназначение полей заголовка

ТСР-сегменты отправляются как IP-дейтаграммы. Заголовок TCP, следующий за IP-заголовком, содержит информацию TCP-протокола.

Source Port (16 бит). Порт отправителя.

Destination Port (16 бит). Порт получателя.

Sequence Number (32 бита). Номер кадра. Номер кадра первого октета данных в этом сегменте (за исключением пакета, где присутствует флаг SYN). Если в пакете присутствует флаг SYN, то номер данного пакета становится номером начала последовательности (ISN) и номером первого октета данных становится номер ISN+1.

Acknowledgment Number (32 бита). Поле номера кадра подтвержденного получения. Если пакет содержит установленный контрольный бит АСК, то это поле содержит номер следующего пакета данных отправителя, который ожидает получатель. При установленном соединении пакет подтверждения отправляется всегда.

Data Offset (4 бита). Поле величины смещения данных. Оно содержит количество 32-битных слов заголовка TCP-пакета. Это число определяет смещение расположения данных в пакете.

Reserved (6 бит). Резервное поле. Поле зарезервировано.

Флаги управления (слева направо):

• URG: Флаг срочности

• АСК: Флаг пакета, содержащего подтверждение получения

• PSH: Флаг форсированной отправки

• RST: Переустановка соединения

• SYN: Синхронизация чисел последовательности

• FIN: Флаг окончания передачи со стороны отправителя

Window (16 бит). Окно. Это поле содержит количество байт данных, которое отправитель данного сегмента может принять, отсчитанное от номера байта, указанного в поле Acknowledgment Number.

Checksum (16 бит). Поле контрольной суммы. Это поле содержит 16 бит суммы побитных дополнений 16-битных слов заголовка и данных. Если сегмент содержит нечетное число байт заголовка и данных, последний байт дополняется справа нулями. При вычислении контрольной суммы поле контрольной суммы полагается равным нулю.

Urgent Pointer (16 бит). Поле указателя срочных данных. Это поле содержит значение счетчика пакетов, начиная с которого следуют пакеты повышенной срочности. Это поле принимается во внимание только в сегментах с установленным флагом URG.

Options. Поле дополнительных параметров: может быть переменной длины.

Padding. Заполнение: переменная длина. Заполнение (нулями) TCP-заголовка используется для выравнивания его по 32-битному слову.

Эта ссылка на наглядное видео. К сожалению, оно на английском языке, но и так понятно.

На транспортном уровне работают 2 протокола: TCP и UDP.

UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм. Является ненадежным протоколом передачи данных, потому что он не устанавливает и не поддерживает соединения с удаленными узлами. То есть он просто передает данные на нижестоящий уровень и дальнейшая судьба этих данных его не интересует.
Кроме того, он не исправляет ошибки в принятых данных. Если будут обнаружены ошибки, то данные сегменты будут просто уничтожены и без запроса повторной передачи.

Для чего тогда такой протокол нужен?

Он очень полезен там, где передаваемые данные очень критичны к задержкам. Например, при передаче видео и голоса. Там недопустимы задержки, но можно пожертвовать несколькими пакетами в случае обнаружения ошибок - человеческие ухо и глаз не способны заметить потерю нескольких пакетов (если, конечно, число таких пакетов не слишком велико).
Однако для передачи чувствительных данных он совсем не годится, например, при передаче файлов - в данном случае задержки допустимы, но файл должен быть доставлен целостным.

Протокол добавляет следующий заголовок к передаваемым данным

Порт отправителя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое хочет общаться с таким же или другим приложением по сети. Например, Skype использует порт 80. Хотя может использовать и другие порты в зависимости от настроек. То есть, если Алиса пишет сообщение Кате по Skype, то компьютер Кати, приняв сообщение, сможет по номеру порта отправителя определить какое приложение отправило данное сообщение.

Порт получателя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое принимает сообщения от удаленных узлов. Иными словами, приложение “слушает” сеть на этом порту. Например, тот же Skype может принимать сообщение на порту 80. То есть, если Алиса отправит сообщение Кате на порт 80, то компьютер Кати его примет (при условии, что Skype будет в это время работать). Однако если, Алиса отправит на порт 100, а Катя слушает на порту 80, то компьютер Кати просто cбросит принятое сообщение.

А сколько всего может быть таких портов?

Всего насчитывается 65535 портов. Из них с 0 по 1023 зарезервированы под стандартные приложения, такие как FTP, SMTP, SNMP и другие. Остальные порты с 1024 и по 65535 могут быть использованы для любых других приложений. Эти порты еще называют динамическими, потому что у них нет жесткой привязки к определенному приложению и могут меняться от сеанса к сеансу.

Длина дейтаграммы - определяет длину всего сегмента, включая и сам заголовок.

Контрольная сумма - используется для проверки на наличие ошибок.

Как работает проверка?

Способ довольно примитивный. Передающий компьютер вычисляет контрольную сумму всего сегмента по специальному алгоритму и помещает это значение в поле Checksum. Затем принимающий компьютер вычисляет контрольную сумму данного сегмента и сравнивает с суммой в поле Checksum . Если значения совпадают, то сегмент принимается, в противном случае уничтожается.

Ничего, UDP не заботится о дальнейшей судьбе потерянных данных.

TCP (Transmission Control Protocol) - Протокол Управления Передачей. Надежный протокол передачи данных. С помощью него устанавливается и поддерживается связь с удаленными узлами, управляется скорость передачи данных, контролируются ошибки при передаче данных.

Вот как выглядит заголовок сегмента TCP

С некоторыми полями мы уже знакомы. Опишем новые поля.

Порядковый номер - каждый байт в отправленном сегменте нумеруется для того, чтобы на приеме правильно собрать все сегменты в единый поток. Кроме того, с помощью номера контролируется весь поток данных и исправляются поврежденные сегменты.

Номер подтверждения - чтобы убедиться, что все переданные сегменты достигли адресата используются номера подтверждения. Например, узел А отправил сегмент с порядковым номером 45 узлу В. Когда узел В примет сегмент с номером 45, то отправит узлу А пустой сегмент с подтверждающим номером 46. Узел А будет знать, что все в порядке и отправит следующий сегмент под номером 46.

Флаги - специальные знаки-сигналы, указывающие на состояние сессии. Например, запрос на установление соединения или запрос на разрыв соединения.

Размер окна - определяет количество байт для отправки за один раз. Принимающий узел отправит подтверждение только для последнего байта в сегменте. Таким образом не нужно отправлять подтверждение за каждый байт, экономя тем самым время и канал связи. Например, если размер окна равен 500, то передающий узел сразу же отправит 500 байт данных в сегменте. Принимающий узел, получив все 500 байт, отправит лишь одно подтверждение. Размер окна может меняться в течении всего сеанса связи для регулирования скорости передачи.

А кто устанавливает размер окна?

Оба участника соединения. Например, принимающий узел сообщает передающему узлу размер окна исходя из того, как быстро принимающий узел справляется с поступающими данными. Если он не успевает обработать данные, то уменьшает размер и окна и передающий узел обязан уменьшить объем передаваемых данных.
Чтобы лучше понять назначение всех этих полей рассмотрим принцип работы протокола на примере установления соединения.

Установление соединения (Трехэтапное квитирование)

Процесс установления связи осуществляется в 3 этапа.

Этап 1

Когда сторона А хочет установить связь со стороной В, то сторона А отправляет запрос с установленным флагом SYN. После этого узел А переходит в состояние SYN SENT. Узел В остается в состоянии LISTEN:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP (для упрощения восприятия некоторые данные опущены):

Генерируется порядковый номер ISNa = 1 и формируется запрос на установление соединения. Если по истечении таймаута со стороны В не поступает никакого ответа, то узел А снова отправит запрос узлу В.

Этап 2

Когда сторона В принимает запрос SYN, то тоже генерируется порядковый номер ISNb = 200 (в реальности номер может принимать другие значения) для своего сегмента. Для формирования ответа стороне А, узел В устанавливает 2 флага: SYN и ACK. Причем в качестве номера подтверждения берется порядковый номер сегмента стороны А и увеличивается на 1, то есть 1 + 1. Это означает, что запрос успешно принят и ожидается следующий сегмент с номером 2. После того, как сегмент отправлен, узел В переходит в состояние SYN-RECEIVED, узел А остается в состоянии SYN SENT:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Если по истечении таймаута от узла А не поступит подтверждения, то узел В снова отправит свой запрос.

Этап 3

После того, как узел А примет сразу 2 флага SYN и ACK, причем ACK будет на 1 больше ISN узла А, то сторона А сразу отправит второй сегмент узлу В. ISN будет увеличен на 1. Флаг будет установлен на ACK со значением ISNb + 1, то есть 200 + 1

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

После этого соединение считается успешно установленным, то есть помечается как ESTABLISHED.

Отказ в установлении соединения

Если сторона В по каким-то причинам не может установить соединение со стороной А, то генерируется ответ с флагом RST, которой информирует о прекращении попыток установления связи:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

Завершение связи

Когда одна из сторон желает завершить сеанс связи, то формирует запрос FIN и переходит в состояние FIN_WAIT 1

Сторона В подтверждает запрос отправкой ACK и переходит в состояние CLOSE_WAIT. Сразу же вслед посылается запрос FIN. После этого узел В переходит в состояние LAST_ACK:

Сторона А подтверждает отправкой ACK и переходит в состояние CLOSED. Когда узел В примет ACK, то также перейдет в состояние CLOSED. На этом сеанс связи завершен:

Контроль над искаженными и потерянными данными

Концепция TCP такова, что передатчик ожидает от приемника получение подтверждения успешного принятия байта. Пока передатчик не убедится, что данные успешно доставлены получателю он не будет передавать следующую порцию данных.
Однако подтверждать каждый переданный байт слишком дорогое удовольствие - растет нагрузка на сеть, значительно замедляется работа протокола.
Поэтому передатчик отправляет сразу несколько сегментов и ждет подтверждения от приемника. Приемнику в свою очередь достаточно отправить одно подтверждение на последний полученный сегмент.
Передатчик поймет, что все отправленные сегменты успешно получены и сразу же отправит очередной набор сегментов

Для реализации данного механизма и используются порядковые и подтверждающие номера. Каждый сегмент нумеруется первым байтом полезной нагрузки. Затем приемник посылает подтверждающий сегмент, где указывает номер первого байта следующего сегмента. Например, первый сегмент имеет 100 байт полезной нагрузки (заголовок не учитывается), второй сегмент - 200 байт. Первому байту первого сегмента присваивается номер 1, у первого байта второго сегмента номер соответственно равен 101 (100 + 1) и так далее

Теперь посмотрим как будет проходить передача сегментов

Вот как это выглядит в сетевом анализаторе:

Если сложить ISN = 2155299270 первого сегмента с длиной данных Len = 711, то получится ISN = 2155299981 второго сегмента. Таким способом приемник формирует ACK SN для 3-го сегмента.

С этим разобрались. Но что произойдет, если данные потеряны или искажены в процессе передачи?

Представим, что сегмент дошел до получателя, однако содержит ошибки. Это проверяется с помощью контрольной суммы. Тогда приемник сбросит искаженный сегмент и отправит подтверждение только за предпоследний сегмент. Передатчик поймет, что первые 2 сегмента получены без ошибок и снова отправит 3-й сегмент

Теперь посмотрим, что произойдет, если один сегмент не дойдет до получателя. В данном случае приемник вышлет подтверждение только за принятые сегменты. А о 3-ем сегменте он вообще ничего не знает, поэтому ничего не отправит.
Передатчик будет ждать определенное время и не дождавшись подтверждения за 3-й сегмент отправит его снова

Вот так и достигается контроль над ошибками данных.

Контроль за передачей данными (Метод скользящего окна)

Протокол TCP является дуплексным, то есть может одновременно работать на прием и передачу. Для этого на приеме и передаче устанавливаются буферы.
Передающий буфер содержит переданные, но еще не подтвержденные байты, а также байты готовые для передачи.
Приемный буфер содержит принятые байты для последующей обработки.

Но для чего нужны буферы, разве не может приемник сразу же обработать поступивший сегмент?

Буферы необходимы для постановки в очередь принятые и передаваемые данные, так как производительность приёмной и передающей систем, а также самой сети разные, то велика вероятность, что система не сможет на “лету” обработать большой объем данных.

Мы знаем, что передатчик может сразу отправить несколько сегментов данных, не дожидаясь подтверждения на каждый сегмент.
Но что делать, если передатчик передает данные с большой скоростью, а буфер приемника не успевает их всех вместить?

Тогда приемник просто сбросит новые поступающие данные и отправит подтверждения только на полученные и обработанные сегменты.
Передатчику придется повторно отправлять данные, пока не получит подтверждения успешного получения.

В данной ситуации приемник работает на пределе своих возможностей, а сеть постоянно загружена. Поэтому в TCP предусмотрен механизм контроля за передачей данных с помощью метода скользящего окна.

И как работает данный механизм?

В TCP заголовке имеется поле “Размер окна (Window size )”, которое указывает на то, сколько байт приемник способен принять. Иными словами это говорит о доступности буфера и наличии в нем свободного пространства для поступающих данных.
После установления соединения приемник сообщает передатчику размер окна. Например, приемник сообщил, что окно равно 5 байтам. Передатчик передаст 5 байт информации и ждет подтверждения:

В буфере передатчика в очереди на отправку стоят следующие байты, но они не будут отправлены, пока не будут подтверждены уже отправленные байты. Приемник посылает подтверждение и уведомляет о размере окна равным 5, то есть говорит: “В моем буфере есть 5 свободных мест. Пришли мне еще 5 байт.”

Окно в передающем буфере сместится на 5 байт и новая порция данных будет передана приемнику:

Теперь посмотрим, что произойдет, если приемник не успевает обработать все полученные данные и в его буфере свободное место только для 2-х байт:

Передатчик готов передать следующие 5 байт информации, так как получил подтверждение от приемника. Однако приемник также уведомил передатчик, что в приемном буфере свободно только для 2-х байт, то есть сообщает следующее: “Снижай скорость передачи. Готов принять пока 2 байта.”

И передатчик уменьшает окно и передает только 2 байта

В процессе передачи данных размер окна может постоянно меняться. Это зависит от загруженности сети и производительности передатчиков/приемников.

Что происходит, когда в буфере приемника совсем нет места?

Тогда приемник установит размер окна равным 0. Это означает прекратить передачу данных.

Как же передатчик узнает, что буфер приемника снова готов к работе?

После получения нулевого размера окна передатчик запускает специальный таймер, по истечении которого передатчик отправит пробный сегмент. Если буфер свободен, то приемник ответит на этот пробный сегмент и укажет новый размер окна, в противном случае снова укажет нулевое окно.

Итак подведем краткие итоги.
В таблице представлены сравнение протоколов UDP и TCP, а также функции, возложенные на транспортный уровень

Функции	TCP	UDP
Управление потоком	Да	Нет
Контроль над ошибками	Да	Нет
Скорость	Медленный	Быстрый
Установление соединения	Да	Нет
Использование в приложениях чувствительных к задержкам данных	Нет (иногда допустимо)	Да
Использование в приложениях менее чувствительных к задержкам данных	Да	Да (но не всегда)
Регулирование скорости передачи данных	Да	Нет
Запрос на повторную передачу потерянного или искаженного сегмента	Да	Нет
Многоканальный	Да	Да Назад

байт и обычно представляются 32-битными секциями (4 байта) с адресами, опциями и другими настройками сеансов.

Рис. 6.1.

Рассмотрим сначала IP -часть, так как это нижний уровень сетевой модели . Заголовок протокола IP содержит адреса получателя и отправителя пакета. Так как каждый адрес занимает 32 бита (4 октета по 8 бит каждый), то исходный и целевой IP -адреса вместе составляют 8 байт . В первой части заголовка помещаются различные переключатели и опции пакета. Первая строка содержит несколько бит , которые идентифицируют версию IP . Большинство сетей используют IP версии 4 ( IPv4 ), но более новая 128-битная система IP , называемая IP версии 6 ( IPv6 ), существует уже несколько лет и постепенно получает признание. Предполагается, что IPv6 разрешит проблемы адресного пространства IP , выделяя до 128 бит для адресной части, что должно удовлетворить любые мыслимые потребности. IPv6 решает также проблемы безопасности и верификации , имеющиеся в IPv4 . Но в настоящее время вы в подавляющем большинстве случаев будете видеть пакеты IPv4 . Затем следуют значения длины заголовка и типа сервиса (последний служит для дифференциации при определении приоритетов пакетов). Заключительный фрагмент этой строки представляет общую длину заголовка, которая обычно одинакова для всех пакетов (20 байт ), но может меняться для новых протоколов, таких как IPv6 .

В двух следующих строках располагаются идентификатор пакета и контрольная сумма , помогающая проверять его корректность . Наконец, имеются IP -адреса отправителя и получателя и поле опций, которое может иметь переменную длину или дополняться нулями и произвольными данными.

Заголовок TCP отвечает за создание сеанса TCP и функции более высокого уровня. Обычно он имеет длину 20 байт и начинается с номеров исходного и целевого портов по 16 бит каждый. Именно поэтому номера портов не могут быть больше 65535 (2 16 равно 65536). (Интересно, что выбор всех этих чисел, вроде бы абсолютно произвольный, всегда на чем-то основан.)

Номера портов , как упоминалось ранее, определяют программу, которой необходимо направлять пакеты на удаленной машине, и идентифицируют сеанс на локальной машине. Следующая строка содержит порядковый номер. Он используется для сборки пакетов в правильном порядке на удаленном конце, даже если они приходят в другом порядке. Это один из аспектов отказоустойчивости сеансов TCP . Кроме того, имеется номер подтверждения, также длиной 32 бита, который позволяет проверить, что пакет идет с правильной машины. Следующая строка содержит 4-битную секцию, называемую смещением данных, которая определяет, сколько 32-битных строк или "слов" имеется в заголовке (обычно 4); за ней располагаются 6 бит , зарезервированных для будущих применений. Затем следует 6-битная секция, называемая флагами TCP . Вторая половина этой строки служит для согласования размера окна и говорит получателю, сколько бит готов принять отправитель. Флаги TCP весьма важны, здесь задаются различные управляющие биты, контролирующие обработку пакетов. Каждый тип коммуникаций TCP задается одним битом, единица соответствует включению, ноль - отключению. В табл. 6.1 перечислены шесть полей раздела флагов TCP и описано их применение. Примечание: Каждое " поле " имеет ширину один бит (просто - единица или ноль, включено или выключено).

Таблица 6.1. Поля флагов TCP

Флаг TCP	Полное имя	Описание
URG	Указатель срочности	Показывает приоритет TCP-пакетов
ACK	Подтверждение	Помечает этот пакет как подтверждение получения
PSH	Выталкивание	Выталкивает поставленные в очередь данные из буферов
RST	Сброс	Сбрасывает соединение TCP по завершении или после разрыва
SYN	Синхронизация	Синхронизирует соединение
FIN	Завершение	Завершает передачу

Обычно только один или два из этих флагов установлены (биты заданы как единица ), но, как мы видели в "Сканеры портов" , ничто не мешает отправить пакет со всеми битами взведенными (сканирование XMAS) или выключенными (сканирование NULL ), чтобы попытаться запутать удаленную систему.

Следом располагается контрольная сумма TCP и указатель срочности. Затем идет строка со всеми TCP -опциями пакета, такими как дополнительные контрольные суммы, метки времени и т.д. Эта строка дополняется до 32 бит нулями, если опции не заполняют ее целиком. Наконец, следует полезная нагрузка - данные пакета. Может показаться, что на отправку одного пакета уходит слишком много накладных административных расходов (примерно 48 байт для каждого пакета), но это на самом деле обеспечивает относительно устойчивое соединение в сети, которая не всегда обладает сквозной надежностью (как Интернет ). В действительности, чтобы избежать дополнительных расходов TCP , некоторые протоколы, не требующие соединения, используют UDP - протокол без установления соединений с меньшими накладными расходами.

В стандартном сеансе Tcpdump с обычным уровнем подробности вывода вы увидите метку времени, за которой следует порядковый номер TCP . Затем выдаются IP -части, включая исходный и целевой адреса, разделенные знаком > (больше), означающим, что пакет идет отсюда туда. В конце располагается информационное поле , которое показывает, что делает пакет. Можно использовать опции -v или -vv , чтобы получить от Tcpdump более подробные данные о заголовке (см. следующий раздел).

Обычно вы будете запускать Tcpdump с некоторыми установленными опциями или фильтрами, чтобы уменьшить и сфокусировать вывод . Общий вид инструкции запуска Tcpdump таков:

Tcpdump опции выражения

Замените опции и выражения одной или несколькими допустимыми переменными. Опции Tcpdump перечислены в табл. 6.2 .

Таблица 6.2. Опции Tcpdump

Опция	Описание
-a	Пытается преобразовать адреса в имена. Это создает дополнительную нагрузку на систему и может привести к потере пакетов
-c число	Останавливает Tcpdump после обработки заданного числа пакетов
-C размер_файла	Ограничивает размер выходных файлов заданным числом байт
-d	Выдает процедуру сопоставления пакетов с образцом в удобочитаемом виде и затем останавливается
-dd	Выдает процедуру сопоставления пакетов с образцом в виде фрагмента программы на языке Си
- ddd	Выдает процедуру сопоставления пакетов с образцом в виде десятичных чисел
-e	В каждой строке выдачи печатает заголовок канального уровня (в сетях Ethernet это MAC-адрес )
-E алгоритм:секрет	Использует встроенную в Tcpdump возможность расшифровывать на лету пакеты, зашифрованные по протоколу IPsec ESP . Разумеется, чтобы использовать эту опцию, вы должны располагать разделяемым секретным ключом. В число возможных значений параметра "алгоритм" входят des - cbc , 3des - cdc , blowfish - сетевых интерфейсов
-n	Не преобразовывает адреса в имена
-N	Не печатает в именах хостов имя домена вышележащего уровня. Это полезно, если вам необходимо представить обезличенную версию вывода и вы не хотите раскрывать, чья это сеть
-p	Не переводит интерфейс в режим прослушивания. Используется только при исследовании трафика, направленного в анализирующий компьютер
-q	Печатает быстрый вывод. Печатается меньше протокольной информации, поэтому строки оказываются короче
-T тип	Заставляет интерпретировать пакеты, выбранные заданным в выражении фильтром, в соответствии с указанным типом
-t	Не печатает метку времени в каждой строке
-tt	Печатает неформатированную метку времени в каждой строке
-ttt	Печатает интервал времени между пакетами
-tttt	Печатает в каждой строке дату, а затем метку времени в подразумеваемом формате
-v	Использует чуть более подробный вывод, включающий время жизни, идентификатор, общую длину и поля опций каждого пакета
-vv	Предоставляет более детальный вывод. Пакеты NFS и SMB полностью декодируются
-vvv	Предоставляет еще более подробный вывод. Это может существенно замедлить работу анализатора
-w имя_файла	Записывает пакеты в указанный файл вместо вывода их на экран. Таким образом результаты "вынюхивания" без участия человека можно сохранить и проанализировать их позже. Например, если в вашей сети происходят какие-то странные вещи, вы можете запустить Tcpdump на ночь, чтобы перехватить весь необычный трафик. Не забудьте написать хороший фильтр, иначе полученный наутро файл может оказаться слишком большим
-x	Выводит каждый пакет (без заголовка канального уровня) в шестнадцатеричном виде.
-X	Выводит содержимое пакетов и в шестнадцатеричном, и в текстовом видах

Транспортный уровень

Задача транспортного уровня - это передача данных между различными приложениями, выполняемых на всех узлах сети. После того, как пакет доставляется с помощью IP-протокола на принимающий компьютер, данные должны быть отправлены специальному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, кроме того, приложение может иметь несколько точек входа, действуя в качестве адреса назначения для пакетов данных.

Пакеты, приходящие на транспортный уровень операционной системы организованы в множества очередей к точкам входа различных приложений. В терминологии TCP/IP такие точки входа называются портами.

Transmission Control Protocol

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) - является обязательным протоколом стандарт TCP/IP , определенный в стандарте RFC 793, "Transmission Control Protocol (TCP)".

TCP - это протокол транспортного уровня, предоставляющий транспортировку (передачу) потока данных, с необходимостью предварительного установления соединения, благодаря чему гарантирует уверенность в целостности получаемых данных, также выполняет повторный запрос данных в случае потери данных или искажения. Помимо этого протокол TCP отслеживает дублирование пакетов и в случае обнаружения - уничтожает дублирующиеся пакеты.

В отличие от протокола UDP гарантирует целостность передаваемых данных и подтверждения отправителя о результатах передачи. Используется при передаче файлов, где потеря одного пакета может привести к искажению всего файла.

TCP обеспечивает свою надежность благодаря следующему:

• Данные от приложения разбиваются на блоки определенного размера, которые будут отправлены.
• Когда TCP посылает сегмент, он устанавливает таймер, ожидая, что с удаленного конца придет подтверждение на этот сегмент. Если подтверждение не получено по истечении времени, сегмент передается повторно.
• Когда TCP принимает данные от удаленной стороны соединения, он отправляет подтверждение. Это подтверждение не отправляется немедленно, а обычно задерживается на доли секунды
• TCP осуществляет расчет контрольной суммы для своего заголовка и данных. Это контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения, целью которой является выявить любое изменение данных в процессе передачи. Если сегмент прибывает с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его и подтверждение не генерируется. (Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут и осуществит повторную передачу.)
• Так как TCP сегменты передаются в виде IP датаграмм, а IP датаграммы могут прибывать беспорядочно, также беспорядочно могут прибывать и TCP сегменты. После получения данных TCP может по необходимости изменить их последовательность, в результате приложение получает данные в правильном порядке.
• Так как IP датаграмма может быть продублирована, принимающий TCP должен отбрасывать продублированные данные.
• TCP осуществляет контроль потока данных. Каждая сторона TCP соединения имеет определенное пространство буфера. TCP на принимающей стороне позволяет удаленной стороне посылать данные только в том случае, если получатель может поместить их в буфер. Это предотвращает от переполнения буферов медленных хостов быстрыми хостами.

• Порядковый номер выполняет две задачи:
• Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности - ISN (Initial Sequence Number), и первый байт данных, которые будут переданы в следующем пакете, будет иметь номер последовательности, равный ISN + 1.
• В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот номер последовательности.
• Номер подтверждения - если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.
• Длина заголовка - задается словами по 32бита.
• Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.
• Контрольная сумма - включает псевдо заголовок, заголовок и данные.
• Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.
• URG - флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если =0 то поле игнорируется.
• ACK - флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.
• PSH - флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.
• RST - флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении
• SYN - флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.
• FIN - флаг окончание передачи со стороны отправителя

Рассмотрим структуру заголовка TCP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

TCP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки TCP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

TCP порты используют определенный порт программы для доставки данных, передаваемых с помощью протокола управления передачей (TCP). TCP порты являются более сложными и работают иначе, чем порты UDP. В то время как порт UDP работает как одиночная очередь сообщений и как точка входа для UDP-соединения, окончательной точкой входа для всех соединений TCP является уникальное соединение. Каждое соединение TCP однозначно идентифицируется двумя точками входа.

Каждый отдельный порт сервера TCP может предложить общий доступ к нескольким соединениям, потому что все TCP соединения идентифицируются двумя значениями: IP-адресом и TCP портом (сокет).

Все номера портов TCP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

TCP программы используют зарезервированные или хорошо известные номера портов, как показано на следующем рисунке.

Установление соединения TCP

Давайте теперь посмотрим, как устанавливается TCP-соединения. Предположим, что процесс, работающий на одном хосте, хочет установить соединение с другим процессом на другом хосте. Напомним, что хост, который инициирует соединение называется «клиентом», в то время как другой узел называется «сервером».

Перед началом передачи каких-либо данных, согласно протоколу TCP, стороны должны установить соединение. Соединение устанавливается в три этапа (процесс «трёхкратного рукопожатия» TCP).

• Запрашивающая сторона (которая, как правило, называется клиент) отправляет SYN сегмент, указывая номер порта сервера, к которому клиент хочет подсоединиться, и исходный номер последовательности клиента (ISN).
• Сервер отвечает своим сегментом SYN, содержащим исходный номер последовательности сервера. Сервер также подтверждает приход SYN клиента с использованием ACK (ISN + 1). На SYN используется один номер последовательности.
• Клиент должен подтвердить приход SYN от сервера своим сегментов SYN, содержащий исходный номер последовательности клиента (ISN+1) и с использованием ACK (ISN+1). Бит SYN установлен в 0, так как соединение установлено.

После установления соединения TCP, эти два хоста могут передавать данные друг другу, так как TCP-соединение является полнодуплексным, они могут передавать данные одновременно.