TCP ( — протокол управления передачей) — один из основных протоколов передачи данных интернета. Пакеты в TCP называются сегментами.
В стеке протоколов TCP/IP выполняет функции транспортного уровня модели OSI.
Механизм TCP предоставляет поток данных с предварительной установкой соединения, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета, гарантируя тем самым (в отличие от UDP) целостность передаваемых данных и уведомление отправителя о результатах передачи.
Реализации TCP обычно встроены в ядра ОС. Существуют реализации TCP, работающие в пространстве пользователя.
Заголовок сегмента TCP + Структура заголовка Бит 0 — 3 4 — 6 7 — 15 16 — 310Порт источника, Source Port Порт назначения, Destination Port32Порядковый номер, Sequence Number (SN)64Номер подтверждения, Acknowledgment Number (ACK SN)96Длина заголовка, (Data offset)ЗарезервированоФлагиРазмер Окна, Window size128Контрольная сумма, ChecksumУказатель важности, Urgent Pointer160Опции (необязательное, но используется практически всегда)160/192+ Данные
Порт источника, Порт назначения Эти 16-битные поля содержат номера портов — числа, которые определяются по специальному списку.
Порт источника идентифицирует приложение клиента, с которого отправлены пакеты. Ответные данные передаются клиенту на основании этого номера.
Порт назначения идентифицирует порт, на который отправлен пакет.
Порядковый номер Sequence number (32 бита) — измеряется в байтах, и каждый переданный байт полезных данных (payload) увеличивает это значение на 1.
Если установлен флаг SYN (идёт установление сессии), то поле содержит изначальный порядковый номер — ISN (Initial Sequence Number). В целях безопасности это значение генерируется случайным образом и может быть равно от 0 до 232−1 (4294967295). Первый байт полезных данных в устанавливающейся сессии будет иметь номер ISN+1.
В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот порядковый номер.
Поскольку поток TCP в общем случае может быть длиннее, чем число различных состояний этого поля, то все операции с порядковым номером должны выполняться по Это накладывает практическое ограничение на использование TCP. Если скорость передачи коммуникационной системы такова, чтобы в течение MSL (максимального времени жизни сегмента) произошло переполнение порядкового номера, то в сети может появиться два сегмента с одинаковым номером, относящихся к разным частям потока, и приёмник получит некорректные данные.
Номер подтверждения Acknowledgment Number (ACK SN) (32 бита) — если установлен флаг ACK, то это поле содержит порядковый номер байта, который отправитель данного сегмента желает получить. Это означает, что все предыдущие байты (с номерами включительно) были успешно получены.
Каждая сторона подсчитывает свой Sequence number для переданных данных и отдельно Acknowledgement number для полученных данных. Sequence number каждой из сторон соответствует Acknowledgement number другой стороны.
Длина заголовка (смещение данных) Длина заголовка (Data offset) занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Минимальный размер составляет 20 байт (пять 32-битовых слов), а максимальный — 60 байт (пятнадцать 32-битовых слов). Длина заголовка определяет смещение полезных данных относительно начала сегмента. Например, Data offset равное 11112 говорит о том, что заголовок занимает пятнадцать 32-битных слова (15 строк*32 бита в каждой строке/8 бит = 60 байт).
Зарезервировано Зарезервировано (3 бита) для будущего использования и должно устанавливаться в ноль.
Флаги (управляющие биты) Это поле содержит 9 битовых флагов:
NS (ECN-nonce) — Устойчивый механизм сигнализации насыщения с помощью ECN-nonce (RFC 3540)
CWR (Congestion Window Reduced) — Поле «Окно перегрузки уменьшено» — флаг установлен отправителем, чтобы указать, что получен пакет с установленным флагом ECE (RFC 3168) ECE (ECN-Echo) — Поле «Эхо ECN» — указывает, что данный узел способен на ECN (явное уведомление перегрузки) и для указания отправителю о перегрузках в сети (RFC 3168)
URG — поле «Указатель важности» задействовано (). Когда узел отправляет сегмент с URG флагом, то узел-получатель принимает его на отдельном канале.
ACK — поле «Номер подтверждения» задействовано () PSH — () инструктирует получателя протолкнуть данные, накопившиеся в приёмном буфере, в приложение пользователя. API для установки PSH флага нет. Обычно он устанавливается ядром, когда оно очищает буфер. Дело в том, что когда узел отправляет информацию, TCP сохраняет её в буфере и не передает её сразу другому узлу, ожидая, захочет ли узел-отправитель передать ещё. Такая же схема работает и у узла-получателя. Когда он получает информацию, TCP сохраняет её в буфере, чтобы не тревожить приложение из-за каждого байта полученной информации. Если узел отправляет сегмент с PSH флагом, это значит, что он отправил все, что было нужно. RST — оборвать соединения, сбросить буфер (очистка буфера) () SYN — синхронизация номеров последовательности () FIN (, бит) — флаг, будучи установлен, указывает на завершение соединения ().
Размер окна Window Size самостоятельно определяет количество байт данных (payload), после передачи которых отправитель ожидает подтверждения от получателя, что данные получены. Иначе говоря, получатель пакета располагает для приёма данных буфером длиной «размер окна» байт.
По умолчанию размер окна измеряется в байтах, поэтому ограничен 216 (65535) байтами. Однако благодаря TCP опции Window scale option этот размер может быть увеличен до 1 Гбайта. Чтобы задействовать эту опцию, обе стороны должны согласовать это в своих SYN сегментах.
Контрольная сумма (Checksum)
Поле контрольной суммы — это 16-битное дополнение к сумме всех 16-битных слов заголовка (включая псевдозаголовок) и данных. Если сегмент, по которому вычисляется контрольная сумма, имеет длину не кратную 16-битам, то длина сегмента увеличивается до кратной 16-ти за счёт добавления к нему справа нулевых битов заполнения. Биты заполнения (0) не передаются в сообщении и служат только для расчёта контрольной суммы. При расчёте контрольной суммы значение самого поля контрольной суммы принимается равным 0.
Указатель важности (Urgent pointer)
16-битовое значение положительного смещения от порядкового номера в данном сегменте. Это поле указывает порядковый номер байта, которым заканчиваются важные (urgent) данные. Поле принимается во внимание только для пакетов с установленным флагом URG. Используется для внеполосных данных.
Опции Могут применяться в некоторых случаях для расширения протокола. Иногда используются для тестирования. На данный момент в опции практически всегда включают 2 байта NOP (в данном случае 0x01) и 10 байт, задающих timestamps. Вычислить длину поля опции можно через значение поля смещения.
Механизм действия протокола В отличие от традиционной альтернативы — UDP, который может сразу же начать передачу пакетов, TCP устанавливает соединения, которые должны быть созданы перед передачей данных. TCP-соединение можно разделить на 3 стадии: Установка соединения. Передача данных. Завершение соединения.
Состояния сеанса TCP
Состояния сеанса TCPCLOSEDНачальное состояние узла. Фактически фиктивноеLISTENСервер ожидает запросов установления соединения от клиентаSYN-SENTКлиент отправил запрос серверу на установление соединения и ожидает ответаSYN-RECEIVEDСервер получил запрос на соединение, отправил ответный запрос и ожидает подтвержденияESTABLISHEDСоединение установлено, идёт передача данныхFIN-WAIT-1Одна из сторон (назовём её узел-1) завершает соединение, отправив сегмент с флагом FINCLOSE-WAITДругая сторона (узел-2) переходит в это состояние, отправив, в свою очередь сегмент ACK и продолжает одностороннюю передачуFIN-WAIT-2Узел-1 получает ACK, продолжает чтение и ждёт получения сегмента с флагом FINLAST-ACKУзел-2 заканчивает передачу и отправляет сегмент с флагом FINTIME-WAITУзел-1 получил сегмент с флагом FIN, отправил сегмент с флагом ACK и ждёт 2*MSL секунд, перед окончательным закрытием соединенияCLOSINGОбе стороны инициировали закрытие соединения одновременно: после отправки сегмента с флагом FIN узел-1 также получает сегмент FIN, отправляет ACK и находится в ожидании сегмента ACK (подтверждения на свой запрос о разъединении)
Установка соединения Процесс начала сеанса TCP (также называемый «рукопожатие» ()), состоит из трёх шагов.
1. Клиент, который намеревается установить соединение, посылает серверу сегмент с номером последовательности и флагом SYN.
Сервер получает сегмент, запоминает номер последовательности и пытается создать сокет (буфера и управляющие структуры памяти) для обслуживания нового клиента. В случае успеха сервер посылает клиенту сегмент с номером последовательности и флагами SYN и ACK, и переходит в состояние SYN-RECEIVED. В случае неудачи сервер посылает клиенту сегмент с флагом RST.
2. Если клиент получает сегмент с флагом SYN, то он запоминает номер последовательности и посылает сегмент с флагом ACK. Если клиент одновременно получает и флаг ACK (что обычно и происходит), то он переходит в состояние ESTABLISHED. Если клиент получает сегмент с флагом RST, то он прекращает попытки соединиться. Если клиент не получает ответа в течение 10 секунд, то он повторяет процесс соединения заново.
3. Если сервер в состоянии SYN-RECEIVED получает сегмент с флагом ACK, то он переходит в состояние ESTABLISHED. В противном случае после тайм-аута он закрывает сокет и переходит в состояние CLOSED.
Процесс называется «трёхэтапным рукопожатием» (), так как, несмотря на то, что возможен процесс установления соединения с использованием четырёх сегментов (SYN в сторону сервера, ACK в сторону клиента, SYN в сторону клиента, ACK в сторону сервера), на практике для экономии времени используется три сегмента.
Пример базового 3-этапного согласования:
TCP A TCP B 1. CLOSED LISTEN 2. SYN-SENT --> <SEQ=100><CTL=SYN> --> SYN-RECEIVED 3. ESTABLISHED <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> <-- SYN-RECEIVED 4. ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> --> ESTABLISHED 5. ESTABLISHED <-- <SEQ=301><ACK=101><CTL=ACK><DATA> <-- ESTABLISHED
В строке 2 TCP A начинает передачу сегмента SYN, говорящего об использовании номеров последовательности, начиная со 100;
В строке 3 TCP B передаёт SYN и подтверждение для принятого SYN в адрес TCP A. Поле подтверждения показывает ожидание TCP B приёма номера последовательности 101, подтверждающего SYN с номером 100;
В строке 4 TCP A отвечает пустым сегментом с подтверждением ACK для сегмента SYN от TCP B;
В строке 5 TCP B передаёт некоторые данные. Отметим, что номер подтверждения сегмента в строке 5 (ACK=101) совпадает с номером последовательности в строке 4 (SEQ=101), поскольку ACK не занимает пространства номеров последовательности (если это сделать, придётся подтверждать подтверждения — ACK для ACK).
Существуют экспериментальные расширения протокола TCP, сокращающие количество пакетов при установлении соединения, например . Ранее также существовало расширение T/TCP. Для прозрачного шифрования данных предлагается использовать расширение tcpcrypt.
Передача данных
При обмене данными приёмник использует номер последовательности, содержащийся в получаемых сегментах, для восстановления их исходного порядка. Приёмник уведомляет передающую сторону о номере последовательности, до которой он успешно получил данные, включая его в поле «номер подтверждения». Все получаемые данные, относящиеся к промежутку подтверждённых последовательностей, игнорируются. Если полученный сегмент содержит номер последовательности больший, чем ожидаемый, то данные из сегмента буферизируются, но номер подтверждённой последовательности не изменяется. Если впоследствии будет принят сегмент, относящийся к ожидаемому номеру последовательности, то порядок данных будет автоматически восстановлен исходя из номеров последовательностей в сегментах.