Логические соединения — основа надежности TCP

Основным отличием TCP от UDP является то, что на протокол TCP возложена дополнительная задача — обеспечить надежную доставку сообщений, используя в качестве основы ненадежный дейтаграммный протокол IP.

Для решения этой задачи протокол TCP использует метод продвижения данных с установлением логического соединения. Как было сказано ранее, логическое соединение дает возможность участникам обмена следить за тем, чтобы данные не были потеряны, искажены или продублированы, а также чтобы они пришли к получателю в том порядке, в котором были отправлены.

Протокол TCP устанавливает логические соединения между прикладными процессами, причем в каждом соединении участвуют только два процесса. TCP-соединение является дуплексным, то есть каждый из участников этого соединения может одновременно получать и отправлять данные.

На рис. 17.6 показаны сети, соединенные маршрутизаторами, на которых установлен протокол IP. Установленные на конечных узлах протокольные модули TCP решают задачу обеспечения надежного обмена данными путем установления между собой логических соединений.

Рис. 17.6. TCP-соединение создает надежный логический канал между конечными узлами

При установлении логического соединения модули TCP договариваются между собой о параметрах процедуры обмена данными. В протоколе TCP каждая сторона соединения посылает противоположной стороне следующие параметры:

□ максимальный размер сегмента, который она готова принимать;

□ максимальный объем данных (возможно несколько сегментов), которые она разрешает другой стороне передавать в свою сторону, даже если та еще не получила квитанцию на предыдущую порцию данных (размер окна);

□ начальный порядковый номер байта, с которого она начинает отсчет потока данных в рамках данного соединения.

В результате переговорного процесса модулей TCP с двух сторон соединения определяются параметры соединения. Одни из них остаются постоянными в течение всего сеанса связи, а другие адаптивно изменяются. В частности, в зависимости от загрузки буфера принимающей стороны, а также надежности работы сети динамически изменяется размер окна отправителя.

Соединение устанавливается по инициативе клиентской части приложения. При необходимости выполнить обмен данными с серверной частью приложение-клиент обращается к нижележащему протоколу TCP, который в ответ на это обращение посылает сегмент-запрос на установление соединения протоколу TCP, работающему на стороне сервера (рис. 17.7, а).

Рис. 17.7. Процедура установления и разрыва логического соединения при нормальном течении процесса

В числе прочего в запросе содержится флаг SYN, установленный в 1. Получив запрос, модуль TCP на стороне сервера пытается создать «инфраструктуру» для обслуживания нового клиента. Он обращается к операционной системе с просьбой о выделении определенных системных ресурсов для организации буферов, таймеров, счетчиков. Эти ресурсы закрепляются за соединением с момента создания и до момента разрыва. Если на стороне сервера все необходимые ресурсы были получены и все необходимые действия выполнены, то модуль TCP посылает клиенту сегмент с флагами АСК и SYN.

В ответ клиент посылает сегмент с флагом АСК и переходит в состояние установленного логического соединения (состояние ESTABLISHED). Когда сервер получает флаг АСК, он также переходит в состояние ESTABLISHED. На этом процедура установления соединения заканчивается, и стороны могут переходить к обмену данными. Соединение может быть разорвано в любой момент по инициативе любой стороны. Для этого клиент и сервер должны обменяться сегментами FIN и АСК, в последовательности, показанной на рис. 17.7, б (здесь инициатором является клиент). Соединение считается закрытым по прошествии некоторого времени, в течение которого сторона-инициатор убеждается, что ее завершающий сигнал АСК дошел нормально и не вызвал никаких «аварийных» сообщений со стороны сервера.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мы описали здесь процедуры установления и закрытия соединения очень схематично. Реальные протокольные модули работают в соответствии с гораздо более сложными алгоритмами, учитываю­щими всевозможные «нештатные» ситуации, такие, например, как задержки и потери сегментов, недостаточность ресурсов или неготовность сервера к установлению соединения. Кроме того, мы проигнорировали тот факт, что еще на этапе установления соединения стороны договариваются о некоторых параметрах своего взаимодействия, например о начальных номерах посылаемых ими байтов. Однако мы скоро вернемся к этим важным деталям работы протокола TCP.

Логическое TCP-соединение однозначно идентифицируется парой сокетов, определенных для этого соединения двумя взаимодействующими процессами.

Сокет одновременно может участвовать в нескольких соединениях. Так, на рис. 17.8 показаны три компьютера с адресами IPI, IP2, IP3. На каждом компьютере выполняется по одному приложению — APPL1, APPL2 и APPL3, сокеты которых — соответственно (IP1, nl), (IP2, n2), (IP3, n3), а номера TCP-портов приложений — nl, n2, n3.

Рис. 17.8. Один cокет может участвовать в нескольких соединениях

На рисунке показаны два логических соединения, которое установило приложение 2 с приложением 1 и приложением 3. Логические соединения идентифицируются как {(IP2, n2), (IP1, nl)} и {(IP2, n2), (IP3, n3)} соответственно. Мы видим, что в обоих соединениях участвует один и тот же сокет — (IP2, n2).

А теперь рассмотрим на примере, как протокол TCP выполняет демультиплексирование. Пусть некий поставщик услуг оказывает услугу по веб-хостингу, то есть на его компьютере клиенты могут разворачивать свои веб-серверы. Веб-сервер основан на протоколе прикладного уровня HTTP, который передает свои сообщения в TCP-сегментах. Модуль TCP ожидает запросы от веб-клиентов (браузеров), «прослушивая» хорошо известный порт 80.

На рис. 17.9 показан вариант хостинга с двумя веб-серверами — сервером wwwl.model.ru, имеющим IP-адрес IP1, и сервером www2.tour.ru с адресом IP2.

К каждому из них может обращаться множество клиентов, причем клиенты могут одновременно работать как с сервером wwwl, так и с сервером www2. Для каждой пары клиент-сервер протоколом TCP создается отдельное логическое соединение.

Рис. 17.9. Демультиплексирование протокола TCP на основе соединений

На рисунке показаны два браузера, имеющие соответственно сокеты (IP_k, n_k) и (IP_m, n_m). Пользователь браузера k обращается одновременно к серверам WWW1 и WWW2. Наличие отдельных соединений для работы с каждым из этих серверов обеспечивает не только надежную доставку, но и разделение информационных потоков — у пользователя никогда не возникает вопроса, каким сервером ему была послана та или иная страница. Одновременно с пользователем браузера k с сервером WWW2 работает пользователь браузера m. И в этом случае отдельные логические соединения, в рамках которых идет работа обоих пользователей, позволяют изолировать их информационные потоки. На рисунке показаны буферы, количество которых определяется не числом веб-серверов и не числом клиентов, а числом логических соединений. Сообщения в эти буферы направляются в зависимости от значений сокетов как отправителя, так и получателя. Отсюда можно сделать вполне конкретный вывод.

Протокол TCP осуществляет демультиплексирование информации, поступающей на прикладной уровень, на основе соединений процессов или, что одно и то же, на основе идентифицирующих эти процессы пар сокетов.