Лекции 4. Лекция 4 Функциональность протоколов tcp и udp

• Название: Лекция 4 Функциональность протоколов tcp и udp
• Дата: 19.09.2022
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: Лекции 4.docx
• Тип: Лекция; #684017
• страница: 4 из 14

Потоки данных, стек протоколов, механизм гнезд и мультиплексирование соединений

Для установления соединения между двумя процессами на различных компьютерах сети необходимо знать не только Internet-адреса компьютеров, но и номер ТСР-порта, который процесс использует на данном компьютере. В совокупности с Internet-адресом компьютера порты образуют систему гнезд (sockets). Пара гнезд уникально идентифицирует каждое соединение или поток данных в сети Internet, а порт обеспечивает независимость каждого ТСР-канала на данном компьютере. Безусловно, несколько процессов на машине могут использовать один и тот же ТСР-порт, но с точки зрения удаленного процесса между этими процессами не будет никакой разницы.

Рассмотрим потоки данных, проходящие через протоколы. При использовании протокола TCP данные передаются между прикладным процессом и модулем TCP. Типичным прикладным процессом, использующим протокол TCP, является модуль FTP (File Transfer Protocol, Протокол передачи фай-лов). Стек протоколов в этом случае будет FTP/TCP/IP/ENET. При использовании протокола UDP (User Datagram Protocol, Протокол дейтаграмм пользователя) данные передаются между прикладным процессом и модулем UDP. Например, SNMP (Simple Network Management Protocol, Простой протокол управления сетью) пользуется транспортными услугами UDP. Его стек протоколов выглядит так: SNMP/UDP/IP/ENET.

Одно гнездо на компьютере может быть задействовано в соединениях с несколькими гнездами на удаленных компьютерах. Кроме того, одно и то же гнездо может передавать поток данных в обоих направлениях. Таким образом, механизм гнезд позволяет на одном компьютере одновременно работать нескольким приложениям и уникально идентифицирует каждый поток данных сети. Это называется мультиплексированием соединений.

Модули TCP, UDP и драйвер Ethernet являются мультиплексорами типа n x 1. Действуя как мультиплексоры, они переключают несколько входов на один выход. Они также являются демультиплексорами типа 1 х n. Как демультиплексоры, они переключают один вход на один из многих выходов в соответствии с полем типа в заголовке протокольного блока данных. Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в модуль ARP, либо в модуль IP. (Значение поля типа в заголовке кадра указывает, куда должен быть направлен Ethernet-кадр).

Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем "Protocol" в заголовке IP-пакета. Если TCP-сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, осуществляется на основе значения поля "порт" в заголовке TCP-сообщения.

Мультиплексирование данных в обратную сторону осуществляется довольно просто, так как из каждого модуля существует только один путь вниз. Каждый протокольный модуль добавляет к пакету свой заголовок, на основании которого машина, принявшая пакет, выполняет демультиплексирование.

Назначение портов приложениям на каждом компьютере происходит независимо друг от друга. TCP может самостоятельно выбирать порт, с которым будет работать приложение, или приложение укажет, с каким портом на данном компьютере оно будет работать. Однако, как правило, часто используемые приложения - сервисы используют одни и те же номера портов, которые уже стали общеизвестными, например, такие как HTTP, FTP, SMTP и др., для того, чтобы к данному процессу на компьютере можно было присоединиться, указывая только адрес машины. Например, Internet браузер, если ему не указать дополнительно, ищет по указанному адресу приложение, работающее с портом 80, - это наиболее распространенный порт для серверов WWW.

Кроме того, машина может быть снабжена несколькими сетевыми интерфейсами, тогда она должна осуществлять мультиплексирование типа п х т, т. е. между несколькими прикладными программами и сетевыми интерфейсами.

Установление соединения и передача данных

Соединение определяется вызовом команды OPEN с аргументами в виде номера локального порта и гнезда (IP-адрес + порт) удаленного процесса. Функция OPEN вызывается и в том случае, когда данный процесс намерен передавать информацию (активный OPEN), и когда процесс ожидает поступления информации (пассивный OPEN). Функция возвращает идентификатор соединения, по которому пользователь может ссылаться в своих последующих вызовах. Идентификатор соединения указывает на структуру данных, в которой хранятся переменные и информация данного TCP-соединения. Эта структура данных называется Управляющая Структура Передачи - Transmission Control Block (TCB).

ТСВ хранит такие параметры соединения, как адреса локального и удаленного гнезд, указатели на полученные и отправляемые пользовательские данные, указатели на очередь блоков для повторной отправки, номер текущего сегмента и т. д., то есть всю информацию, используемую данным соединением.

Как уже отмечено выше, открытие соединения может быть активным и пассивным. Пассивное открытие обозначает, что процесс ожидает поступления сигнала открытия соединения и не пытается открыть канал самостоятельно. Иными словами, канал, открытый с одного конца как пассивный, ожидает инициирующего сигнала от какого-либо из хостов. Этот тип открытия канала используется процессами, которые предоставляют свой сервис через заранее известный номер своего порта (например, HTTP, SMTP и т. д.) и работают с механизмом общеизвестных гнезд.

Процесс может вызвать функцию пассивного открытия канала и ждать получения сигнала активного открытия канала от другого процесса, и только после получения такого сигнала соединение будет установлено. Соединение будет так же установлено, если два процесса активно откроют канал навстречу друг другу. Эта гибкость в установлении соединения особенно важна в распределенных сетях, когда компьютеры работают асинхронно.

Только в двух случаях принципиально важно, чтобы гнездо на данном компьютере было открыто как пассивное, а на другой стороне как активное:
1. Когда локальное пассивное открытие соединения полностью определяет гнездо на другой стороне.
2. Локальное пассивное открытие гнезда не предполагает каких-либо ограничений на гнездо с другой стороны, т. е. любое гнездо может присоединиться к данному сервису.

Если у вас на одном гнезде открыто пассивно, с соответствующими записями ТСВ, несколько соединений, то при открытии активного соединения на другом конце будет задействовано ТСВ, соответствующее параметрам, заданным активным гнездом. Если такого не существует, выбирается любое другое открытое гнездо.

Процедура установления соединения использует специальный флаг синхронизации - SYN и состоит из трех этапов обмена сообщениями - так называемое "трехходовое квитирование". Использование именно трех тактов квитирующих сообщений всегда достаточно, чтобы синхронизировать потоки данных.

Инициализация соединения начинается с обмена пакетами, которые отправляются при открытии канала пользователем, например, командой OPEN, и содержат флаг SYN и свой начальный порядковый номер пакетов данных. После этого гнезда ожидают пакет с ТСВ-партнера. Соединение считается установленным, когда в обоих направлениях синхронизируются нумерующие последовательности передаваемых пакетов, т. е. и клиент и сервер "знают", пакет с каким номером поступит с противоположного конца соединения.

Соединение закрывается, когда гнезда обмениваются пакетами, содержащими команду FIN. При этом все ресурсы системы, занятые ТСВ-данных соединений, должны быть освобождены.

Вообще говоря, TCP сам определяет, как группировать и когда отправлять очередной блок данных. Однако в некоторых случаях, пользователю необходимо быть уверенным, что все данные, переданные на уровень TCP, отправлены. Для этих целей существует функция "проталкивания пакета" - PUSH-функция. Вызов этой функции позволяет проконтролировать отправку всех буферизированных TCP-протоколом данных.

Примечание:
Под словом "пользователь" здесь и далее будет пониматься пользовательский процесс или приложение, которое работает с TCP.

Пользователь, отправляющий пакет вызовом SEND, указывает, передаются ли в сегменте или в предшествующих сегментах данные немедленно, или при передаче будет использоваться механизм кэширования данных, тогда данные будут отправляться в соответствии с установками системы. Когда же TCP получает пакет с флагом PUSH, а этот флаг устанавливается PUSH-функцией, вся кэшированная информация, вне зависимости от того, сформирована она одним вызовом команды SEND или несколькими, будет немедленно отправлена получателю.

Назначение PUSH-функции и PUSH-флага состоит только в "проталкивании" данных к пользователю, минуя механизм кэширования. Команда PUSH не производит никаких дополнительных группировок или других действий над данными.

Следует отметить, что существует взаимосвязь между PUSH-функцией и использованием буферов данных, используемых как TCP, так и пользовательским интерфейсом. Всякий раз, когда с данными, помещенными в пользовательский буфер получателя, ассоциирован PUSH-флаг, буфер немедленно передается пользователю, даже если он не заполнен до конца. Если данные заполнили буфер до получения PUSH-флага, эти данные передадутся пользователю в размере целого буфера.