8.3.2 Transmission Control Protocol - TCP

Spis tresci

• Wprowadzenie
• Naglowek TCP
• Uslugi protokolu TCP: Przesyl danych, Niezawodnosc, Kontrola przeplywu, Wiele sesji transmisyjnych w jednym systemie, Polaczenia
• Polaczenia
• Funkcje: tcp_connect(), tcp_accept(), tcp_sendmsg(), tcp_recvmsg(), tcp_close(),
• Bibliografia

Wprowadzenie

Ponizszy rysunek przedstawia umiejscowienie protokolu TCP w modelu OSI i pozwala na lepsze zrozumienie dzialania sieci typu internet. Prosze zwrocic uwage na to, ze protokol TCP obslugiwany jest przez maszyny uzytkownikow (ang. host) a nie na poziomie urzadzen takich, jak router.

Naglowek TCP

W pliku include/linux/tcp.h zdefiniowany jest sam naglowek TCP. Normalnie ma on dlugosc 20 bajtow, ale tylko w przypadku braku dodatkowych opcji.

struct tcphdr {
	__u16	source;
	__u16	dest;
	__u32	seq;
	__u32	ack_seq;
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
	__u16	res1:4,
		doff:4,
		fin:1,
		syn:1,
		rst:1,
		psh:1,
		ack:1,
		urg:1,
		res2:2;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
	__u16	doff:4,
		res1:4,
		res2:2,
		urg:1,
		ack:1,
		psh:1,
		rst:1,
		syn:1,
		fin:1;
#else
#error	"Adjust your  defines"
#endif	
	__u16	window;
	__u16	check;
	__u16	urg_ptr;
};

Objasnienia poszczegolnych pol w strukturze tcphdr.

source, dest

Numery portow: zrodlowego i docelowego, aplikacji wysylajacej i odbierajacej. Te dwie wartosci razem z adresami IP: zrodlowym i docelowym, w naglowku IP, jednoznacznie okreslaja polaczenie (ang. connection).

seq

Numer sekwencyjny (ang. sequence number) bajtu w strumieniu przesylanych danych, identyfikujacy pierwszy bajt danych w danym segmencie TCP. Jesli rozpatrzymy strumien bajtow przesylanych w jedna strone miedzy dwoma aplikacjami , okaze sie, ze modul TCP numeruje kazdy bajt numerem sekwencyjnym. Numer ten to 32 bitowa liczba bez znaku, cyklicznie zaokraglana do 0 po osiagnieciu 2³² - 1.

ack_seq

Poniewaz wszystkie przesylane bajty sa numerowane, ack_seq (ang. acknowledgment number) zawiera nastepny numer sekwencyjny bajtu, oczekiwanego przez nadawce ack_seq. Czyli ack_seq rowna sie numerowi sekwencyjnemu ostatniego poprawnie otrzymanego bajtu, dodac 1. Pole to wazne jest tylko gdy ustawiony jest bit ACK. Poniewaz dane w polaczeniu TCP moga byc przesylane w dwie strony, kazda ze stron polaczenia musi utrzymywac numery sekwencyjne dla danych przesylanych w kazdym z kierunkow.

doff

Dlugosc naglowka TCP liczona w 32 bitowych slowach. Wbrew pozorom pole to jest potrzebne, poniewaz dlugosc opcji w naglowku TCP moze byc rozna.

res1, res2

Bity zarezerwowane na przyszlosc. Musza byc ustawione na zero.

urg

Gdy bit urg jest ustawiony, pole urg_ptr jest wazne.

ack

Gdy bit urg jest ustawiony, pole ack_seq jest wazne.

psh

Gdy bit psh jest ustawiony, modul odbiorczy TCP powinien przekazac dane aplikacji tak szybko, jak tylko jest to mozliwe.

rst

Gdy bit rst jest ustawiony, oznacza to wyzerowanie (ang. reset) polaczenia.

syn

Gdy bit syn jest ustawiony, oznacza to synchronizacje numerow sekwencyjnych przy inicjalizacji polaczenia.

fin

Gdy bit fin jest ustawiony, oznacza to, ze nadawca skonczyl przesylac dane.

window

Protokol TCP realizuje kontrole predkosci przeplywu danych wykorzystujac to pole. Mianowicie, pole to zawiera liczbe bajtow, poczynajac od bajtu okreslonego w polu ack_seq, ktore odbiorca jest w stanie odebrac.

check

Suma kontrolna pokrywajaca naglowek i dane TCP. Suma ta, musi byc obliczona przez nadawce i sprawdzona przez odbiorce.

urg_ptr

Pole to zawiera dodatnie przesuniecie (ang. offset), ktore musi byc dodane do numeru sekwencyjnego (seq), aby wyznaczyc numer sekwencyjny ostatniego bajtu pilnych danych (ang. ungent data). Wskaznik ten ma znaczenie tylko wtedy, gdy ustawiony jest bit URG. Ten rodzaj transmisji TCP jest wykorzystywany wtedy, gry nadawca chce przeslac odbiorcy dane "awaryjne".

Uslugi protokolu TCP

Przesyl danych

Niezawodnosc

Kontrola przeplywu

Wiele sesji transmisyjnych w jednym systemie

Polaczenia

Polaczenia

• Otwarcie pasywne (ang. passive open). Daje mozliwosc protokolowi warstwy aplikacji, poinformowania modulu TCP, iz nie chce on inicjowac polaczenia z wlasnej strony ale oczekuje na polaczenia przychodzace z zewnatrz. Linux otrzymujac tego typu zadanie, przypisuje procesowi numer portu, ktory bedzie wykorzystywany do oczekiwania na przychodzace polaczenia. W przypadku, gdy nadejdzie segment TCP zadajacy nawiazania polaczenia z tym wlasnie portem, system informuje o tym zdarzeniu proces przypisany do tego numeru portu. Nastepnie proces sam moze zadecydowac o akceptacji polaczenia. Wyrozniamy dwa typy otwarcia pasywnego:
  • W pelni okreslone otwarcie pasywne (ang. fully specified passive open). Uzyty adres docelowy jest taki sam jak w otwarciu aktywnym. Czyli ten rodzaj otwarcia posiada w pelni okreslone gniazdo (ang. socket) identyfikujace drugi koniec polaczenia
  • Nieokreslone otwarcie pasywne (ang. unspecified passive open). Czyli, z tym portem, polaczenie moze nawiazac dowolny proces. Gniazdo docelowe jest nieokreslone.
• Otwarcie aktywne (ang. active open). Ten rodzaj otwarcia polaczenia daje protokolowi wyzszej warstwy mozliwosc okreslenia gniazda docelowego, z ktorym aplikacja chce nawiazac polaczenie. Otwarcie aktywne jest najczesciej uzywane do zawarcia polaczenia z pasywnym gniazdem przypisanym innemu procesowi.

Ponizszy rysunek przedstawia najprostszy scenariusz wymiany segmentow TCP przy zawieraniu i konczeniu polaczenia. Teraz omowimy szczegoly zawierania polaczenia. Aby ustanowic polaczenie TCP:

1. Klient (ang. client) wysyla SYN segment (segment inicjujacy polaczenie), z okreslonym numerem portu serwera, z ktorym chce sie polaczyc, dodatkowo klient przekazuje w tym segmencie, inicjujacy numer sekwencyjny (ang. ISN - initial sequence number). Na naszym rysunku ISM reprezentuje "J".
2. Serwer odpowiada na wezwanie klienta wlasnym SYN segmentem, zawierajacym ISN serwera, czyli "K" na rysunku. Dodatkowo przesylane jest potwierdzenie SYN segmentu klienta, z wartoscia ack rowna "J+1". Bit SYN konsumuje jeden numer sekwencyjny.
3. Klient musi potwierdzic (ang. acknowledge) SYN segment otrzymany od serwera. Aby to zrobic wysyla segment z polem ack rownym "K+1".

Jak sa wymieniane segmenty przy zamykaniu polaczenia, przedstawia rysunek powyzej. Kiedy do zawarcia polaczenia wystarcza wymiana trzech segmentow, to do zamkniecia polaczenia trzeba wymienic cztery segmenty. Jest to spowodowane tym, ze polaczenie TCP jest dwukierunkowe. Czyli dane moga byc przesylane w dwoch kierunkach. Wiec kazda strona polaczenia musi zamknac polaczenie (ang. shutdown) niezaleznie. Strona ktora pierwsza wyslala FIN segment (segment konczacy polaczenie) przeprowadza aktywne zamkniecie (ang. active close). Druga strona, ktora otrzymala FIN segment przeprowadza zamkniecie pasywne (ang. passive close).

Oczywiscie, roznych kombinacji zawierania i konczenia polaczen jest o wiele wiecej. Zainteresowanych odsylam do RFC 793.

Funkcje

Funkcja tcp_connect()

DEFINICJA: static int tcp_connect(struct sock *sk, struct sockaddr_in *usin, int addr_len)

Funkcja tcp_accept()

DEFINICJA: static struct sock *tcp_accept(struct sock *sk, int flags)

Funkcja tcp_sendmsg()

DEFINICJA: static int tcp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, int len, int nonblock, int flags)

Funkcja tcp_recvmsg()

DEFINICJA: static int tcp_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, int len, int nonblock, int flags, int *addr_len)

Funkcja tcp_close()

DEFINICJA: static void tcp_close(struct sock *sk, unsigned long timeout)

Bibliografia

1. Pliki zrodlowe Linuxa:
   • net/ipv4/tcp.c
   • include/linux/tcp.h
2. W. Richard Stevens: TCP/IP Illustrated, Volume 1 - The Protocols
3. RFC 793, Transmission Control Protocol
4. Michael K. Johnson: Linux Kernel Hackers' Guide
5. Krzysztof Mlynarski: Techniczna Strona Internetu, magazyn Software 3,4/96