Protokół sterowania transmisją

Protokół sterowania transmisją, protokół kontroli transmisji, TCP (od ang. Transmission Control Protocol) – połączeniowy, niezawodny, strumieniowy protokół komunikacyjny stosowany do przesyłania danych między procesami uruchomionymi na różnych maszynach, będący częścią szeroko wykorzystywanego obecnie stosu TCP/IP (korzysta z usług protokołu IP do wysyłania i odbierania danych oraz ich fragmentacji wtedy, gdy jest to konieczne^[1] ), jego numer porządkowy to 6(inne języki). Protokół sterowania transmisją operuje w warstwie transportowej modelu OSI. Opracowano go na podstawie badań Vintona Cerfa oraz Roberta Kahna^[1] [2]. Został opisany w dokumencie RFC 793 ↓.

TCP jest protokołem działającym w trybie klient–serwer. Serwer oczekuje na nawiązanie połączenia na określonym porcie. Klient inicjuje połączenie do serwera.

W przeciwieństwie do UDP, TCP gwarantuje wyższym warstwom komunikacyjnym dostarczenie wszystkich pakietów w całości, z zachowaniem kolejności i bez duplikatów. Zapewnia to wiarygodne połączenie kosztem większego narzutu w postaci nagłówka i większej liczby przesyłanych pakietów. Chociaż protokół definiuje pakiet TCP, z punktu widzenia wyższej warstwy oprogramowania dane płynące połączeniem TCP należy traktować jako ciąg oktetów. W szczególności, jednemu wywołaniu funkcji interfejsu programowania aplikacji (np. send()) nie musi odpowiadać wysłanie jednego pakietu. Dane z jednego wywołania mogą zostać podzielone na kilka pakietów lub odwrotnie – dane z kilku wywołań mogą zostać połączone i wysłane jako jeden pakiet (dzięki użyciu algorytmu Nagle'a). Również funkcje odbierające dane (recv()) w praktyce odbierają nie konkretne pakiety, ale zawartość bufora stosu TCP/IP, wypełnianego sukcesywnie danymi z przychodzących pakietów.

W protokole sterowania transmisją do nawiązania połączenia między dwoma hostami stosowana jest procedura nazwana three-way handshake. W sytuacji normalnej jest rozpoczynana, gdy host A chce nawiązać połączenie z hostem B. Wygląda ona następująco^[1] :

• Host A wysyła do hosta B segment SYN wraz z informacją o dolnej wartości numerów sekwencyjnych używanych do numerowania segmentów wysyłanych przez host A (np. 100), a następnie przechodzi w stan SYN-SENT.
• Host B, po otrzymaniu segmentu SYN, przechodzi w stan SYN-RECEIVED i, jeżeli również chce nawiązać połączenie, wysyła hostowi A segment SYN z informacją o dolnej wartości numerów sekwencyjnych używanych do numerowania segmentów wysyłanych przez host B (np. 300) oraz segment ACK z polem numeru sekwencji ustawionym na wartość o jeden większą niż wartość pola sekwencji pierwszego segmentu SYN hosta A, czyli 101.
• Host A po odebraniu segmentów SYN i ACK od hosta B przechodzi w stan ESTABLISHED i wysyła do niego segment ACK potwierdzający odebranie segmentu SYN (numer sekwencji ustawiony na 301).
• Host B odbiera segment ACK i przechodzi w stan ESTABLISHED.
• Host A może teraz rozpocząć przesyłanie danych.

Jeśli host odbierający połączenie nie chce lub nie może odebrać połączenia, powinien odpowiedzieć pakietem z ustawioną flagą RST (reset).

W celu weryfikacji wysyłki i odbioru TCP używa sum kontrolnych i sekwencyjnych numerów pakietów. Odbiorca potwierdza otrzymanie pakietów o określonych numerach sekwencyjnych, ustawiając flagę ACK. Brakujące pakiety są retransmitowane. Host odbierający pakiety TCP defragmentuje je i porządkuje je według numerów sekwencyjnych tak, by przekazać wyższym warstwom modelu OSI pełny złożony segment.

Prawidłowe zakończenie połączenia może być zainicjowane przez dowolną stronę. Polega ono na wysłaniu pakietu z ustawioną flagą FIN (finished). Pakiet taki wymaga potwierdzenia flagą ACK. Najczęściej po otrzymaniu pakietu z flagą FIN, druga strona również kończy komunikację, wysyłając pakiet z flagami FIN i ACK. Pakiet taki również wymaga potwierdzenia przez przesłanie ACK.

Dopuszcza się również awaryjne przerwanie połączenia poprzez przesłanie pakietu z flagą RST (reset). Pakiet taki nie wymaga potwierdzenia.

Połączenie TCP może znajdować się w jednym z następujących stanów:

LISTEN

Gotowość do przyjęcia połączenia na określonym porcie przez serwer.

SYN-SENT

Pierwsza faza nawiązywania połączenia przez klienta. Wysłano pakiet z flagą SYN. Oczekiwanie na pakiet SYN+ACK.

SYN-RECEIVED

Otrzymano pakiet SYN, wysłano SYN+ACK. Trwa oczekiwanie na ACK. Połączenie jest w połowie otwarte (ang. half-open).

ESTABLISHED

Połączenie zostało prawidłowo nawiązane. Prawdopodobnie trwa transmisja.

FIN-WAIT-1

Wysłano pakiet FIN. Dane wciąż mogą być odbierane, ale wysyłanie jest już niemożliwe.

FIN-WAIT-2

Otrzymano potwierdzenie własnego pakietu FIN. Oczekuje na przesłanie FIN od serwera.

CLOSE-WAIT

Otrzymano pakiet FIN, wysłano ACK. Oczekiwanie na przesłanie własnego pakietu FIN (gdy aplikacja skończy nadawanie).

CLOSING

Połączenie jest zamykane.

LAST-ACK

Otrzymano i wysłano FIN. Trwa oczekiwanie na ostatni pakiet ACK.

TIME-WAIT

Oczekiwanie w celu upewnienia się, że druga strona otrzymała potwierdzenie rozłączenia. Zgodnie z RFC 793 ↓ połączenie może być w stanie TIME-WAIT najdłużej przez 4 minuty.

CLOSED

Połączenie jest zamknięte.

Port nadawcy – 16-bitowy numer identyfikujący port nadawcy.

Port odbiorcy – 16-bitowy numer identyfikujący port odbiorcy.

Numer sekwencyjny – 32-bitowy identyfikator określający miejsce pakietu danych w pliku przed fragmentacją (dzięki niemu, można „poskładać” plik z poszczególnych pakietów).

Numer potwierdzenia – 32-bitowy numer będący potwierdzeniem otrzymania pakietu przez odbiorcę, co pozwala na synchronizację nadawanie-potwierdzenie.

Długość nagłówka – 4-bitowa liczba, która oznacza liczbę 32-bitowych wierszy nagłówka, co jest niezbędne przy określaniu miejsca rozpoczęcia danych. Dlatego też nagłówek może mieć tylko taką długość, która jest wielokrotnością 32 bitów.

Zarezerwowane – 3-bitowy ciąg zer, zarezerwowany dla ewentualnego przyszłego użytku.

Flagi – 9-bitowa informacja/polecenie dotyczące bieżącego pakietu. Poszczególne flagi oznaczają:

• NS – (ang. Nonce Sum) jednobitowa suma wartości flag ECN (ECN Echo, Congestion Window Reduced, Nonce Sum) weryfikująca ich integralność
• CWR – (ang. Congestion Window Reduced) flaga potwierdzająca odebranie powiadomienia przez nadawcę, umożliwia odbiorcy zaprzestanie wysyłania echa.
• ECE – (ang. ECN-Echo) flaga ustawiana przez odbiorcę w momencie otrzymania pakietu z ustawioną flagą CE
• URG – informuje o istotności pola „Priorytet”
• ACK – informuje o istotności pola „Numer potwierdzenia”
• PSH – wymusza przesłanie pakietu
• RST – resetuje połączenie (wymagane ponowne uzgodnienie sekwencji)
• SYN – synchronizuje kolejne numery sekwencyjne
• FIN – oznacza zakończenie przekazu danych

Szerokość okna – 16-bitowa informacja o tym, ile danych może aktualnie przyjąć odbiorca. Wartość 0 wskazuje na oczekiwanie na segment z innym numerem tego pola. Jest to mechanizm zabezpieczający komputer odbiorcy przed zbyt dużym napływem danych.

Suma kontrolna – 16-bitowa liczba, będąca wynikiem działań na bitach całego pakietu, pozwalająca na sprawdzenie tego pakietu pod względem poprawności danych. Obliczana jest z całego nagłówka TCP z wyzerowanymi polami sumy kontrolnej oraz ostatnich ośmiu pól nagłówka IP stanowiących adresy nadawcy i odbiorcy pakietu.

Wskaźnik priorytetu – 16 bitów, jeżeli flaga URG jest włączona, informuje o ważności pakietu.

Opcje – czyli ewentualne dodatkowe informacje i polecenia:

• 0 – koniec listy opcji
• 1 – brak działania
• 2 – ustawia maksymalna długość segmentu

W przypadku opcji 2 to tzw. Uzupełnienie, które dopełnia zerami długość segmentu do wielokrotności 32 bitów (patrz: informacja o polu „Długość nagłówka”)

Aplikacje, w których zalety protokołu sterowania transmisją przeważają nad wadami (większy koszt związany z utrzymaniem sesji TCP przez stos sieciowy), to między innymi programy używające protokołów warstwy aplikacji: HTTP, SSH, FTP czy SMTP/POP3 i IMAP4.

• JonJ. Postel JonJ., Transmission Control Protocol, RFC 793, IETF, wrzesień 1981, DOI: 10.17487/RFC0793, ISSN 2070-1721, OCLC 943595667  (ang.).

• V.V. Jacobson V.V., R.R. Braden R.R., D.D. Borman D.D., TCP Extensions for High Performance, RFC 1323, IETF, maj 1992, DOI: 10.17487/RFC1323, ISSN 2070-1721, OCLC 943595667  (ang.).
• Opis protokołu TCP w języku angielskim