UNIX: разработка сетевых приложений - Уильям Стивенс

2.4. TCP: протокол контроля передачи

Сервис, предоставляемый приложению протоколом TCP, отличается от сервиса, предоставляемого протоколом UDP. TCP описывается в документах RFC 793 [96], RFC 1323 [53], RFC 2581 [4], RFC 2988 [91] и RFC 3390 [2]. Прежде всего, TCP обеспечивает установление соединений (connections) между клиентами и серверами. Клиент TCP устанавливает соединение с выбранным сервером, обменивается с ним данными по этому соединению и затем разрывает соединение.

TCP также обеспечивает надежность (reliability). Когда TCP отправляет данные на другой конец соединения, он требует, чтобы ему было выслано подтверждение получения. Если подтверждение не приходит, TCP автоматически передает данные повторно и ждет в течение большего количества времени. После некоторого числа повторных передач TCP оставляет эти попытки. В среднем суммарное время попыток отправки данных занимает от 4 до 10 минут (в зависимости от реализации).

TCP не гарантирует получение данных адресатом, поскольку это в принципе невозможно. Если доставка оказывается невозможной, TCP уведомляет об этом пользователя, прекращая повторную передачу и разрывая соединение. Следовательно, TCP нельзя считать протоколом, надежным на 100%: он обеспечивает надежную доставку данных или надежное уведомление о неудаче.

TCP содержит алгоритмы, позволяющие динамически прогнозировать время (период) обращения (round-trip time, RTT) между клиентом и сервером, и таким образом определять, сколько времени необходимо для получения подтверждения. Например, RTT в локальной сети может иметь значение порядка миллисекунд, в то время как для глобальной сети (WAN) эта величина может достигать нескольких секунд. Более того, TCP постоянно пересчитывает величину RTT, поскольку она зависит от сетевого трафика.

TCP также упорядочивает (sequences) данные, связывая некоторый порядковый номер с каждым отправляемым им байтом. Предположим, например, что приложение записывает 2048 байт в сокет TCP, что приводит к отправке двух сегментов TCP. Первый из них содержит данные с порядковыми номерами 1-1024, второй — с номерами 1025-2048. (Сегмент (segment) — это блок данных, передаваемых протоколом TCP протоколу IP.) Если какой-либо сегмент приходит вне очереди (то есть если нарушается последовательность сегментов), принимающий TCP заново упорядочит сегменты, основываясь на их порядковых номерах, перед тем как отправить данные принимающему приложению. Если TCP получает дублированные данные (допустим, компьютер на другом конце ошибочно решил, что сегмент был потерян, и передал его заново, когда на самом деле он потерян не был, просто сеть была перегружена), он может определить, что данные были дублированы (исходя из порядковых номеров), и дублированные данные будут проигнорированы.

Протокол UDP не обеспечивает надежности. UDP сам по себе не имеет ничего похожего на описанные подтверждения передачи, порядковые номера, определение RTT, тайм-ауты или повторные передачи. Если дейтаграмма UDP дублируется в сети, на принимающий узел могут быть доставлены два экземпляра. Также, если клиент UDP отправляет две дейтаграммы в одно и то же место назначения, их порядок может быть изменен сетью, и они будут доставлены с нарушением исходного порядка. Приложения UDP должны самостоятельно обрабатывать все подобные случаи, как это показано в разделе 22.5.

TCP обеспечивает управление потоком (flow control). TCP всегда сообщает своему собеседнику, сколько именно байтов он хочет получить от него. Это называется объявлением окна (window). В любой момент времени окно соответствует свободному пространству в буфере получателя. Управление потоком гарантирует, что отправитель не переполнит этот буфер. Окно изменяется динамически с течением времени: по мере того как приходят данные от отправителя, размер окна уменьшается, но по мере считывания принимающим приложением данных из буфера окно увеличивается. Возможно, что окно станет нулевым: если принимающий буфер TCP для данного сокета заполнен, отправитель должен подождать, когда приложение считает данные из буфера.

UDP не обеспечивает управления потоком. Быстрый отправитель UDP может передавать дейтаграммы с такой скоростью, с которой не может работать получатель UDP, как это показано в разделе 8.13.

Наконец, соединение TCP также является двусторонним (full-duplex). Это значит, что приложение может отправлять и принимать данные в обоих направлениях на заданном соединении в любой момент времени. Иначе говоря, TCP должен отслеживать состояние таких характеристик, как порядковые номера и размеры окна, для каждого направления потока данных: отправки и приема. После установления двустороннее соединение может быть преобразовано в одностороннее (см. раздел 6.6).

UDP может быть (а может и не быть) двусторонним.

2.5. SCRIPT: протокол управления передачей потоков

Сервисы, предоставляемые SCRIPT, имеют много общего с сервисами TCP и UDP. Протокол SCRIPT описывается в RFC 2960 [118] и RFC 3309 [119]. Введение в SCRIPT приводится в RFC 3286 [85]. SCRIPT ориентирован на создание ассоциаций между клиентами и серверами. Кроме того, SCRIPT предоставляет приложениям надежность, упорядочение данных, управление передачей и двустороннюю связь, подобно TCP. Слово «ассоциация» используется вместо слова «соединение» намеренно, потому что соединение всегда устанавливалось между двумя IP-адресами. Ассоциация означает взаимодействие двух систем, которые могут иметь по несколько адресов (это называется multihoming — множественная адресация).

В отличие от TCP, протокол SCRIPT ориентирован не на поток байтов, а на сообщения. Он обеспечивает упорядоченную доставку отдельных записей. Как и в UDP, длина сообщения, записанная отправителем, передается приложению-получателю.

SCRIPT может поддерживать несколько потоков между конечными точками ассоциации, для каждого из которых надежность и порядок сообщений контролируются отдельно. Утрата сообщения в одном из потоков не блокирует доставку сообщений по другим потокам. Этот подход прямо противоположен тому, что имеется в TCP, где потеря единственного байта блокирует доставку всех последующих байтов по соединению до тех пор, пока ситуация не будет исправлена.

Кроме того, SCRIPT поддерживает множественную адресацию, что позволяет единственной конечной точке SCRIPT иметь несколько IP-адресов. Эта функция обеспечивает дополнительную устойчивость в случае отказов сети. Конечная точка может иметь избыточные IP-адреса, каждый из которых может соответствовать собственному соединению с инфраструктурой Интернета. В такой конфигурации SCRIPT позволит обойти проблему, возникшую на одном из адресов, благодаря переключению на другой адрес, заранее связанный с соответствующей ассоциацией SCRIPT.

Подобной устойчивости можно достичь и с TCP, если воспользоваться протоколами маршрутизации. Например, BGP-соединения внутри домена (iBGP) часто используют адреса, назначаемые виртуальному интерфейсу маршрутизатора в качестве конечных точек соединения TCP. Протокол маршрутизации домена гарантирует, что если между двумя маршрутизаторами будет хоть какой-то доступный путь, он будет использован, что было бы невозможно, если бы используемые адреса принадлежали интерфейсу в сети, где возникли проблемы. Функция множественной адресации SCRIPT позволяет узлам (а не только маршрутизаторам) использовать аналогичный подход, причем даже с подключениями через разных провайдеров, что невозможно при использовании TCP с маршрутизацией.

2.6. Установление и завершение соединения TCP

Чтобы облегчить понимание функций connect, accept и close и чтобы нам было легче отлаживать приложения TCP с помощью программы netstat, мы должны понимать, как устанавливаются и завершаются соединения TCP. Мы также должны понимать диаграмму перехода состояний TCP.

Трехэтапное рукопожатие

При установлении соединения TCP действия развиваются по следующему сценарию.

1. Сервер должен быть подготовлен для того, чтобы принять входящее соединение. Обычно это достигается вызовом функций socket, bind и listen и называется пассивным открытием (passive open).

2. Клиент выполняет активное открытие (active open), вызывая функцию connect. Это заставляет клиента TCP послать сегмент SYN (от слова synchronize — синхронизировать), чтобы сообщить серверу начальный порядковый номер данных, которые клиент будет посылать по соединению. Обычно с сегментом SYN не посылается никаких данных: он содержит только заголовок IP, заголовок TCP и, возможно, параметры TCP (о которых мы вскоре поговорим).