Протокол TCP. Сетевые анализаторы

Транспортный уровень

Задача транспортного уровня - это передача данных между различными приложениями, выполняемых на всех узлах сети. После того, как пакет доставляется с помощью IP-протокола на принимающий компьютер, данные должны быть отправлены специальному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, кроме того, приложение может иметь несколько точек входа, действуя в качестве адреса назначения для пакетов данных.

Пакеты, приходящие на транспортный уровень операционной системы организованы в множества очередей к точкам входа различных приложений. В терминологии TCP/IP такие точки входа называются портами.

Transmission Control Protocol

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) - является обязательным протоколом стандарт TCP/IP , определенный в стандарте RFC 793, "Transmission Control Protocol (TCP)".

TCP - это протокол транспортного уровня, предоставляющий транспортировку (передачу) потока данных, с необходимостью предварительного установления соединения, благодаря чему гарантирует уверенность в целостности получаемых данных, также выполняет повторный запрос данных в случае потери данных или искажения. Помимо этого протокол TCP отслеживает дублирование пакетов и в случае обнаружения - уничтожает дублирующиеся пакеты.

В отличие от протокола UDP гарантирует целостность передаваемых данных и подтверждения отправителя о результатах передачи. Используется при передаче файлов, где потеря одного пакета может привести к искажению всего файла.

TCP обеспечивает свою надежность благодаря следующему:

• Данные от приложения разбиваются на блоки определенного размера, которые будут отправлены.
• Когда TCP посылает сегмент, он устанавливает таймер, ожидая, что с удаленного конца придет подтверждение на этот сегмент. Если подтверждение не получено по истечении времени, сегмент передается повторно.
• Когда TCP принимает данные от удаленной стороны соединения, он отправляет подтверждение. Это подтверждение не отправляется немедленно, а обычно задерживается на доли секунды
• TCP осуществляет расчет контрольной суммы для своего заголовка и данных. Это контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения, целью которой является выявить любое изменение данных в процессе передачи. Если сегмент прибывает с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его и подтверждение не генерируется. (Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут и осуществит повторную передачу.)
• Так как TCP сегменты передаются в виде IP датаграмм, а IP датаграммы могут прибывать беспорядочно, также беспорядочно могут прибывать и TCP сегменты. После получения данных TCP может по необходимости изменить их последовательность, в результате приложение получает данные в правильном порядке.
• Так как IP датаграмма может быть продублирована, принимающий TCP должен отбрасывать продублированные данные.
• TCP осуществляет контроль потока данных. Каждая сторона TCP соединения имеет определенное пространство буфера. TCP на принимающей стороне позволяет удаленной стороне посылать данные только в том случае, если получатель может поместить их в буфер. Это предотвращает от переполнения буферов медленных хостов быстрыми хостами.

• Порядковый номер выполняет две задачи:
• Если установлен флаг SYN, то это начальное значение номера последовательности - ISN (Initial Sequence Number), и первый байт данных, которые будут переданы в следующем пакете, будет иметь номер последовательности, равный ISN + 1.
• В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот номер последовательности.
• Номер подтверждения - если установлен флаг ACK, то это поле содержит номер последовательности, ожидаемый получателем в следующий раз. Помечает этот сегмент как подтверждение получения.
• Длина заголовка - задается словами по 32бита.
• Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.
• Контрольная сумма - включает псевдо заголовок, заголовок и данные.
• Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.
• URG - флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если =0 то поле игнорируется.
• ACK - флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.
• PSH - флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.
• RST - флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении
• SYN - флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.
• FIN - флаг окончание передачи со стороны отправителя

Рассмотрим структуру заголовка TCP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

TCP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки TCP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

TCP порты используют определенный порт программы для доставки данных, передаваемых с помощью протокола управления передачей (TCP). TCP порты являются более сложными и работают иначе, чем порты UDP. В то время как порт UDP работает как одиночная очередь сообщений и как точка входа для UDP-соединения, окончательной точкой входа для всех соединений TCP является уникальное соединение. Каждое соединение TCP однозначно идентифицируется двумя точками входа.

Каждый отдельный порт сервера TCP может предложить общий доступ к нескольким соединениям, потому что все TCP соединения идентифицируются двумя значениями: IP-адресом и TCP портом (сокет).

Все номера портов TCP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

TCP программы используют зарезервированные или хорошо известные номера портов, как показано на следующем рисунке.

Установление соединения TCP

Давайте теперь посмотрим, как устанавливается TCP-соединения. Предположим, что процесс, работающий на одном хосте, хочет установить соединение с другим процессом на другом хосте. Напомним, что хост, который инициирует соединение называется «клиентом», в то время как другой узел называется «сервером».

Перед началом передачи каких-либо данных, согласно протоколу TCP, стороны должны установить соединение. Соединение устанавливается в три этапа (процесс «трёхкратного рукопожатия» TCP).

• Запрашивающая сторона (которая, как правило, называется клиент) отправляет SYN сегмент, указывая номер порта сервера, к которому клиент хочет подсоединиться, и исходный номер последовательности клиента (ISN).
• Сервер отвечает своим сегментом SYN, содержащим исходный номер последовательности сервера. Сервер также подтверждает приход SYN клиента с использованием ACK (ISN + 1). На SYN используется один номер последовательности.
• Клиент должен подтвердить приход SYN от сервера своим сегментов SYN, содержащий исходный номер последовательности клиента (ISN+1) и с использованием ACK (ISN+1). Бит SYN установлен в 0, так как соединение установлено.

После установления соединения TCP, эти два хоста могут передавать данные друг другу, так как TCP-соединение является полнодуплексным, они могут передавать данные одновременно.

Когда мы рассматривали метод коммутации пакетов, мы узнали, что пакет состоит из заголовка и поля данных, содержащего передаваемые данные. Тогда мы были не готовы к подробному рассмотрению структуры заголовка пакета, но сейчас мы можем сделать это. Протокол IP не ориентирован на соединение, поэтому не обеспечивает надежную доставку данных. Поля, описание которых приведено в табл. 1.4, представляют собой IP-заголовок и добавляются к пакету при его получении с транспортного уровня. Протокол TCP, в отличие от протокола IP, ориентирован на установление соединения и обеспечивает надежную доставку данных. Структура TCP-пакета описана в табл. 1.5.

Таблица 1.4. Структура заголовка 1Р-пакета

Таблица 1.5. Структура ТСР-пакета

Многим знакома аббревиатура TCP, гораздо меньшее количество людей знает, что это протокол передачи данных. Но практически никто не знает, как он устроен.

Внимание! Этот материал рассчитан на тех, кого действительно интересуется вопросом: «Как устроена сеть, и что я могу сделать, если буду это знать». Если же тебя еще смущают слова вроде DNS, Telnet, Socket — то можешь сразу забить на этот материал — такие «страшные» слова тут конечно не встретятся, но от этого содержание понятней не станет…

Для тех кто остался:

Наверное, многие из вас слышали такие слова как SYN-flooding или IP-spoofing. Все это разновидности атак — первая D.O.S., вторая
состоит в подмене IP-адреса. На первый взгляд между этими примерами нет ничего общего, но между тем, это не так — обе эти атаки не возможны без глубокого знания протокола TCP, протокола на котором стоит
Inet.

Спецификация протокола TCP описана в RFC793 . Рекомендую тебе ознакомится с этим документом, потому как хоть я и постараюсь повести до тебя самое важное, снабдив это важное соответствующими комментариями, которых ты не найдешь в мануале, но все же из-за малого объема и практического угла зрения, могу и упустить некоторые тонкости.

Данные, передаются в виде пакетов. Такая организация передачи означает, что данные, какого размера они ни были, разбиваются на отдельные фрагменты, которые формируются в пакеты (формирование пакетов предполагает, что к данным прибавляется служебный заголовок), после чего в виде пакетов данные передаются по сети (причем порядок передачи пактов может нарушаться). Принимающая система «собирает» из пакетов исходный массив данных на основании заголовков пакетов. Это не очень понятно, но только до тех пор, пока не рассмотрим структуру пакетов.

Структура TCP-пакета:

Поясню только самые важные места:

Адрес получателя, порт получателя и адрес отправителя, порт отправителя — это надеюсь понятно.

Sequence Number(SYN) — номер очереди или последовательный номер, показывает порядковый номер пакета при передаче, именно поэтому принимающая система собирает пакеты именно так, как надо, а не в том порядке, как они пришли.

Acknowledgment Number(ACK) — номер подтверждения, показывает, на пакет с каким SYN отвечает удаленная система, таким образом мы имеем представление, что удаленная система получила наш пакет с данным
SYN.

Контрольные биты- 6 бит (на схеме между reversed и window). Значения битов:

URG: поле срочного указателя задействовано
ACK: поле подтверждения задействовано
PSH: функция проталкивания
RST: перезагрузка данного соединения
SYN: синхронизация номеров очереди
FIN: нет больше данных для передачи

DATA — это непосредственно те данные, которые мы хотим передать.

Думаю, для начала это все, что нужно, чтобы понять принцип работы протокола. Более подробно о значении остальных полей ты можешь прочитать в в RFC793. Ну а мы лучше разберем как же все-таки это работает на практике.

Когда мы хотим установить соединение, мы отправляем удаленной системе пакет следующей структуры:

Client — SYN (856779) — Host

Где Client- это мы, a Host — это удаленная система. Как ты видишь, мы посылаем пакет лишь с указанием SYN — это значит, что этот пакет первый, мы ни на что не отвечаем (отсутствует ACK). Данный пакет выглядит примерно так:

20 53 52 43 00 00 44 45 53 54 00 00 08 00 45 00 00 2C C3 00 40 00 20 06 10 0C CB 5E FD BA CB 5E F3 47 04 07 00 17 00 0D 12 CB 00 00 00 00 60 02 20 00 D9 70 00 00 02 04 05 B4 2D

Интересный момент в том, откуда берется SYN. SYN образуется от первоначального номера очереди
(ISN) — это 32-битный номер от 1 до 4294967295 (2 в 32-ой степени). ISN при перезагрузке системы равен 1, затем каждую секунду он увеличивается на 128000 (строго говоря изменение происходит каждые 4 микросекунды) + при каждом установленном соединении он увеличивается на 64000. Получается, что цикл уникальности ISN, при условии того, что никакие соединения не устанавливались, составляет примерно 4,55 часа. Поскольку ни один пакет так долго по сети не путешествует, мы можем полагать, что SYN будет абсолютно уникальным.

Получив наш пакет, удаленная система отвечает, что получила и готова установить соединение. Данные пакет выглядит так:

Host — SYN (758684758) и ACK (856780) — Client

Как видишь, удаленная система дает понять, что получила наш пакет. Для этого она посылает нам ACK с номером «наш SYN+1». В добавок к этому удаленная система посылает нам свой SYN (мы же тоже будем отвечать). А ответ наш будет такой:

Client — SYN (856780) и ACK (758684759) — Host

Думаю тебе уже должно быть все понятно. Если кто не понял, то пакет означает следующее: ваш пакет с SYN (758684758) получен, соединение установлено, наш SYN равен 856780.

Эту процедуру называют «трехкратным подтверждением» или «трехкратным рукопожатием». Первые два этапа необходимы для синхронизации SYN наших систем, а третий — подтверждение того, что синхронизация произошла.

Далее у нас идет обмен данными, т.е. то, для чего соединение и устанавливалось. Причем надо заметить, что на всех стадиях обеспечение сохранности данных, передаваемых с использованием протокола TCP, осуществляется следующим образом: посланный пакет помещается в буфер и если за определенное время от удаленной системы не приходит пакет с подтверждением (ACK), то пакет посылается снова; если же подтверждение пришло, то пакет считается посланным успешно и удаляется из буфера.

Ну соединение нам больше не нужно, можно его и закрыть. Этот этап снова будет
состоять из нескольких стадий — надеюсь ты уже в состоянии сам прочитать эти пакеты.

Client — FIN(4894376) и ACK (1896955378) — Host

Host — ACK (4894377) — Client

Host — FIN (1896955378) и ACK (4894377) — Client

Client — ACK (1896955378) — Host

Думаю, ничего сложного здесь нет. Единственное, что стоит отметить — это флаг FIN, который означает желание завершить соединение.

Подводя небольшие итоги вышеизложенному, отметим в каких же случаях изменяются/не изменяются порядковые номера:

Передача одного FIN Пакета = +1
Передача одного SYN Пакета = +1
Передача одного ACK Пакета = 0
Передача одного SYN/ACK Пакета = +1
Передача одного FIN/ACK Пакета = +1
Изменение за 1 секунду = +128,000
Установление одного соединения = +64,000

Возможно, кто-то спросит: «А что будет, если машин получит пакет с таким ACK, которого не было?» (SYN=ACK-1, а пакет с таким SYN мы не посылали). Получив ответ непонятно на что, мы в свою очередь ответим удаленной системе NACK-пакетом (означает «не знаю о чем ты», никакого соединения не устанавливается), но, надеюсь, более подробно мы поговорим с тобой об этом в следующий раз.

Эталонная модель - это идеальная модель передачи данных. OSI помогает иллюстрировать зависимость одних протоколов от других, и кто кем погоняет, но она не может диктовать, как им функционировать.

MTU и модель OSI

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535 , и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - Maximum Transfer Unit, MTU. Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

MTU является характеристикой канального уровня модели OSI. Если IP хочет отослать датаграмму, которая больше чем MTU канального уровня, осуществляется фрагментация (fragmentation), при этом датаграмма разбивается на меньшие части (фрагменты). Каждый фрагмент должен быть меньше чем MTU.

Верхний уровень всегда знает о нижнем . Когда IP уровень получает IP датаграмму, которую необходимо отправить, он определяет, на какой локальный интерфейс отправляется датаграмма (или маршрутизируется), и запрашивает интерфейс, чтобы тот сообщил размер своего MTU. IP сравнивает MTU с размером датаграммы и, если необходимо, осуществляет фрагментацию. Фрагментация может быть осуществлена как на отправляющем хосте, так и на промежуточном маршрутизаторе.

Теоретически, максимальный размер IP-дейтаграммы составляет 65 535 байтов, что обусловлено 16-разрядным полем полной длины в IP-заголовке.

Вам пользователь @Smithson сообщил правильный ответ, ведь IP работает не только над Ethernet, в каждой сети свой размер.

Зачем нужен MTU?

Когда общаются два компьютера в одной и той же сети, важным является MTU для этой сети. Однако, когда общаются два компьютера в разных сетях, каждый промежуточный канал может иметь различные MTU. В данном случае важным является не MTU двух сетей, к которым подключены компьютеры, а наименьший MTU любого канала данных, находящегося между двумя компьютерами. Он называется транспортным MTU (path MTU).

Транспортный MTU между любыми двумя хостами может быть не постоянным. MTU зависит от загруженности канала на настоящий момент. Также он зависит от маршрута. Маршрут может быть несимметричным (маршрут от A до B может быть совсем не тем, что маршрут от B к A), поэтому MTU может быть неодинаков для этих двух направлений.

У протокола TCP есть MSS

Есть такое понятие, как максимальный Размер TCP Сегмента (MSS), который определяет максимальное количество данных, которые хост желает принимать в единственной TCP/IP датаграмме.

Мало того, эта TCP/IP датаграмма может быть фрагментирована в уровне IP.

Значение MSS посылают как опцию TCP заголовка только в сегменте TCP SYN. Каждая сторона на TCP соединении сообщает свое значение MSS другой стороне. Хост отправитель обязан ограничивать размер данных в единственном TCP сегменте в значение, меньшем или равном MSS, о котором сообщает хост получатель.

Механизм работы MSS следующий: при создании TCP соединения, машина определяет размер буфера исходящего интерфейса и MTU этого интерфейса. Дальше эти два числа сравниваются и выбирается наименьшее. Тут следует оговориться, что за MTU выбирается число по формуле MTU минус 40 байт, для учета TCP и IP заголовков. Затем выбранное число сравнивается с размером MSS, переданным принимающей стороной, и снова выберется наименьшее значение. Пример работы MSS:

1. Машина А сравнивает размер своего буфера интерфейса (16 Кбайт) со значение MTU этого интерфейса (1500-40 = 1460 байт) и использует наименьшее число как MSS при отправке к машине B.
2. Машина B принимает значение MSS машины A (1460) и сравнивает его со значением MTU своего исходящего интерфейса (4462 - 40 = 4422 байт).
3. Машина B выбирает наименьшее из получившихся значений (1460) как значение MSS при отправке TCP сегментов к машине A.
4. Машина B сравнивает размер своего буфера интерфейса (8 Кбайт) со значение MTU этого интерфейса (4462-40 = 4422 байт) и использует наименьшее число как MSS при отправке к машине A.
5. Машина A принимает значение MSS машины B (4422) и сравнивает его со значение MTU своего исходящего интерфейса (1500 - 40 = 1460 байт).
6. Машина A выбирает наименьшее из получившихся значений (1460) как значение MSS при отправке TCP сегментов к машине B.

Таким образом MSS на обеих сторонах установлено равным 1460 байтам, это наиболее частая ситуация.

Протокол TCP(TransmissionControlProtocol– протокол управления передачей) является ориентированным на соединение транспортным протоколом с надежной доставкой данных. Поэтому он имеет жесткие алгоритмы обнаружения ошибок, разработанные для обеспечения целостности передаваемых данных.

Для обеспечения надежной доставки применяется последовательная нумерация и подтверждение. С помощью последовательной нумерации определяется порядок следования данных в пакетах и выявляются пропущенные пакеты. Последовательная нумерация с подтверждением позволяет организовать надежную связь, которая называется полным дуплексом (fullduplex). Каждая сторона соединения обеспечивает собственную нумерацию для другой стороны.

TCP– является байтовым последовательным протоколом. В отличие от пакетных последовательных протоколов, он присваивает последовательный номер каждому передаваемому байту пакета, а не каждому пакету в отдельности.

Рис. Формат заголовка TCP-пакета

Назначение полей tcp пакета:

Номер порта отправителя – Source Port (16 бит) – содержит номер порта, с которого был отправлен пакет, когда это имеет значение (например, отправитель ожидает ответа). Если это поле не используется, оно заполняется нулями.

Номер порта назначения – Destination Port (16 бит) – содержит номер порта, на который будет доставлен пакет.

Порядковый номер – Sequence number (32 бита) – значение, присвоенное пакетуTCP, определяющее номер стартового байта пакета, если не установлен битSYN. Если установлен указанный бит, то порядковый номер является начальным порядковым номером (ISN) и первый байт данных равенISN+ 1;

Номер подтверждения – Acknowledgment Number (32 бита) – значение, отсылаемое принимающей станцией отправителю, подтверждающее прием переданного ранее пакета (пакетов). Оно задает следующий порядковый номер, который целевая станция ожидает получить при установленном битеACK. При установленном соединении подтверждение отправляется всегда.

Смещение данных – Data Offset (4 бита) – задает длину заголовкаTCP(количество 32-битовых слов в заголовкеTCP);

Резервное поле – Reserved (6 бит) – зарезервировано.

Флаги управления:

URG – флаг срочности, применяется при посылке сообщения получателю, ожидающему приема экстренной информации;

ACK – флаг пакета, содержащего подтверждение получения;

PSH – флаг выталкивания, немедленная отсылка данных после считывания данных этого пакета;

RST – флаг переустановки соединения;

SYN – флаг синхронизации чисел последовательности;

FIN – флаг окончания передачи со стороны отправителя.

Окно – Window (16 бит) – содержит количество байт данных, которое отправитель данного сегмента может принять, отсчитанное от номера байта, указанного в полеAcknowledgmentNumber.

Поле контрольной суммы – Checksum (16 бит) – представляет собой побитное дополнение 16-битной суммы 16-битных слов заголовка и данных дополненных нулевым байтом, если сегмент содержит нечетное число байт заголовка и данных. При вычислении контрольной суммы поле контрольной суммы полагается равным нулю.

Указатель срочных данных – Urgent Pointer (16 бит) – содержит значение счетчика байтов, начиная с которого следуют данные повышенной срочности. Данное поле интерпретируется только в пакетах с установленным флагомURG;

Опции – Options – имеет переменную длину и содержит дополнительные параметры;

Заполнение – Padding – имеет переменную длину и используется для выравнивания заголовка по 32-битному слову нулевыми значениями.