ICND1_Vol1_RUS

Установление соединения с удаленной системой

Пользователь услуги транспортного уровня с надежной доставкой должен организовать сеанс с установлением соединения с удаленной системой. В этом разделе обсуждается основной принцип сеанса с установлением соединения.

Установление соединения

Чтобы начать передачу данных, передающее и получающее приложения информируют свои операционные системы о том, что соединение будет инициировано. Одна из машин инициирует соединение, которое должно быть принято другой. Программные модули двух операционных систем, реализующие функции сетевых протоколов взаимодействуют между собой, обмениваясь сообщениями по сети, которые позволяют удостовериться, что передача разрешена и обе стороны готовы для выполнения нужных функций.

После успешной синхронизации между двумя конечными системами устанавливается соединение, и передача данных может быть начата. Во время передачи обе машины проверяют корректность соединения.

Трехстороннее квитирование

Протокол TCP перед началом передачи данных требует установить соединение между двумя конечными системами.

Трехстороннее квитирование

CTL = требуемым управляющим битам в заголовке TCP устанавливается значение 1.

Протокол TCP устанавливает соединение с помощью процесса, известного под названием "трехстороннее квитирование". Этот процесс предусматривает

установку в сегментах бита синхронизации (SYN) и бита подтверждения (ACK) в процессе обмена сообщениями между двумя устройствами. Другой важной функцией, выполняемой при установлении соединения, является уведомление первым устройством второму начального номера последовательности (ISN – Initial Sequence Number), который позволяет отслеживать байты данных в этом соединении. Таблица содержит упрощенное разъяснение процесса трехстороннего квитирования.

Процедура установления соединения TCP

Управление потоком

Управление потоком позволяет предотвратить проблему переполнения отправителем буферов получателя. В этом разделе рассматривается управление потоком.

Управление потоком

При передаче данных может возникнуть перегрузка среды. Компьютеротправитель может оказаться высокоскоростным устройством, генерирующим трафик быстрее, чем сеть может передать его. Кроме того, если несколько компьютеров одновременно отправляют датаграммы одному получателю, на конечном устройстве может возникнуть перегрузка при их получении. Если датаграммы прибывают настолько быстро, что получающее устройство не

успевает их обрабатывать, они будут временно сохранены в памяти. Эта область в памяти (буфер) не безгранична, поэтому, если датаграммы продолжают поступать, а память переполнена, датаграммы будут отброшены.

Поскольку потеря данных недопустима, управление потоком является обязательной функцией системы. Транспортная функция может организовать передачу отправителю индикатора "не готов". Этот индикатор фактически означает, что компьютер-получатель сообщает о новом размере окна, равном 0. Индикатор неготовности дает отправителю сигнал прекратить отправку данных и ожидать индикатора "готов". После обработки компьютером-получателем достаточного количества датаграмм для освобождения пространства, транспортная функция посылает отправителю индикатор "готов".

Получив этот индикатор, отправитель возобновляет отправку датаграмм.

Подтверждение

Соединение TCP является надежным, поэтому отправляющий и получающий компьютеры используют сигналы подтверждения, гарантирующие, что отправленные данные получены без ошибок и в правильном порядке.

Концепция размера окна

Размер окна позволяет компьютеру-отправителю посылать группу пакетов без получения подтверждения для каждого пакета. Это помогает поддерживать скорость и надежность соединения.

Подтверждение TCP

Протокол TCP выполняет последовательную нумерацию сегментов и предоставление прямых подтверждений. Прямое подтверждение приходит с принимающего устройства и сообщает отправителю, какой сегмент должен быть передан следующим. В этом разделе описывается получение подтверджений сегментов по протоколу TCP.

Подтверждение TCP

Для большей понятности, мы упростили описание работы протокола TCP. В качестве номеров последовательности и номеров подтверждения используются просто возрастающие номера, хотя в реальности номера последовательности отражают число полученных байт. При простом подтверждении TCP компьютеротправитель передает сегмент, запускает таймер и ожидает подтверждения до передачи следующего сегмента. Если таймер истекает до подтверждения получения сегмента, компьютер-отправитель повторно передает сегмент и снова запускает таймер.

Предположим, что каждый сегмент нумеруется перед передачей (следует помнить, что на самом деле отслеживается число передаваемых байт).

На получающей станции TCP собирает сегменты в полное сообщение. Если в серии отсутствует какой-то номер последовательности, этот сегмент и все последующие сегменты могут быть отправлены повторно.

Процесс подтверждения

Концепция размера окна

Окно TCP позволяет поддерживать скорость передачи на уровне, который не вызовет перегрузку и потерю данных. В этом разделе описан процесс передачи с использованием механизма размера окна.

Фиксированный размер окна

Фиксированный размер окна

Большинство форм надежной передачи данных с установлением соединения не учитывают перегрузку сети, они предусматривают подтверждение получателем приема каждого сегмента данных, для гарантии целостности передачи. Однако если отправитель должен ожидать подтверждения после отправки каждого сегмента, скорость пересылки окажется низкой и будет зависеть от времени прохождения сегмента (RTT – Round-Trip Time) между отправкой данных

и получением подтверждения.

Большинство надежных протоколов с установлением соединения допускают ожидание подтверждения доставки сразу нескольких сегментов. Это возможно, поскольку между передачей сегмента отправителем и обработкой им подтверждения получения проходит определенный промежуток времени. В течение этого интервала отправитель может передать дополнительные данные, при условии, что размер окна получателя достаточно велик для обработки сразу нескольких сегментов. Окно представляет собой число сегментов данных, разрешенное для передачи отправителем без получения подтверждения от получателя (см. рисунок).

Концепция размера окна позволяет посылать получателю определенное число сегментов, сокращая тем самым время ожидания. Время ожидания в этом случае относится к суммарному времени, необходимому на отправку данных и получение подтверждения.

Пример: бросок мяча

Представьте себе двух человек, стоящих на расстоянии 15 метров друг от друга. Один из них бросает другому футбольный мяч, который преодолевает это расстояние за 3 секунды. Второй принимает мяч и бросает его обратно, что также занимает три 3 секунды. Путь мяча туда и обратно занимает 6 секунд. Трехкратное повторение этого процесса займет 18 секунд. А теперь представим, что у первого игрока есть три мяча и он бросает их один за другим. Эта часть пути по прежнему преодолевается мячом за три секунды. Второй игрок бросает обратно один мяч, чтобы подтвердить получение третьего мяча, что также занимает три 3 секунды. Путь мяча туда и обратно занимает в итоге 6 секунд. (Разумеется, здесь не учитывается время на обработку и т. п.)

Эта процедура объясняет процесс использования окна в подключении по протоколу TCP.

Простая процедура, размер окна = 3

В данном примере для лучшего понимания использована упрощенная нумерация сегментов. На самом деле эти номера представляют октеты (байты) и их приращение имеет гораздо большее значение, содержащееся в сегментах TCP, а не сами сегменты.

Скользящий размер окна в протоколе TCP

В протоколе TCP для определения числа сегментов используется принцип скользящего окна, начинающийся с номера подтверждения, с которым получатель может согласиться. В этом разделе рассматривается механизм скользящего окна TCP.

Скользящий размер окна TCP

Вмеханизме фиксированного окна заданный размер окна не меняется.

Вмеханизме скользящего окна размер окна устанавливается в начале соединения в результате согласования и может динамически меняться

в течение сеанса TCP. Скользящее окно обеспечивает более эффективное использование полосы пропускания, поскольку больший размер окна позволяет передавать большее количество данных с отсрочкой подтверждения. Кроме того, если получатель уменьшает заявленный размер окна до 0, это фактически прекращает дальнейшую передачу данных, пока не будет отправлено новое, более высокое значение окна.

На рисунке размер окна равен 3. Отправитель может передать получателю три сегмента. Затем он должен ждать подтверждения от получателя. После того как получатель подтверждает получение трех сегментов, отправитель может передать еще три сегмента. Однако если на стороне получателя возникает нехватка ресурсов, он может уменьшить размер окна, чтобы избежать переполнения и отбрасывания сегментов данных.

Каждое подтверждение, переданное получателем, содержит объявление о размере окна с указанием числа байтов, которые может принять получатель.

Это позволяет увеличивать или уменьшать размер окна по мере необходимости для управления размером буфера и обработки.

Протокол TCP поддерживает отдельный параметр размера окна перегрузки (CWS

– Congestion Window Size), который обычно совпадает с размером окна

получателя, но уменьшается наполовину при потере сегментов. Потеря сегмента воспринимается как перегрузка сети. Протокол TCP вызывает сложные алгоритмы отката и перезапуска, поэтому он не приводит к перегрузке сети.

Принцип работы скользящего окна

Увеличение пропускной способности

Алгоритм размера окна перегрузки управляет скоростью передачи данных. Он позволяет свести к минимуму отбрасывание данных и время их восстановления, следовательно, повышает эффективность.

Глобальная синхронизация

Хотя алгоритм размера окна перегрузки, в общем, повышает эффективность передачи данных, он может также оказать на нее крайне негативное влияние, вызывая глобальную синхронизацию процесса TCP. Глобальная синхронизация означает, что все отправители используют одинаковый алгоритм и их работа синхронизирована. Все отправители одновременно испытывают одинаковую перегрузку и снижение скорости. Затем, поскольку все отправители используют один и тот же алгоритм, они одновременно наращивают скорость передачи, создавая волны перегрузки.