M11.Warstwa transportowa i aplikacji.pdf

Moduł 11.Warstwa transportowa i aplikacji

Zadaniem warstwy transportowej TCP/IP jest, jak sugeruje jej nazwa, transport danych pomiędzy aplikacjami

urządzenia źródłowego i docelowego. Dokładne poznanie działania warstwy transportowej jest niezbędne do

zrozumienia zagadnień związanych z nowoczesnymi sieciami przesyłania danych. W module tym zostaną opisane

funkcje i usługi tej krytycznej warstwy modelu sieciowego TCP/IP.

Wiele aplikacji sieciowych znajdujących się w warstwie aplikacji modelu TCP/IP jest dobrze znanych nawet

sporadycznym użytkownikom sieci. Na przykład terminy HTTP, FTP i SMTP są akronimami często spotykanymi

przez użytkowników przeglądarek WWW i klientów poczty elektronicznej. W module tym zostały również

opisane funkcje tych oraz innych aplikacji modelu sieciowego TCP/IP.

11.1 Warstwa transportowa TCP/IP

11.1.1 Wprowadzenie do warstwy transportowej

Do podstawowych zadań warstwy

transportowej, warstwy 4 modelu OSI,

należą transportowanie informacji i

sterowanie ich przepływem ze źródła do

celu w sposób niezawodny i dokładny.

Kontrola typu end-to-end oraz

niezawodność są zapewniane przez okna

przesuwne, numery kolejne i

potwierdzenia.

Aby zrozumieć niezawodność i kontrolę

przepływu, można wyobrazić sobie

kogoś, kto po rocznej nauce języka

obcego odwiedza kraj, w którym ten

język jest używany. Podczas rozmowy

słowa muszą być wypowiadane powoli i

dla pewności powtarzane, by nie zgubić

sensu rozmowy. Tym właśnie jest

kontrola przepływu.

Warstwa transportowa zapewnia usługi

przesyłania danych z hosta źródłowego

do hosta docelowego. Umożliwia ona

nawiązanie połączenia logicznego

pomiędzy punktami końcowymi sieci. Protokoły warstwy transportowej dzielą na segmenty i ponownie składają

dane wysyłane przez aplikacje wyższej warstwy, przesyłając je w tym samym strumieniu danych warstwy

transportowej. Strumień danych warstwy transportowej obsługuje transport typu end-to-end, czyli transport

między punktami końcowymi.

Strumień ten jest logicznym połączeniem pomiędzy punktami końcowymi sieci. Do jego podstawowych zadań

należy transportowanie informacji i sterowanie ich przepływem ze źródła do celu w sposób niezawodny i

dokładny. Podstawowym zadaniem warstwy 4 jest zapewnienie kontroli typu end-to-end z wykorzystaniem

metody okien przesuwnych oraz zapewnienie niezawodności za pomocą mechanizmów numerów kolejnych i

potwierdzeń. Warstwa transportowa określa połączenia typu end-to-end pomiędzy aplikacjami na hostach.

Usługi transportowe obejmują następujące usługi podstawowe:

· segmentacja danych aplikacji wyższej warstwy,

· ustanawianie operacji typu end-to-end,

· transport segmentów między dwoma hostami końcowymi,

· kontrola przepływu zapewniana przez okna przesuwne,

· niezawodność zapewniana przez numery sekwencyjne i potwierdzenia.

TCP/IP jest kombinacją dwóch oddzielnych protokołów. Protokół IP działa w warstwie 3 i jest protokołem

bezpołączeniowym odpowiadającym za dostarczanie danych poprzez sieć z dołożeniem wszelkich starań.

Protokół TCP działa w warstwie 4 i jest usługą zorientowaną połączeniowo odpowiedzialną za kontrolę

przepływu i niezawodność. Połączenie tych protokołów w parę zapewnia szerszy zakres usług. Razem stanowią

one podstawę dla całego zestawu protokołów, zwanego zestawem protokołów TCP/IP. Na jego podstawie powstał

Internet.

11.1.2 Kontrola przepływu

Podczas przesyłania segmentów danych przez warstwę transportową podejmowane są starania, aby nie dopuścić

do utraty danych. Przyczyną utraty danych może być sytuacja, w której host odbierający nie jest w stanie

przetwarzać danych z taką szybkością, z jaką one do niego docierają. Host odbierający jest wtedy zmuszony do

ich odrzucenia. Kontrola przepływu zapobiega problemowi przepełnienia buforów hosta odbierającego. Protokół

TCP zawiera mechanizm kontroli przepływu polegający na umożliwieniu komunikacji pomiędzy hostem

wysyłającym i odbierającym. W ten sposób oba hosty ustalają prędkość transferu danych na wartość

odpowiadającą każdemu z nich.

11.1.3 Przegląd operacji ustanawiania, obsługi i zakończenia sesji

W modelu odniesienia OSI wiele

aplikacji może współdzielić to samo

połączenie transportowe. Funkcje

transportu danych są realizowane na

zasadzie wysyłania segmentu za

segmentem. Innymi słowy, różne

aplikacje mogą wysyłać segmenty

danych w oparciu o zasadę „pierwszy

przychodzi, pierwszy obsłużony”.

Pierwszy odebrany segment będzie

obsłużony jako pierwszy. Segmenty te

mogą podlegać routingowi do tego

samego lub różnych adresatów. Jest

to nazywane zwielokrotnianiem

(multipleksowaniem) konwersacji warstwy wyższej. Wiele równoczesnych konwersacji jednostek warstwy

wyższej może być multipleksowanych na pojedynczym połączeniu.

Jedną z funkcji warstwy transportowej jest ustanowienie sesji zorientowanej połączeniowo pomiędzy podobnymi

urządzeniami pracującymi w warstwie aplikacji. Aby rozpocząć transfer danych, obie aplikacje, zarówno

wysyłająca jak i odbierająca, przekazują informację do swoich systemów operacyjnych, że zostanie zainicjowane

połączenie. Połączenie zainicjowane przez jeden węzeł musi zostać zaakceptowane przez drugi węzeł. Moduły

oprogramowania protokołu w dwóch systemach operacyjnych komunikują się ze sobą za pośrednictwem

wysyłanych przez sieć wiadomości w celu zweryfikowania, czy transfer jest autoryzowany i czy obie strony są

gotowe.

Zostaje ustanowione połączenie, a po zakończeniu wszystkich czynności synchronizacyjnych rozpoczyna się

transfer danych. W czasie przesyłania oba urządzenia nadal się komunikują za pomocą oprogramowania protokołu

w celu weryfikacji poprawności odbieranych danych.

Na rysunku zaprezentowane zostało typowe połączenie pomiędzy systemem wysyłającym i odbierającym.

Pierwsze uzgodnienie jest żądaniem synchronizacji. Drugie i trzecie uzgodnienie potwierdzają początkowe

żądanie synchronizacji, równocześnie synchronizując parametry połączenia w przeciwnym kierunku. Końcowy

segment uzgodnienia jest potwierdzeniem służącym do poinformowania adresata, że obie strony są zgodne, iż

zostało ustanowione połączenie. Po ustanowieniu połączenia rozpoczyna się transfer danych.

Przeciążenie podczas transferu danych może wystąpić z dwóch powodów:

· Po pierwsze, szybki komputer może być w stanie generować ruch szybciej, niż sieć może go przekazywać.

· Po drugie, jeśli wiele komputerów równocześnie wysyła datagramy do tego samego adresata, może on zostać

przeciążony, mimo że problemu nie spowodował żaden pojedynczy komputer.

Gdy datagramy są odbierane przez bramę lub hosta szybciej niż mogą zostać przetworzone, są one tymczasowo

przechowywane w pamięci. Jeśli ruch trwa dalej, w końcu zostaje wyczerpana pamięć hosta lub bramy, co

powoduje odrzucanie kolejnych datagramów.

Zamiast dopuszczenia do utraty danych, proces TCP na odbierającym hoście może wysłać do nadawcy

powiadomienie „nie gotowy”. Wskaźnik ten, działający jak znak stopu, sygnalizuje wysyłającemu, żeby przerwał

wysyłanie danych. Gdy odbierający może obsłużyć dalsze dane, wysyła wskaźnik transportowy „gotowy”. Po

odebraniu tego wskaźnika wysyłający może wznowić transmisję segmentów.

Na końcu transferu danych host nadający wysyła sygnał wskazujący koniec transmisji. Na końcu sekwencji

danych host odbierający potwierdza koniec transmisji i połączenie jest zamykane.

11.1.4 Uzgadnianie trójetapowe

Protokół TCP jest protokołem zorientowanym połączeniowo. Wymaga on ustanowienia połączenia przed

rozpoczęciem przesyłania danych. Aby ustanowić lub zainicjować połączenie, muszą zostać zsynchronizowane

początkowe numery sekwencyjne (ISN) obu hostów. Synchronizacja polega na wymianie ustanawiających

połączenie segmentów zawierających bit kontrolny zwany SYN (synchronizacja) oraz numery ISN. Segmenty

zawierające bit SYN są również nazywane segmentami „SYN". Rozwiązanie to wymaga odpowiedniego

mechanizmu wybierania początkowego numeru sekwencyjnego oraz procesu uzgadniania służącego do wymiany

numerów ISN.

Synchronizacja wymusza wysłanie przez każdą ze stron własnego początkowego numeru sekwencyjnego i odbiór

potwierdzenia wymiany (ACK) od strony przeciwnej. Każda strona musi również odebrać od drugiej strony

numer ISN i wysłać potwierdzenie ACK. Kolejność jest następująca:

1. Wysyłający host (A) inicjuje połączenie przez wysłanie pakietu SYN do odbiorcy (hosta B) ze swoim

numerem początkowym ISN = X: A —> B SYN, seq A = X

2. B otrzymuje pakiet, zapamiętuje, że numer sekwencyjny seq hosta A = X, odpowiada pakietem z

ustawionym bitem ACK i numerem potwierdzenia X + 1, a także określa swój numer początkowy ISN =

Y. Potwierdzenie ACK z numerem X + 1 oznacza, że host B otrzymał wszystkie oktety do oktetu X

włącznie i będzie oczekiwał na oktet o numerze X + 1:

B —> A ACK, seq A = X, SYN seq B = Y, ACK = X + 1

3. A otrzymuje pakiet od B, wie, że numer sekwencyjny seq hosta B = Y, i odpowiada pakietem z

ustawionym bitem ACK i numerem potwierdzenia Y + 1, co kończy proces ustanawiania połączenia:

A —> B ACK, seq B = Y, ACK = Y + 1

Wymiana ta jest zwana uzgadnianiem trójetapowym.

Uzgadnianie trójetapowe jest

konieczne ze względu na to, że

numery sekwencyjne nie są

związane z globalnym zegarem w

sieci i protokoły TCP mogą mieć

różne mechanizmy wybierania

numeru ISN. Odbiorca

pierwszego segmentu SYN nie

ma innego sposobu na

rozpoznanie starego lub

spóźnionego segmentu niż

pamiętanie ostatniego numeru

podczas kolejnego połączenia.

Pamiętanie tego numeru nie

zawsze jest możliwe. Dlatego

odbiorca musi zwrócić się do

wysyłającego o weryfikację

segmentu SYN.

11.1.5 Okienkowanie

Aby zapewnić niezawodność zorientowanego połączeniowo transferu danych, pakiety danych muszą być

dostarczane do odbiorcy w tej samej kolejności, w której zostały wysłane. Przesyłanie danych za pomocą danego

protokołu nie powiedzie się, jeśli jakieś pakiety danych zostaną utracone, uszkodzone, powielone lub odebrane w

innej kolejności. Łatwym rozwiązaniem jest potwierdzanie przez odbiorcę odbioru każdego pakietu przed

wysłaniem kolejnego.

Gdyby nadawca musiał czekać na potwierdzenie po wysłaniu każdego pakietu, przepustowość byłaby niska. Z

tego powodu w przypadku większości niezawodnych protokołów zorientowanych połączeniowo dozwolone jest

pozostawanie więcej niż jednego pakietu bez potwierdzenia w danym czasie. Czas pozostały po zakończeniu

transmisji pakietu danych przez nadawcę i przed zakończeniem przetwarzania otrzymanego przez niego

potwierdzenia jest wykorzystywany do przesłania większej ilości danych. Liczba pakietów danych, które nadawca

może wysłać przed otrzymaniem potwierdzenia, jest określana jako rozmiar okna lub okno.

Protokół TCP wykorzystuje potwierdzenia typu expectational. Potwierdzenia typu expectational oznaczają, że

numer potwierdzenia odnosi się do pakietu, który jest oczekiwany jako następny. Obrazowym pojęciem

opisującym dynamiczną negocjację rozmiaru okna podczas sesji TCP jest okienkowanie. Okienkowanie to

mechanizm kontroli przepływu. Wymaga ono, żeby urządzenie źródłowe otrzymywało od adresata potwierdzenie

po wysłaniu określonej ilości danych. Odbierający proces TCP zgłasza „okno" do wysyłającego procesu TCP.

Okno to określa liczbę pakietów, poczynając od numeru potwierdzenia, do których odebrania jest obecnie gotów

odbierający proces TCP.

Przy rozmiarze okna równym 3 urządzenie źródłowe może wysłać do adresata trzy bajty. Urządzenie źródłowe

musi następnie czekać na potwierdzenie. Gdy adresat otrzyma trzy bajty, wysyła potwierdzenie do urządzenia

źródłowego, które teraz może wysłać kolejne trzy bajty. Jeśli adresat z powodu przepełnienia buforów nie otrzyma

tych trzech bajtów, to nie wyśle potwierdzenia. Ponieważ źródło nie otrzyma potwierdzenia, będzie to oznaczało,

że bajty powinny być wysłane ponownie, a szybkość transmisji powinna zostać zmniejszona.

Jak pokazano na rysunku , nadawca wysyła trzy pakiety przed rozpoczęciem oczekiwania na potwierdzenie ACK.

Jeśli odbiorca może obsłużyć okno o rozmiarze tylko dwóch pakietów, z okna odrzucony zostaje pakiet trzeci,

określa się go jako następny, a nowa wartość rozmiaru okna jest określana jako dwa. Nadawca wysyła kolejne

dwa pakiety, lecz ma ciągle ustawiony rozmiar okna równy trzy. Oznacza to, że nadawca będzie nadal oczekiwał

potwierdzenia od odbiorcy po wysłaniu trzech pakietów. Odbiorca odpowiada, żądając piątego pakietu i nadal

określając rozmiar okna równy dwa.

11.1.6 Potwierdzenia

Niezawodne dostarczanie gwarantuje, że strumień danych wysłany z jednego urządzenia jest dostarczony przez

łącze danych do innego urządzenia bez powielenia lub utraty danych. Potwierdzenie pozytywne wraz z

retransmisją jest techniką, która gwarantuje niezawodne dostarczanie danych. Potwierdzenie pozytywne wymaga,

by odbiorca po odebraniu danych skontaktował się ze źródłem i wysłał wiadomość potwierdzającą. Nadawca

zachowuje zapis dotyczący każdego wysłanego pakietu danych (segmentu TCP) i oczekuje na potwierdzenie. W

momencie wysłania segmentu zostaje również przez nadawcę uruchomiony zegar. Jeśli założony czas zostanie

przekroczony przed odebraniem potwierdzenia, segment będzie ponownie wysłany.

Na rysunku został zaprezentowany nadawca

wysyłający pakiety danych 1, 2 i 3 . Odbiorca

potwierdza odbiór pakietów przez żądanie pakietu 4.

Po odbiorze potwierdzenia nadawca wysyła pakiety 4,

5 i 6. Jeśli pakiet 5 nie dotrze do celu, odbiorca wysyła

potwierdzenie z żądaniem ponownego wysłania

pakietu 5. Nadawca wysyła ponownie pakiet 5, po

czym odbiera potwierdzenie z żądaniem kontynuacji

transmisji począwszy od pakietu 7.

Protokół TCP zapewnia kolejność segmentów poprzez

potwierdzenia odnoszące się do następnego w

kolejności segmentu. Przed wysłaniem każdy segment

jest numerowany. Po stronie stacji odbierającej

protokół TCP ponownie składa segmenty w całą

wiadomość. Jeśli numer sekwencyjny w szeregu został

opuszczony, segment ten jest transmitowany ponownie.

Segmenty, które nie zostały potwierdzone w zadanym

czasie, zostaną wysłane ponownie

Control Protocol)

11.1.7 Protokół TCP (ang. Transmission

Protokół TCP jest należącym do warstwy 4 protokołem zorientowanym połączeniowo, który zapewnia

niezawodną transmisję danych w trybie pełnego dupleksu. TCP jest częścią stosu protokołów TCP/IP. W

środowisku zorientowanym połączeniowo przed rozpoczęciem transferu informacji musi zostać ustanowione

połączenie między dwoma stacjami końcowymi. Protokół TCP jest odpowiedzialny za podział wiadomości na

segmenty, ponowne złożenie ich na stacji docelowej, ponowne wysłanie wszystkich nieodebranych informacji i

scalenie wiadomości z segmentów. Zapewnia on obwód wirtualny pomiędzy aplikacjami użytkowników

końcowych.

Protokoły, które wykorzystują protokół TCP:

· protokół FTP (ang. File Transfer Protocol ),

· protokół HTTP (ang. Hypertext Transfer Protocol ),

· protokół SMTP (ang. Simple Mail Transfer Protocol ),

· protokół Telnet.

Poniżej podano definicje pól segmentu TCP:

port źródłowy: numer portu nadającego,

port odbiorcy: numer wywoływanego portu,

numery sekwencyjne: numery używane do zapewnienia prawidłowej kolejności nadchodzących

danych,

numer potwierdzenia: następny oczekiwany oktet TCP,

HLEN: liczba 32-bitowych słów w nagłówku,

zarezerwowane: pole ustawione na wartość zero,

bity kodowe: funkcje sterujące (na przykład nawiązywanie i kończenie sesji),

okno: liczba oktetów, którą zaakceptuje nadawca,

suma kontrolna: suma kontrolna obliczona na podstawie pól nagłówka i danych,

wskaźnik pilności: (ang. Urgent Pointer ) określa koniec pilnych danych,

opcja: jedna obecnie definiowana opcja — maksymalny rozmiar segmentu TCP,

dane: dane protokołu wyższej warstwy.

11.1.8 Protokół UDP (ang. User Datagram Protocol)

Protokół UDP jest bezpołączeniowym protokołem transportowym należącym do stosu protokołów TCP/IP.

Protokół UDP to prosty protokół wymiany datagramów bez potwierdzania czy gwarancji ich dostarczenia.

Przetwarzanie błędów i retransmisja muszą być obsłużone przez protokoły wyższych warstw.

Protokół UDP nie wykorzystuje mechanizmów okienkowania ani potwierdzeń, więc niezawodność, jeśli jest

wymagana, musi być zapewniana przez protokoły warstwy aplikacji. Protokół UDP jest zaprojektowany dla

aplikacji, które nie mają potrzeby składania sekwencji segmentów.

Protokoły, które wykorzystują protokół UDP:

· protokół TFTP (ang. Trivial File Transfer Protocol ),

· protokół SNMP (ang. Simple Network Management Protocol ),

· protokół DHCP (ang. Dynamic Host Control Protocol ),

· protokół DNS (ang. Domain Name System ).

Poniżej podano definicje pól segmentu UDP:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: