A TCP/IP modell szállítási rétege Ismerkedés a szállítási réteggel A szállítási réteg elsődleges feladatai a forrás és a cél közötti információáramlás pontos szabályozása, valamint az adatok megbízható szállítása. A végponttól végpontig terjedő ellenőrzés és megbízható szállítás megvalósításához a réteg csúszóablakokat, sorszámokat és nyugtákat használ. 1 2 Ismerkedés a szállítási réteggel A megbízhatóság ebben a környezetben vett értelmezését és az adatfolyam-vezérlés szerepét pontosabban megérthetjük, ha példaként veszünk egy tanulót, aki egy éven keresztül tanul egy idegen nyelvet, majd ellátogat egy olyan országba, ahol azt a nyelvet beszélik. A beszélgetések során bizonyos szavak megismétlését fogja kérni, hogy biztosan, megbízhatóan megértse partnerét. Akikkel társalog, azoktól azt fogja kérni, hogy lassan beszéljenek, mert csak így érti meg őket hasonló az adatfolyam-vezérlés feladata is. 3 Ismerkedés a szállítási réteggel A szállítási réteg logikai kapcsolatot létesít a hálózat két végpontja között. A szállítási rétegbeli protokollok szegmentálják, majd újra ugyanabba a szállítási rétegbeli adatfolyamba állítják össze a felső rétegbeli protokollok által küldött adatokat. A szállítási rétegbeli adatfolyam végponttól végpontig terjedő szállítást garantál. 4 Logikai végpont-végpont kapcsolat Ismerkedés a szállítási réteggel A szállítási réteg két fő feladata az adatfolyam-vezérlés és a megbízhatóság garantálása. A szállítási réteg végponttól végpontig terjedő összeköttetéseket ad meg az állomás-alkalmazások között. Néhány alapvető szállítási szolgáltatás: A felsőbb rétegbeli alkalmazások adatainak szegmentálása Végponttól végpontig terjedő kapcsolatok létrehozása Szegmensek szállítása a végponti állomások között Adatfolyam-vezérlés biztosítása csúszóablakok használatával A megbízhatóság garantálása sorszámok és nyugták használatával 5 6 1
Ismerkedés a szállítási réteggel A TCP/IP kifejezés két különálló protokoll kombinálását, együttesét jelöli. Az IP az OSI modell harmadik rétegében működik, összeköttetés-mentes protokoll, amely legjobb szándékú szállítást végez a hálózaton keresztül. A TCP a szállítási rétegbe tartozik, megbízható, összeköttetés alapú szolgáltatást nyújt, illetve adatfolyam-vezérlést végez. A két protokoll együtt számos szolgáltatást képes biztosítani, illetve ezek alkotják a TCP/IP protokollkészlet alapját erre épül az internet is. 7 Ismerkedés a szállítási réteggel 8 Párbeszédek multiplexelése Párbeszédek multiplexelése Az alkalmazások adataikat érkezési sorrend szerinti kiszolgálással küldhetik el. Az előbb érkező szegmenssel a rendszer előbb fog foglalkozni. A szegmenseket a forgalomirányítók azonos és eltérő irányba is továbbíthatják. Egy OSI modell szerinti szállítási kapcsolaton több alkalmazás is osztozhat, ezt a felsőbb rétegbeli párbeszédek multiplexelésének nevezzük. Egyetlen kapcsolat felett akár nagy számú felsőbb rétegbeli párbeszéd is multiplexelhető. 9 10 Adatfolyam-vezérlés A szállítási réteg az adatok továbbítása közben megpróbálja elkerülni azok elvesztését. Adatvesztés akkor léphet fel, ha egy állomás nem tudja olyan gyorsan feldolgozni az adatokat, ahogy azok érkeznek. Ilyenkor az állomás kénytelen eldobni az adatokat. Az adatfolyam-vezérlés azt hivatott biztosítani, hogy a forrásállomás ne tölthesse túl a célállomás puffereit. Az adatfolyam-vezérlés megvalósításához a TCP kétirányú kapcsolatot létesít a forrás és a cél között. A két állomás mindkettőjük számára elfogadható átviteli sebességben egyezik meg. 11 Adatfolyam-vezérlés Torlódás a végpontokon kétféle okból alakulhat ki: Az egyik az, hogy egy nagy sebességű számítógép gyorsabban képes generálni a forgalmat, mint amilyen gyorsan a hálózat át tudja azt vinni. A másik az, hogy ha sok számítógép egyidejűleg próbál datagramokat küldeni ugyanannak a célállomásnak, akkor a célállomásnál torlódás keletkezhet, jóllehet nem egyetlen forrás okozta a problémát. 12 2
Adatfolyam-vezérlés Ha olyan gyorsan érkeznek a datagramok egy állomásra vagy átjáróra, hogy nem lehet őket feldolgozni, akkor a datagramok ideiglenesen a memóriában tárolódnak. Ha a forgalom továbbra is nagy marad, az állomás vagy az átjáró memóriája betelhet, ezután pedig egyszerűen figyelmen kívül kell hagynia a további beérkező datagramokat. Ilyenkor a TCP folyamat nem engedi elveszni az adatokat, inkább nem áll készen" jelzést küld a forrásnak. Adatfolyam-vezérlés (folytatás) A jelzés hatására a forrás felfüggeszti az adatküldést. Ha a cél képes további adatok fogadására, akkor kész" jelzést küld a forrásnak, amely ennek hatására újraindítja az átvitelt. Az átvitel végeztével a forrás erre utaló jelzést küld. A célállomás nyugtázza az átvitel végét, majd a kapcsolat lezárul. 13 14 Adatfolyam-vezérlés Adatfolyam-vezérlés 15 16 Kapcsolatok létrehozása, karbantartása és lezárása A szállítási réteg egyik feladata az alkalmazási rétegre vonatkozó összeköttetés alapú kapcsolat kiépítése a hasonló készülékek között. Az adatátvitel megkezdéséhez a forrás- és a célalkalmazás értesíti az operációs rendszert a kapcsolat létrehozásáról. Az egyik csomópont kezdeményezi a kapcsolatot, a másiknak pedig fogadnia kell azt. Kapcsolatok létrehozása, karbantartása és lezárása A két operációs rendszer protokoll-szoftvermoduljai a hálózaton elküldött üzenetekkel kapcsolatba lépnek egymással és ellenőrzik, hogy az adatküldés engedélyezett-e, illetve hogy mindkét oldal készen áll-e. Ezután a kapcsolat létrejön, a szükséges szinkronizálások elvégzése után pedig megkezdődik az adatok átvitele. Az átvitel során a két készülék protokollszoftverei közötti kapcsolat a megérkezett adatok helyességének ellenőrzése céljából változatlanul fennmarad. 17 18 3
Kapcsolatok létrehozása, karbantartása és lezárása A ábrán egy hétköznapi, két rendszer közötti kapcsolat látható. Az első kézfogás szinkronizálást kér. A második kézfogás nyugtázza az első szinkronizálási kérést, majd szinkronizálja az összeköttetés paramétereit az ellenkező irányban is. A harmadik kézfogási szegmens egy nyugta a célállomás számára, amely jelzi, hogy mindkét fél egyetért abban, hogy létrejött az összeköttetés. Amint létrejött az összeköttetés, megkezdődik az adatátvitel. 19 Kapcsolatok létrehozása, karbantartása és lezárása 20 Háromfázisú kézfogás A TCP egy összeköttetés alapú (más néven kapcsolatorientált) protokoll. A TCP használatakor az adatátvitel megkezdése előtt kapcsolatot kell létrehozni a végpontok között. A kapcsolat létrehozásához a két állomásnak egyeztetnie kell kezdő sorszámát. A szinkronizálás szinkronizáló (SYN) vezérlőbittel megjelölt szegmensek elküldésével történik, ezekben szerepelnek a kezdő sorszámok. A megoldás működéséhez szükség van egy a kezdő sorszámokat kiválasztó és a másik féllel közlő eljárásra. A szinkronizáláshoz mindkét oldalnak el kell küldenie saját kezdő sorszámát, illetve nyugtát (acknowledgment, Háromfázisú kézfogás A folyamat során mindkét fél megkapja a másik kezdő sorszámát, illetve nyugtát küld partnerének. A folyamat lépései a következők: A forrásállomás (A) egy SYN csomag elküldésével kezdeményezi a kapcsolat létrehozását a célállomással (B), miközben jelzi, hogy kezdő sorszáma = X: A > B SYN, A kezdő sorszáma = XA B állomás megkapja a csomagot, feljegyzi, hogy A kezdő sorszáma = X, küld egy ACK X + 1 választ, továbbá jelzi, hogy saját kezdő sorszáma = Y. Az ACK X + 1 azt jelenti, hogy a B állomás megkapta az X oktettig terjedő oktettek mindegyikét, és következőként az X + 1-diket várja. 21 22 ACK) kell kapnia a másik féltől. Háromfázisú kézfogás (folytatás) B > A ACK, A kezdő sorszáma = X, SYN B kezdő sorszáma = Y, ACK = X + 1 Az A állomás megkapja a B állomástól érkező csomagot, amelyből megtudja, hogy B kezdő sorszáma = Y. Válasza az ACK Y + 1, amivel a kapcsolat létrehozásának folyamata le is zárul: A > B ACK, B kezdő sorszáma = Y, ACK = Y + 1 A fenti lépéssort háromfázisú kézfogásnak nevezzük. 23 Háromfázisú kézfogás A háromfázisú kézfogásra azért van szükség, mert a sorszámok nem valamiféle globális hálózati óra állására alapulnak, és a TCP protokollok eltérő módszereket is használhatnak a kezdő sorszámok kiválasztására. Nélküle az első SYN csomagot vevő állomás nem tudná, hogy a csomag szenvedett-e késleltetést, hacsak nem követte figyelemmel a kapcsolatban használt utolsó sorszámot. Ha a vevő nem rendelkezik ezzel az információval, akkor SYN visszaigazolását kell 24 kérnie a küldőtől. 4
Háromfázisú kézfogás Ha megbízható, összeköttetés alapú kapcsolatot akarunk teremteni, akkor a vevőnek az elküldéssel azonos sorrendben kell megkapnia az adatcsomagokat. A protokollok hibát észlelnek, ha az adatok elvesznek, megsérülnek, megkettőződnek vagy rossz sorrendben érkeznek meg. Könnyű megoldás lenne, ha a vevő minden egyes csomag beérkezése után nyugtát küldene, és a következő csomag továbbítása csak ezután kezdődne meg. 25 26 27 Csakhogy ha a forrás minden elküldött csomag után nyugtát várna, az átvitel nagyon lassú lenne. A legtöbb összeköttetés alapú, megbízható protokoll ezért több csomag elküldését is engedélyezi a nyugta beérkezése előtt. Abban az időszakaszban, amely az adatok forrás általi elküldése és a nyugta beérkezése között telik el, további adatokat is el lehet küldeni. Azoknak a csomagoknak a számát, amelyeket a forrás a nyugta beérkezése előtt elküldhet, ablakméretnek, röviden ablaknak nevezzük. 28 A TCP várományos nyugtákat használ, ami azt jelenti, hogy minden nyugtában a következőként várt csomag sorszáma szerepel. Az ablakozás arra utal, hogy a TCP-kapcsolatokban a kommunikáló felek dinamikusan határozzák meg az ablakméretet. Az ablakozás egyfajta adatfolyam-vezérlő megoldás. Az ablakozás megköveteli, hogy a forrás adott mennyiségű adat elküldése után nyugtát kapjon a céltól. A célkészülék egy ablakméretet közöl a forrással, ez adja meg, hogy a célállomás hány csomag vételére van felkészülve. Az első csomag a nyugta. 29 30 5
Például egy három egység méretű ablaknál a forrásállomás három bájtot küldhet a célállomásnak. Ezután a forrásnak meg kell várnia egy nyugta beérkezését. Ha a célállomás megkapta a három bájtot, akkor nyugtát küld a forrásállomásnak, ami ezután újabb három bájtot küldhet. Ha a célállomás nem kapja meg a három bájtot, például mert pufferei túltelítődtek, akkor nem küld nyugtát. Abból, hogy nem kapott nyugtát, a forrás tudja, hogy a bájtokat újra kell küldenie, és a küldési sebességet csökkentenie kell. 31 A ábra példájában a forrás három csomagot küld el, mielőtt nyugtára várna. Ha a vevő csak két csomagot tud kezelni, akkor az ablakozó folyamat eldobja a harmadik csomagot, következő csomagként a hármast jelöli meg, majd új ablakméretként kettőt ad meg. A forrás elküldi a következő két csomagot, de továbbra is hármas ablakmérettel dolgozik. A forrás tehát továbbra is három csomagra vonatkozó nyugtát vár a céltól. A vevő egy az ötödik csomagra vonatkozó kéréssel válaszol, és újfent jelzi, hogy kettes ablakmérettel dolgozik. 32 33 Nyugtázás A megbízható kézbesítés garantálja, hogy az egyik készülékről származó adatfolyam úgy fog eljutni az adatkapcsolaton keresztül a másik készülékre, hogy sem adatkettőződés, sem adatvesztés nem fordul közben elő. Az újraküldéssel kombinált pozitív nyugtázás az egyik olyan módszer, amellyel garantálható az adatok megbízható átvitele. A pozitív nyugtázáshoz arra van szükség, hogy a vevő kommunikáljon a küldővel, nevezetesen küldjön vissza egy nyugtázó üzenetet az adatok beérkezése után. 34 Nyugtázás A forrás minden elküldött adatcsomagot, vagyis TCP-szegmenst nyilván tart, és nyugtát vár. Időzítő és RTT A küldő egy időzítőt is elindít a szegmensek elküldésekor, és újra elküldi az adott szegmenst, ha az időzítő lejár, mielőtt visszaérne a nyugta. Méri az átlagos RTT-t Az időzítőt egy kicsivel nagyobb értékre állítja, mint az átlagos RTT. Miért? 35 36 6
Nyugtázás Nyugtázás A következő dián lévő ábrán követhető, hogy a forrás elküldi az 1, 2 és 3 sorszámú csomagokat. A forrás jelzi, hogy következőként a 4-es csomagot várja, ezzel nyugtázza az elküldötteket. Amikor a forrás megkapja a nyugtát, elküldi a 4, 5 és 6 sorszámú csomagokat. Ha az 5-ös csomag nem érkezik meg a vevőhöz, akkor az nyugtájával az 5-ös csomag újraküldését fogja kérni. A forrás újraküldi az 5-ös csomagot, majd majd kap egy olyan nyugtát, hogy a 7-es csomag elküldésével folytassa az átvitelt. 37 38 Nyugtázás Nyugtázás A TCP protokoll a szegmensek sorszámozását előreutaló nyugtákkal oldja meg. Az elküldés előtt minden szegmens sorszámot kap. A célállomásnál a TCP a szegmensekből visszaállítja a teljes üzenetet. Ha a sorozatból valamelyik darab hiányzik, az adott sorszámú szegmenst újra kell küldeni. A szegmenst a forrás akkor is újraküldi, ha adott időn belül nem jön rá nyugta. 39 40 TCP A TCP (Transmission Control Protocol, átvitelvezérlő protokoll) egy szállítási rétegbeli, összeköttetés alapú protokoll, mely megbízható, duplex átvitelt biztosít. A TCP protokoll a TCP/IP protokollkészlet része. Az összeköttetés alapú környezetekben a két végpont között kapcsolat jön létre az információk továbbításának megkezdése előtt. A TCP az üzeneteket szegmensekre tördeli, majd a célállomásnál újra összeállítja őket, miközben gondoskodik a meg nem érkezett részek újraküldéséről. A TCP egy virtuális áramkört hoz létre a végfelhasználói alkalmazások között. Hosszú fejrész Lassúbb TCP A TCP szolgáltatásaira többek közt az alábbi protokollok támaszkodnak: FTP HTTP SMTP Telnet DNS 41 42 7
TCP A TCP-szegmensek mezőinek definíciói a következők: Forrásport Az adatok kiindulási portjának száma Célport Az adatokat fogadó port száma Sorszám Az a szám, amely a helyes sorrend szerinti megérkezést garantálja Nyugtaszám A következőként várt TCP oktett sorszáma HLEN (TCP fejrészhossz) A fejrész 32 bites szavakban mért hossza Foglalt mező Nulla értékű TCP (folytatás) Kódbitek Szabályozási funkciójuk van, mint például az összeköttetés létrehozása és bontása Ablak A célállomás által fogadható oktettek száma Ellenőrz rző összeg A fejrészre és az adatmezőre vonatkozó ellenőrző összeg Sürg rgőss sségi mutató A sürgős adatok végét jelzi Opció Jelenleg csak egy opcionális mező van definiálva, ez a maximális TCP-szegmensméret Adatok A felsőbb rétegbeli protokolloktól származó adatok 43 44 TCP UDP Az UDP (User Datagram Protocol, felhasználói datagram protokoll) a TCP/IP protokollkészlet összeköttetés-mentes szállítási protokollja. Az UDP egy egyszerű protokoll, amely az átvitel garantálása nélkül továbbítja a datagramokat. Az UDP a felsőbb szintű protokollokra bízza a hibák kezelését és az újraküldések elvégzését. Az UDP nem használ ablakozást és nem küld nyugtákat. Ebben az esetben a megbízhatóság garantálása a felsőbb szintű protokollok feladata. Az UDP protokollt olyan alkalmazások számára fejlesztették ki, amelyek nem igénylik, hogy a szegmensek sorozatát összerakjuk. Rövid fejrész Gyorsabb 45 46 UDP Az UDP szolgáltatásaira többek közt az alábbi protokollok támaszkodnak: TFTP SNMP DHCP DNS UDP Az UDP-szegmensek mezőinek definíciója a következő: Forrásport Az adatok kiindulási portjának száma Célport Az adatokat fogadó port száma Hossz A fejrész és az adatrész bájtokban mért hossza Ellenőrz rző összeg A fejrészre és az adatmezőre vonatkozó ellenőrző összeg Adatok A felsőbb rétegbeli protokolloktól származó adatok 47 48 8
UDP A TCP- és UDP-portszámok Mind a TCP, mind az UDP protokoll portszámok segítségével kommunikál a felsőbb rétegekkel. A portszámok segítségével válik lehetővé a hálózaton egyszerre folyó párbeszédek megkülönböztetése. 49 50 A TCP- és UDP-portszámok Az alkalmazások fejlesztői megegyezés alapján megadott célokra bizonyos jól ismert portszámokat használnak, ezeket az Internet Assigned Numbers Authority (IANA) jelöli ki. Az FTP alkalmazások párbeszédei például szabvány szerint a 20-as és a 21-es porton keresztül folynak. A 20-as porton az adatok, a 21-es porton pedig a vezérlő parancsok továbbítása történik. A jól ismert portszámmal nem rendelkező alkalmazások közötti párbeszédekhez a portok kiválasztása véletlenszerűen, az 1023-as portszám fölötti tartományból történik. 51 A TCP- és UDP-portszámok 52 A TCP- és UDP-portszámok A TCP- és UDP-portszámok Mind a TCP, mind az UDP esetén vannak bizonyos fenntartott portok. Természetesen létezhetnek olyan alkalmazások, amelyek ezeket nem támogatják. A portszámokat a következő tartományokra osztották: Az 1024 alatti tartományba eső portszámok a jól ismert portokhoz tartoznak. Az 1024 fölötti portszámok a dinamikusan hozzárendelt portszámok. A bejegyzett portszámok gyártóspecifikus alkalmazásokhoz tartoznak. Ezek túlnyomó része az 1024 fölötti tartományba esik. A végrendszerek a portszámok segítségével választják ki a megfelelő alkalmazást. A forrásállomás a forrásportokat dinamikusan, mindig az 1023 fölötti tartományból választja ki. 53 54 9
A TCP- és UDP-portszámok 55 10