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钜孔
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1 Outlines TCP/IP 簡介 TCP/IP 網路管理 Craig Hunt 著第一章綜觀 TCP/IP Introductions to TCP/IP Protocol Stack Internet Protocol(IP) User Datagram Protocol(UDP) Transmission Control Protocol(TCP) 1 2 TCP/IP Introduction TCP/IP Introduction (Cont.) ARPANET & TCP/IP history ARPANET: 1969 年冷戰時期, 美國國防部研究當部分網路或控制中心遭受攻擊後, 能否讓資料繼續透過其他未癱瘓的網路傳輸年 ARPANET 由實驗性網路轉為應用網路年 TCP/IP 納入美國軍規標準中, 所有與 ARPANET 連線的主機都必須改用這些新協定. 為了順利過渡, DARPA 委託 BBN 為 BSD UNIX 加入了 TCP/IP 功能. 約此時, TCP/IP 也開始流行年 NSF 成立 NFSNet for 科學家與工程師年 NSFNet 舖設主幹網路成為一個具有主幹網路, 地域性網路和區域網路三層式網路. 3 Internet v.s. internet ARPANET 1990 年功成身退. 最早 Internet 表示以 ARPANET 為前身的世界性網路. 而 internet 則是指稱以 IP 所架構的網路. 但目前 internet 泛指各種類型網路, 不在侷限於 IP 網路 4

2 TCP/IP 的特點 TCP/IP 與 OSI 的對應 TCP/IP 是 Open Protocol Standard (Free) TCP/IP 不受限於特定的網路硬體能在 Ethernet, Token bus, X.25, 電話網路 TCP/IP 不受限於特定的作業系統適用的 Addressing( 定址設計 ) 透過獨一無二的位址找到網路的一個裝置標準化的高階協定, 提供 Users 廣泛而一致的服務 4. 應用層 Application Layer 3. 傳輸層 Host-to-host Transport Layer 2. 網際層 Internet Layer 1. 網路存取層 Network Access Layer 7. Application Layer 6. Presentation Layer 5. Session Layer 4. Transport Layer 3. Network Layer 2. Data Link Layer 1. Physical Layer 5 6 TCP/IP 的層級 TCP/IP 的資料封裝 4. 應用層 Application Layer 由網路應用程式與相關的處理程序所組成應用層資料發送 stream message 接收 3. 傳輸層 Host-to-host Transport Layer 提供端點對端點的資料傳遞服務傳輸層表頭資料 segment packet 2. 網際層 Internet Layer 定義資料段並掌控資料的傳輸路徑網際層表頭表頭資料 datagram 1. 網路存取層 Network Access Layer 定義存取實體網路的例行程序網路存取層封裝 Encapsulation 表頭表頭表頭資料解封裝 Decapsulation frame 7 Note: 表頭 header 8

3 應用層傳輸層網際層網路存取層 TCP/IP 的資料結構 TCP 資料流 (stream) 資料節 (segment) 資料段 (datagram) 訊框 (frame) UDP 訊息 (message) 封包 (packet) 資料段 (datagram) 訊框 (frame) 網路存取層 (Network Access Layer) 包含 OSI 的最低三層, 其功能為 : 把 IP 資料段封裝到網路所傳送得訊框內把 IP 位址對應到網路使用的實體位址網路存取協定種類繁多, 各對應一種實體網路標準, 以驅動程式 (device driver) 的形態出現目的在使 TCP/IP 網路使用新硬體肩負封裝資料與傳送資料給網路的責任, 而其他相關程式執行位址對應 (address mapping) 工作 9 10 網路存取層 (Cont.) 最常用的網路存取層協定 : RFC826, 位址解析協定 (Address Resolution Protocol,ARP), 把 IP 位址對應成 Ethernet 位址 RFC894, 規範 IP 資料段封裝的一套標準 11 網際層 Internet Layer 功能 : path determination: route taken by packets from source to dest. Routing algorithms switching: move packets from router s input to appropriate router output call setup: some network architectures require router call setup along path before data flows 最常用的網際層協定 : RFC791, 網際協定 (Internet Protocol,IP), 提供基本的封包傳送服務 RFC792, 網際控制訊息協定 (Internet Control Message Protocol,ICMP), 透過 IP 來傳送控制訊號 12

4 傳輸層 (Transport Layer) 提供端點對端點之間的資料傳輸服務最常用的網際層協定 : 使用者資料段協定 (User Datagram Protocol,UDP), 只負責將訊息傳到網路上, 是一種不可靠非連結導向的協定傳輸控制協定 (Transmission Control Protocol,TCP), 會檢查資料是否循序正確的傳到網路上, 提供可靠連結導向的傳輸服務使用者依據應用程式的特性來選擇 TCP 或 UDP 可靠 v.s. 不可靠可靠 (reliable): 檢查資料是否依適當順序正確地傳過網路不可靠 (reliable): 表示此協定不包含驗證資料是否正確到達網路另一端的技術連結導向 v.s. 非連結導向連結導向 (connection-oriented): 在傳送資料前, 會和遠端主機交換控制訊息 (handshake), 以確定對方已準備好接收資料當 handshake 完成, 就表示已建立 connection 非連結導向 (connectionless): 表示此協定只負責將訊息傳到網路上, 不在傳輸資料前先建立 connection, 不檢查資料 Connection-oriented v.s. Connectionless Connection-oriented Telephone System Users first establishes a connection, uses the connection and then releases the connection. All of data are received in order. Connection Postal System No connection is established Data is received out of order due to network delay. 是否被接收 15 16

5 應用層 Application Layer 定義如何利用傳輸層協定來遞送資料的程序大多為提供服務給使用者的 protocol 常見的應用層協定 (1) telnet: 網路終端機協定 (Network Terminal Protocol), 提供透過網路遠端登入 (remote login) 的服務 FTP: 檔案傳輸協定 (File Transfer Protocol), 讓使用者可以與遠端的主機傳輸檔案 SMTP: 簡易郵件傳送協定 (Simple Mail Transfer Protocol), 傳送電子郵件 HTTP: 超文件傳輸協定 (Hyper Test Transfer Protocol), 透過網路傳送網頁常見的應用層協定 (2) DNS: 網域名稱服務 (Domain Name Server), 將網路裝置的名稱對應到 IP 位址 OSPF: 開放式最短路徑優先協定 (Open Shortest Path First), 網路設備可透過 OSPF 交換選徑資訊 NFS: 網路檔案系統 (Network File System), 讓網路上每個主機可共享檔常見的應用層協定 (3) SNMP: 簡單網路管理協定 (Simple Network Management Protocol), 管理網路運作案 19 20

6 TCP/IP Architecture PING TFTP BOOTP Telnet FTP SMTP ICMP UDP TCP Internet Protocol PPP IP ARP RARP RS-232C Driver Ethernet Driver UART Ethernet 網際協定 (Internet Protocol,IP) 提供基本封包傳送服務 : 定義 Internet 基本的傳送單位 : 資料段 (segment) 的格式定義 Internet 的定址方式在網路存取層與傳輸層之間移動資料決定資料段到遠端主機的路徑 (route) 執行資料段的分解與重組 IP 的特性 IP 提供非連線性的服務 (Connectionless) IP 在傳送資料前, 不會和遠端主機交換控制訊息 (handshake) 建立連線若要提供連線性的服務, 需靠高層的協定來建立連線 IP 是不可靠 (Non-reliable) 的協定 IP 不具備錯誤偵測 (Error Detection) 與錯誤更正 (Error Correction) 的功能需靠其他層的協定提供 Variable Length of Datagram Best Effort Delivery 23 24

Variable Length of Datagram 對 IPv4 而言, 應用程式可調整 IP datagram 的長度的特性, 使得 IP 可適用於各種不同的應用一個 datagram 容納 ( 來自上層 ) 的資料量最少為一個 byte, 最多為 64K bytes IP header 會含有所有傳送該 Datagram 的 Information 25 Best-Effort

7 Variable Length of Datagram 對 IPv4 而言, 應用程式可調整 IP datagram 的長度的特性, 使得 IP 可適用於各種不同的應用一個 datagram 容納 ( 來自上層 ) 的資料量最少為一個 byte, 最多為 64K bytes IP header 會含有所有傳送該 Datagram 的 Information 25 Best-Effort Delivery IP 不處理下列的問題 Datagram 重覆接收延遲或順序不對資料損壞 Datagram 遺失因為 IP 被設計用於任何實體網路, 因此底層的實體網路可能不可靠, 造成 IP datagram 遺失重覆接收延遲順序不對或損壞上層的協定程式必須要處理這些問題 26 The IP datagram header format 1 版本 IP 的資料段 Datagram Bit IHL 服務型態總長度字組 Word 識別碼旗標段落的偏移量存活時間協定號碼表頭的加總查核碼來源位址表頭 Header 5 ( 可有可無 ) 6 選項目的位址填補 27 資料由此開始 28

8 IP Datagram Header 欄位 (1) 版本 (Version,4bits): IP 版本, 目前為 version 4 IHL(Internet Header Length,4bits): 表頭長度 ( 以 32bits 為單位 ) 服務型態 (Service Type,8bits): 表示可靠性 precedence delay throughput 的旗標總長度 (Total Length,16bits): IP Datagram 的長度 ( 以 32bits 為單位 ) 29 IP Datagram Header 欄位 (2) 識別碼 (Identification,16bits): 傳送端會將一個獨一無二的識別碼存在送出的 datagram 當路由器重新切割 datagram 時, 路由器會複製識別碼給每一個片段 (fragment) 旗標 (Flags,3bits): 指出 Datagram 分割成片段時的一些選項段落偏移量 (Fragment Offset,13bits ): 指出此資料段是具有相同識別碼的第幾個接收端使用識別碼及 IP 來源位址將片段重組時, 利用段落偏移量欄位可將片段排序 30 IP Datagram Header 欄位 (3) 存活時間 (Time To Live,8bits): 設定此 Datagram 可以經過幾個閘道器協定號碼或型態 (Protocol Number 或 Type,8bits): 利用協定號碼可決定是資料是來自那一個傳輸層協定表頭的加總查核碼 ( Header Checksum, 16bits): 每個閘道器都會檢查 IP Header 的 Checksum 31 IP Datagram Header 欄位 (4) 來源位址 (Source Address,32bits): 傳送端主機的 IP Address 目的位址 (Destination Address,32bits): 目的地主機的 IP Address Data link layer: a flat address, portable, Personal ID Network layer address: a hierarchical address, home address 選項 (Option): 例如路由規格等傳送端可設定的選項等 32

9 IP Datagram Header 欄位 (5) 填補 (Padding): 加在 Option 後面使 IP Header 長度為 32 bits 倍數資料 (Data,16bits): 上層的資料, 但應避免使 IP datagram 超過 bytes IP 傳送資料的過程 Routing: 以唯一的 IP 位址找出傳送路徑封裝且透過網路存取層傳送 IP 資料段傳送資料給傳輸層利用 header 中的協定號碼決定是那一個傳輸層協定將萃取資料送給此傳輸層協定模組傳輸層協定以 port 號碼決定資料屬於那一個應用行程參考資料傳遞.ppt 網際控制訊息協定 (Internet Control Message Protocol,ICMP) IP 提供 best effort service, 但在網際網路上的封包傳輸過程中, 有許多的問題, 是 IP 協定所謂提及的包括資料遺失重覆延遲擁塞傳送失序主機故障等問題 IP 已有一些檢查錯誤的措施 : 用來偵測傳送錯誤的表頭和檢查欄位當主機產生一個 IP 資料包時, 主機需計算表頭的總和檢查值當主機接收一個 IP 資料包時, 主機用表頭的總和檢查值檢查表頭資訊是否完整無誤若檢查出錯誤, 接收端立即捨棄封包, 不作任何處理因為來源位址未被保護, 無法確定來源位址欄位的正確性, 接收者可能無法回報錯誤網際控制訊息協定 (Cont.) 路由器在轉送資料封包時, 必須將存活時間欄位減一 IP 用 ICMP 來產生錯誤的控制訊息,ICMP 透過 IP 來傳送控制訊號我們甚至可將 ICMP 當作是 IP 的一部份常用的功能 : 流量控制偵測無法到達的目的地重導路徑偵測遠端主機參考 ICMP.ppt 35 36

10 使用者資料段協定 (User Datagram Protocol,UDP) 只負責將訊息傳到網路上, 是一種不可靠非連結導向的協定簡單效率高延遲時間小適用於大量即時但對資料的正確性要求不是很高的資料傳輸使 AP 在協定所在造成的額外負擔最少的情況下, 經由網路交換訊息不提供流量傳輸控制無法提供正確性要求高的資料傳輸資料可能重複未按次序到達或因接收端來不及處理資料而遺失等問題, 這些問題都有賴使用者自行解決 UDP 的封包 Packet 格式 Bit 來源埠 Source Port 訊息長度目的埠 Destination Port 加總查核碼 Checksum 應用層傳來的訊息 (Message) 資料 UDP Packet Header 欄位來源埠 (Source Port,16bits): 傳送端主機的 Port Number 目的埠 (Destination Port,16bits): 目的地主機的 Port Number 訊息長度 (Length,16bits):UDP Packet 的總長度, 包含表頭和資料區長度 ( 以 byte 為單位 ) 加總查核碼 (Checksum,16bits): optional,stored as 0 if not computed, 一般而言會使用, 除非資料的對錯不重要, 如數位化聲音的資料資料 (Data,16bits): 應用層傳來的訊息 (Message) 資料 39 UDP Packet Header 欄位 (Cont.) UDP 有其保留的特定 port number, 稱為使用者埠 (user port), 為使用者可自行利用的號碼 UDP port number 應用層服務保留 Management Utility Echo 回應 Discard Active users, 顯示使用中的使用者 Daytime 時間 Any private printer server 40

11 UDP Packet Header 欄位 (Cont.) UDP Packet Header 欄位 (Cont.) Resource Location Protocol 主機名稱伺服器 whois ( 別名, 綽號 ) 簽入主機協定 Domain Name Server Trivial Transfer Protocol ( 平凡的檔案傳輸協定 ) Gopher Protocol Finger Protocol WWW 107 Remote Telnet Service 111 Sun Remote Procedure Call 119 NNTP (Network News Transfer Protocol) 123 Network Time Protocol 161 SNMP (Simple Network Management Protocol) 162 SNMP Traps 213 IPX(Used for IP Tunneling) 42 傳輸控制協定 (Transmission Control Protocol,TCP) TCP 傳送資料時用的是 IP 所提供的不保證成功傳遞的資料封包傳遞服務, 但對 TCP 上層 (E.g., 應用程式 ) 而言, 它卻提供保證成功的資料服務 TCP 必須彌補網際網路在傳送資料的過程中可能發生的封包遺失或延遲, 而且不能再增加底層網路或路由器的負擔 TCP 提供的服務從應用程式的角度來看,TCP 提供的應用服務包括 : 連結導向的傳輸服務 (Connection Orientation) 以三段式交握 (Three-way Handshake) 來建立與結束連結 (Connection) 端點對端點通訊一個 TCP 連線包含兩個端點 43 44

12 TCP 提供的服務 (Cont.) 完全的可靠性 (Acknowledge) 保證從連線上收到的資料和送出去的完全一模一樣, 不會有任何遺失和順序顛倒以確認重傳 (Positive Acknowledgement with Re-transmission,PAR) 的方式來提供可靠性全雙工通訊 (Full Duplex Connection) TCP 允許應用程式在任何時間傳送資料,TCP 會在兩端暫存傳出和收到的資料 45 TCP 提供的服務 (Cont.) Stream 介面 TCP 提供一資料流介面, 讓應用程式可以經由連線傳送一連串的位元資料也就是 TCP 不保證每次接收應用程式收到的資料段大小和傳送應用程式送出去的資料段大小一樣可靠的啟動連結 & 可靠的結束連結當兩個應用程式建立一 TCP 連線時, 必須兩應用程式皆同意新連線的建立, 可能出現的舊連線重複封包必須被偵測出來而不能視為新連線的封包 46 TCP 提供的服務 (Cont.) Graceful connection shutdown TCP 保證終止連線前, 所有傳送的資料都已正確的傳遞字組 Word TCP 的資料節 segment Bit 來源埠偏移量目的埠序號 Sequence Number 確認號碼 Acknowledge Number 保留旗標訊框 Window 表頭 Header 5 加總查核碼 checksum 緊急指標 6 選項填補 47 資料由此開始 48

13 TCP Segment Header 欄位 TCP 用分段 (Segment) 代表一個訊息來源埠 (Source Port,16bits): 傳送端主機的 port number, 用 16 bits 的埠號 (Port Number) 決定所服務的上層 AP 與 IP source address 結合後, 成為完整的 TCP 傳送端位址目的埠 (Destination Port,16bits): 目的地主機的 port number, 與 IP destination address 結合後, 成為完整的 TCP 接收端位址 49 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 序號 (Sequence Number,32bits): 記錄傳送過程中, 資料流的累積序號當來源主機開始發送訊號到達目的主機時, 來源主機的系統內會設定一個初值當作序號的開始, 接下來在傳送封包的過程中, 序號會隨著所傳送的位元組數, 依次的往上加上去這項紀錄主要的目的在檢查所傳送的資料是否確定完全收到 SYN=0: 此序號指出該 Segment 的第一個 byte 是整個 Stream 的第幾個 byte SYN=1:SN 即為初始序號 (Initial Sequence Number,ISN), 整個 Stream 的第一個 Segment 的第一個位元的號碼為 ISN+1 序號表示在這個分段中, 封包的第一個位元組資料的順序編號序號是利用亂數的方式產生 50 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 確認號碼 (Acknowledge Number,32bits) 若 ACK=1, 表示回應對方傳送封包的確認, 代表希望下一次收到對方那一個序號之資料資料位移 (Data Offset,4 bits): 由於 TCP Option 欄位可長可短, 所以需要資料偏移量來計算出段落資料在資料區的起始位置 TCP Header 的長度 ( 以 4 bytes,32 bit 字組為單位 ), 因此最小值為 20 保留 (Reserved,6 bits): 均設為 0 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 控制位元 (Control Bits,6 bits): 用來表示 TCP 封包的某些狀態 URG:Urgent Pointer field significant, 緊急欄位指標, 緊急資料傳輸用 URG=0, ignore URG=1, 中斷服務, 表示有緊急的資料封包需要處理, 這個緊急的資料封包位址會放在後面的 Urgent Pointer 指標欄位中 ACK:Acknowledgement field significant ACK=0, ignore ACK=1, 表示此封包是一個有接受回應的封包, Acknowledge Number 是有效的, 一般 TCP 的封包中都設定為

14 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) TCP Segment Header 欄位 (Cont.) PSH:Push Function PSH=0: 傳送端等 TCP buffer 中的資料滿了, 再往目的主機送接收端等 TCP buffer 滿了再往應用程式送 PSH=1: 傳送端立即將 TCP 段中的資料送出去給目的主機接收端不等 TCP buffer 滿了, 立即往應用程式送 Ex: telnet 時, 使用者按鍵動作, 必須能立即傳送給遠端主機 RST:Reset the connection RST=0: 維持現狀 RST=1: 重置連接, 用於網路資料傳送有誤, 重新設定 TCP 封包, 重新傳送 53 SYN:Synchronize sequence numbers, 同步請求, 用來建立連線用 SYN=0: 不進行連接請求 SYN=1: 進行連接請求 SYN=1, ACK=0:piggyback ack is not in use SYN=1, ACK=1:reply bear an ack FIN:No more data from sender FIN=0: 不終止連接 FIN=1: 終止連接, 表示資料已經送完, 發送端主機不再傳送資料了 54 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 訊窗 (Windows,16 bits): 表示目前緩衝器 (Buffers) 還能接收的 byte 數目, 此欄位用來控制流量當使用者啟動了一個 TCP process 時, 會同時產生兩個緩衝區, 一個 receive buffer 和一個 send buffer Receive buffer 用來儲存對方傳過來的資料, 並等待上層程序來提取而 send buffer 則是用來儲存準備要送出去的資料為符合可靠性傳輸, 必須等到對方已正確收到資料回應後, 才可將本身的 receive buffer 內的資料刪除此外可利用 window 通知對方現在本身的 receive buffer 空間大小有多少, 如此對方可控制資料傳送速率, 並免資料流失 55 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) For lines with high bandwidth, high delay or both, the 64KB window is often a problem. On a T3 line ( Mbps), it takes only 12msec to output a full 64KB window. If the round trip delay is 50 msec (typically for transcontinental fiber), the sender will be idle for ¾ of the time waiting for acknowledgements. On a satellite connection, the situation is even worse. A larger window size would allow the sender to keep pumping data out. But for 16 bits?? 56

15 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) In RFC 1323, a Window Scale option is proposed, allowed the sender and the receiver to negotiate a window scale factor. This number allows both sides to shift Window size field up to 16bits to the left, thus allowing windows up to 2 32 bytes. Most TCP implementations now supports this options. 57 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 加總查核碼 (Checksum,16bits): 所有 Header 與 Text 的 16 bit 字組的總和取其 1 s complement, 檢查主機傳送資料是否正確緊急指標 (Urgent Pointer,16 bits) URG=1: 當 URG=1,Urgent pointer 的值代表由此 segment 序號之後的位移因此此值加上序號, 可得到最後緊急資料位元組的編號, 用來取得緊急資料 58 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 通常會使用到 Urgent pointer 的情況很少例如當資料流量超過網路頻寬時, 系統會發出緊急訊息, 要求網路上的主機暫緩資料封包的傳送, 此時任何主機在接到此封包時, 都必須優先處理 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 選項 (Option): 可變長度的欄位, 但一定要是 32 bits 的整數倍如果擺放的資料不足的話, 也要填入到 32 的整數倍此欄位用來幫助表頭沒有的功能, 通常拿來表示接收端能夠接收 TCP 區段大小的最大值, 在連線建立時即設定使用在連線建立時, 傳送和接收兩方可宣布彼此可處理的區段最大值若不用此選項, 則可以使用任意的區段大小 (default 576 bytes) 所有 internet host 被要求能接受 576 bytes = 32x18 bytes 大小的 TCP segments) 使用較大的區段的資料傳送, 較有效率但較小的主機可能無法處理很大的區段資料因此雙方可溝通一個合理值出來 (E.g., minimum of the two) 59 60

16 TCP Segment Header 欄位 (Cont.) 填補 (Padding): 加在 Option 後面, 使 TCP Header 長度為 32 bits 倍數資料 (Data,16bits): 上層的資料 TCP 的連線 (Connection) TCP 提供的連線並不是實體的連線, 而是軟體設計出來的, 由兩端的 TCP 軟體模組互相交換訊息模擬一條連線, 故稱為虛擬連線 (virtual connection) TCP 視 IP 為連線兩端的封包傳遞系統, IP 視 TCP 訊息為被傳送的資料中間的網際網路為能接收傳送訊息, 且不會更改或解讀的通訊系統 TCP 的連線 (Cont.) 三向交握 (Three-way Handshake) TCP 使用 3-way handshake 的方法來確保連線建立和終止的可靠度學者也證明了 3-way handshake 是確保封包可能遺失重覆和延遲的情況下仍能正常連線的充要條件在 3-way handshake 中, 連線的每一端含一個起始視窗通告和同步 (SYN) 設定的訊息 63 64

17 3-way handshake 建立連結 3-way handshake 建立連結 (Cont.) Host 1 Host 2 SYN (SEQ=x) 啟動計時器 SYN (SEQ=y, ACK=x+1) SYN(SEQ=x+1, ACK=y+1) Data Host 1 設定同步訊號 SYN( 包含 ISN) 送給 Host 2,Note that SYN segment consumes 1 byte. Host 2 收到 SYN 後設定 ACK 以及自己的 SYN, 通知 Host 1 Host 1 設定 ACK, 並送出驗證的封包給 Host 2 In the event that two hosts simultaneously attempt to establish a connection between the same two sockets Only one connection is established because connections are identified by their ends. Only one table entry is made. Host1 Host2 SYN (SEQ=x) SYN (SEQ=y) SYN (SEQ=y, ACK=x+1) SYN (SEQ=x, ACK=y+1) way Handshake 結束連結 3-way Handshake 結束連結 (Cont.) Although TCP connections are full duplex, it is best to think of them as a pair of simplex connections. Each simplex connection is released by receiving an FIN and acknowledged with a ACK sent. Normally, four TCP segments are needed to release a connection. However, it is possible for the first ACK and the second FIN to be contained in the same segment

18 TCP 的確認重傳 TCP 的確認重傳 (Cont.) 以確認重傳 (Positive Acknowledgement with Retransmission,PAR) 的方式來提供可靠性 TCP 接收到對方的 segment, 便使用 checksum 檢查是否正確 : good: 接收端送 ACK 給對方 ( 確認 ) bad: 接收端丟棄此 segment 傳送端在送出封包後會啟動一計時器, 經一段時間 (timeout) 後發現沒有收到 ACK, 便會重送 (retransmit) 此 segment 69 重送會產生重覆的封包, 因為傳送端無法判斷封包是遺失還是其延遲大了點, 所以傳送端有可能太早決定重送, 結果變成遞送兩份相同的封包給接收端因此使用重傳的方法雖可保證傳輸可靠性, 但也必須處理重覆封包的問題 70 封包遺失與重傳可調節的重傳時間另一個問題是 TCP 在重傳前要等多久? 在區域網路內, 預期封包可到達的時間應該在幾個毫秒內對長距離的人造衛星連線, 幾個毫秒的重傳等待時間卻是不夠若等待時間過長, 將導致網路閒置, 無法提升網路的傳輸量而不必要的重傳將佔用網路頻寬和降低網路的傳輸量另一個挑戰是由於資料傳輸常常是 bursty, 因此路徑上的傳輸延遲時間快速變化事實上送出一訊息至收到期認可訊息的時間可以相差到幾個毫秒 71 72

19 可調節的重傳時間 (Cont.) 在 TCP 被研發前, 通常傳輸協定的設計者或網路的管理者會選擇大過預期延遲時間, 而且固定的重傳延遲時間但是 TCP 設計者發現固定值的 timeout, 在網路上表現並不理想, 所以他們設計出具有可調整性的重傳機制也就是說, TCP 會監測連線的延遲時間, 依據其變動的情況來調整 timeout 值實際上 TCP 並無法監測任何一段網際網路真正的傳送延遲時間, 取而代之的是去估計連線上傳送訊息至接收回應訊息的往返延遲 (round-trip delay) 時間傳送端送出有預期回應的訊息的時間 ~ 回應抵達時間 73 可調節的重傳時間 (Cont.) TCP 估算出一連串的往返延遲時間值和用統計函數來求得其加權平均值 (weighted average) 另外,TCP 也可持續推估其變動量 (variance) 和用線性外插法把平均值和變動量組合算出合理的 timeout 值從實驗知 TCP 的調適性重傳機制相當有效當網路暴量傳送封包時, 利用變動量 TCP 可以反應很快地增加延遲時間當結束暴量傳送封包時, 會回歸較短的 timeout 值利用平均加權值可以幫助 TCP 重設正確的 timeout 值當延遲時間維持不變時,TCP 可將 timeout 值調整為比平均往返延遲時間稍長的值當延遲時間開始變動時, TCP 可將 timeout 值調整比網路傳送尖峰的平均延遲時間更長的值 74 可調節的重傳時間 (Cont.) 重傳時間的設定計算每次收到回應的時間, 便可求出此連結平均的 round-trip delay, 以設定重傳的 timeout 時間 75 76

20 TCP 的流量控制 (Flow Control) TCP 將資料視為連續不斷的 byte-stream, 因此必需維護 bytes 順序與流量控制在建立 Connection 時, 雙方以 SYN 通知對方自己的 ISN 每個 Segment 依照其 Sequence Number 重組為 Stream Receiver 利用 ACK 讓 Sender 知道它已接收那些資料, 以及還能接收多少資料 1 已收到的資料 1 Sliding Window Window (specifies which streams are want to be received) Window Slides Window Flow Control 相關欄位 (1) 序號 (Sequence number): 指出該 Segment 的 Data content 第一個 byte 是整個 Stream 的第幾個 byte 確認號碼 (Acknowledge Number): 指出 Receiver 期待下次收到的 byte 的序號同時表示確認已收到的此 Acknowledge number 之前的所有 Bytes Flow Control 相關欄位 (2) 訊窗 (Windows): 緩衝器 (Buffers) 所能接收的 byte 數目 (Window size) 控制 Source 所能送出的 Bytes 數目 Example:Window size=0,sender 必須停止發送封包 Sliding Window 79 80

21 流量控制範例一流量控制範例二 Window=6000 已收到的資料目前的 segment 確認號碼 =2001 起始序號 (ISN)=0 Source 目前送出 segment 的序號 = TCP 的流量控制 (Cont.) When the window=0, the sender may not normally send segments, with two exceptions: Urgent data The sender may send a 1-byte segment to make the receiver re-announce the next byte expected and window size. Senders are not required to transmit data as soon as they come in from the application. Neither are the receivers required to send ACK as soon as possible. The freedom is exploited to improve the performance. 壅塞控制 (Congestion Control) 大部分現代的網路, 封包遺失 ( 或極長的延遲 ) 比硬體故障更有可能是造成網路壅塞的元兇重傳會使壅塞問題變本加厲 TCP 可用封包遺失的狀況來估算壅塞的程度, 依據它來降低重傳資料的速率一但資料遺失,TCP 便進行 congestion control 83 84

22 壅塞控制 (Cont.) TCP 不嘗試去填滿接收端的緩衝器, 一開始時只送出一個 segment 能容納的資料量如果未有進一步的資料遺失,TCP 將送出的資料量加倍如果成功收到兩個訊息認可, 再將傳輸量加倍以這樣 exponential 速增加, 直到接收端所建議 Windows 的一半這時 TCP 將開始減緩送出的資料量增加的速度 TCP 狀態圖 (State Machine) 整個 TCP protocol 傳輸架構可以用一個狀態流程圖表示簡化的 state machine, 不含一些偵錯的狀態 (E.g., 偵錯處理 ) 每一個圓圈代表一個狀態, 箭頭的描述文字分為兩種, 一種是直接說明, 表示接收的動作另一種是分為上下兩行, 上面的表示收到某種訊息或動作, 下面的表示在接收某種訊息後, 會產生的動作或訊息以 A,B 互連為例 TCP 狀態圖 (Cont.) A,B 都是由 CLOSE 開始主機 A 的應用程序提出連線要求, 此時 A 的 OS 分配適當的 port 給此應用程序這種情形稱為 active open ( 主動式開啟 ) 同樣的 B 為能接收 A 應用程序所提出的連線要求, 也需事先由作業系統分配適當對應的 port, 這種情形稱為 passive open ( 被動式開啟 ) 87 TCP 狀態圖 (Cont.) 建立連線的步驟如下 : Step 1: A 收到 active open 之後, 便會送出一個 SYN=1 的封包給 B, 同時 A 進入了 SYN SENT 的狀態 Step 2: B 收到 passive open 之後, 便會進入 LISTEN 的狀態, 表示其準備接收其他主機的連線 Step 3: A 所送出的 SYN=1 的封包由主機 B 收到並檢查無誤後,B 會送出 SYN ACK 皆為 1 的回應封包給 A, 並且進入 SYN RCVD 的狀態 88

23 TCP 狀態圖 (Cont.) Step 4: A 收到 B 送來的 SYN ACK 皆為 1 的封包並檢查無誤後, 會再送一個 ACK=1 的封包, 然後進入 ESTABLISHED 的狀態 Step 5: B 收到 A 所送來的 ACK=1 的封包並檢查無誤後, 也進入了 ESTABLISHED 的狀態, 連線完成, 可以開始進行資料傳輸當 A 在 SYN SENT,B 在 LISTEN 的狀態時, 若收到上層應用程式提出的中斷要求, 接會回到 CLOSED 狀態, 表示目前無連線的動作 89 TCP 狀態圖 (Cont.) 由 A 向 B 提出中斷連線 Step 6: A 的上層提出中斷連線的要求, 這時 A 會送出 FIN=1 的封包給 B, 同時進入 FIN WAIT-1 的狀態 Step 7: B 收到 A 送來 FIN=1 的封包檢查無誤後, 會通知上層的應用程序,A 中斷連線的要求, 然後 B 送出 ACK=1 的回應封包給 A, 並進入 CLOSE WAIT 的狀態 Step 8: A 收到 B 送來的斷線回應封包, 經檢查無誤後, 會進入 FIN WAIT-2 的狀態 90 TCP 狀態圖 (Cont.) Step 9: B 上層應用程序完成中斷處理後, 會送出 close 的訊息給 B,B 會送出一個 FIN=1 的斷線確認封包給 A, 同時進入 LAST ACK 的狀態 Step 10: A 在收到 FIN=1 斷線確認封包檢查無誤後, 會再送出一個 ACK=1 斷線完成封包給 B, 然後進入 TIME WAIT 的狀態 Step 11: B 收到 A 送來的斷線完成封包檢查無誤後, 會延遲依段時間, 才回到 CLOSE 狀態 TCP 狀態圖 (Cont.) 由於在中斷連線之後, 可能有些資料封包仍未到達目的地 B, 為避免上一次連線和下一次連線的資料混淆影響傳輸效率, 因此在中斷連線後並不立刻進入 CLOSE 狀態, 像 A 在 TIME WAIT 狀態 B 在 LAST ACK 狀態, 接延遲了一段時間, 才回到 CLOSE 狀態所謂延遲了一段時間的長度, 一般是取所有收到的封包中, 其 TTL 最大者的 2 倍 91 92

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TCP/IP TCP/IP OSI IP TCP IP IP TCP/IP TCP/IP

TCP/IP : TCP/IP TCP/IP OSI IP TCP IP IP TCP/IP TCP/IP 1. ASCII EBCDIC Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code 2. / (1) (2) Single System Image SSI) (3) I/O (4) 3.OSI OSI Open System Interconnection