Chapter 10 -- TCP(Transmission Control Protocol)

高信頼のトランスポート

　信頼性はトランスポートプロトコルの役割である。 TCP/IP suiteにおいて転送制御プロトコル(Transmission Conrol Protocol:TCP)は 高信頼トランスポートサービスを提供する。

TCPの提供するサービス

　TCPが提供するサービスには主に次の７つの特徴がある。

• コネクション指向 (connection oriented)

  　アプリケーションは最初にあて先にコネクションを要求し、 データの転送にそのコネクションを利用する。

• ２地点間通信 (point-to-point communication)

  　TCPコネクションは２つのエンドポイントを持つ。

• 完全信頼性 (complete reliability)

  　TCPは送信データが、紛失なく、順序の乱れなく、 正確に配信されることを保証する。

• 全二重通信 (full duplex communication)

  　TCPコネクションでは双方向にデータを流すことができる。 また、並行的にデータの受信、送信が可能である。

• ストリームインターフェイス (stream interface)

  　アプリケーションは、コネクションを通して一連の連続した データを送信できる。

• 高信頼コネクションの起動 (reliable connection startup)

  　コネクションを張る時は、両方のアプリケーションが新しい コネクションに合意しなければならない。これにより、 以前のコネクションで使用された重複パケットは存在しなくなる。

• 正常コネクション停止 (graceful connection shutdown)

  　TCPはコネクション停止にも双方の確認通知をし、 コネクションが閉じるまでにすべてのデータを高信頼に 配信することを保証する。

終端間(end-to-end)プロトコル

　TCPは、アプリケーションへのコネクションを提供するので、 end-to-end protocolと呼ばれる。 TCPで提供されるコネクションは、ソフトウェアによって実現されるので、 仮想コネクション(virtual connection)と呼ばれる。IPによって TCPのデータを運ぶが、IPはTCPのデータを読んだり、解釈したりすることはない。 つまり、TCPは終端の２点おいてのみ必要である。（ルータには必要ない）

パケット紛失と確認通知

　TCPは再送(retransmission)によって、パケット紛失(packet loss)に対応する。 TCPはデータを受信すると、確認通知メッセージ(acknowledgenment)を送信元に 返送する。送信者はデータ送信時にタイマを起動し、確認通知が返ってこなかった 場合は再送信する。

適応型再送

　TCPのタイムアウト時間は最初、固定値が使われたが、これはうまく動かないこと が分かった。そこで、TCPは適応型(adaptive)のタイムアウト時間を用いる。 TCPは応答を伴うメッセージを送信することによって、往復時間を計測し、 往復遅延時間(round-trip delay)を推定する。
　分散値を用いることで、パケットのバーストによって遅延時間が増大する場合に、 TCPが迅速に適応することを助けている。また、加重平均を用いることで、 一時的なバーストの後に遅延時間が小さく戻る時に、TCPが再送タイマを再セット することを助けている。
　当然、LANにおいてはタイムアウト時間は短く、長距離通信においてはタイムアウト時間は長い。

ウィンドウとフロー制御

　TCPデータ受信者は、データを受信すると、残りバッファ量を送信者へ 送り返す。このバッファサイズ通知をウィンドウ広告(window advertisement)という。 ０のサイズを受け取った送信者は、データの送信を一時中断する。 そして、正のサイズを受信すると再び送信を開始する。

最大セグメントサイズ1000オクテットのTCPフロー制御

３方向ハンドシェーク

　TCPはコネクションの生成、終結時に３方向ハンドシェーク法(3-way handshake)を 使用している。

• コネクション生成時・・・同期セグメント(SYN segment)(synchronization segment)
• コネクション終結時・・・終了セグメント(FIN segment)(finish segment)

　３ハンドシェーク時に各終端は32ビット乱数の順序番号(sequence number)を発生する。 コンピュータのリブート時にはTCPは新しい乱数を選択する。 これにより各コネクションは一対の通信を可能とする。

輻輳制御 (congestion control)

　現代のインターネットワークにおいて、パケット紛失はハードウェアの 故障よりも、輻輳によって引き起こされることが多い。 輻輳によってデータ送信が失敗した場合は、データを再送信するため、 さらにネットワークの渋滞を大きくすることになりかねない（→輻輳破壊 congestion collapse)。
　この問題に対処するため、TCPは輻輳の測度としてパケット紛失を用い、 再送の時は一時的にデータ量を小さくして輻輳に対応する。 送信者は、受信したウィンドウサイズの半分に達するまで、データサイズを 指数関数的に大きくしていく。半分に達すると、増加率を減少させる。

TCPセグメントの形式

• SOURCE PORT (16bit)

  　発信元のポートを示す。 データを送信したプログラムを特定する。

• DESTINATION PORT (16bit)

  　宛先のポート示す。受信コンピュータのどのアプリケーションが データを受信すべきかを特定する。

• SEQUENCE NUMBER (32bit)

  　順序番号。受信されたデータの順序乱れを直すのに用いられ、 確認通知番号を計算するのにも使用される。

• ACKNOWLEDGEMENT NUMBER (32bit)

  　確認通知番号。受信されたデータの順序番号を特定する。

• H.LEN (4bit)

  　TCPセグメントヘッダサイズ(32bit単位)。つまりペイロード部分までのオフセット。

• NOT USED (6bit)

  　予約。

• CODE BITS(Control bits) (6bit)

  　あるフィールドが意味を持つかを示すビットパターン。

• WINDOW (16bit)

  　受信バッファの残りサイズ(ウィンドウサイズ)。

• CHECKSUM (16bit)

  　TCPセグメントヘッダとTCPセグメントデータの検査合計。

• URGENT POINTER (16bit)

  　割り込み信号などの緊急データの終了位置。