第６章まとめ ４４０５０８２ 松浦 ６．１ トランスポート層の役割 トランスポート層とは・・・ • 次にどのアプリケーションにパケットを渡せ ばよいか識別する • 通信をする「プログラム」を指定する役 割 この役割を実現する手法 －ポート番号という識別子 宛先の判断 通信の処理（１） クライアントがサーバにサービスなどを要求 サーバーが要求を処理してサービスを提供 この際に、サ－バープログラムが起動されて いる必要がある 通信の処理（２） • サーバープログラム ・UNIX・・・デーモン（Demon） HTTPでは、httpd（HTTPデーモン） TELNETでは、telnetd（テルネットデーモ ン） • さらに、この代表として、inetdというスー パーデーモンも存在 通信の処理（３） • 要求がどのパケットに向けられたものかは 宛先ポート番号で識別 ex）TCPの接続要求パケット受信 ポート番号が２３番 telnetd ８０番 ｈｔｔｐｄ • ＴＣＰ、ＵＤＰのトランスポートプロトコルは、 受信したデータの宛先をポート番号で特定 ＨＴＴＰの接続要求 TCPとUＤP（１） • 代表的なトランスポートプロトコルには、 「TCP」と「UＤP」が存在 TCPはTransmission Control Protocol UDPはUser Datagram Protocol の略 TCPとUＤP（２） • TCP －コネクション志向で、信頼性のある ストリーム（切れ目がないデータ構造）型 プロトコル －送信した順に相手にデータが届く だが、データの切れ目が不明 TCPとUＤP（３） • TCPでは、信頼性の提供 ・順序制御 ・再送制御 ・フロー制御（流量制御） ・ふくそう回避制御 このほかに、ネットワークの利用効率を向 上させる仕組みなど、多機能 TCPとUＤP（４） • ＵＤＰ －信頼性のないデータ型プロトコル －細かい処理は上位層のアプリケーションが決 定 －データの大きさは保たれるが、パケットが到達 する保障はない 再送処理が必要な場合もある ソケット（１） • TCPやUDPを利用する時に使われるAPI （Application Programming Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の 名称。 • アプリケーションはソケットを利用して、通 信相手のIPアドレスやポート番号を設定し たり、データの送受信の要求をする。 ソケット（２） TCPとUDPの使い分け • トランスポート層で信頼性のある通信を実 現する必要がある場合にはTCP • 同報通信、高速性やリアルタイム性重視 の通信にはUDP 6.2 ポート番号 6.2.1 ポート番号とは • トランスポートプロトコルにおけるアドレ ス • 同一コンピュータ内で通信を行っている 複数のプログラムを識別する 6.2.2 ポート番号によるアプリケー ションの識別 • トランスポートプロトコルは、ポート番号を使って、通 信しているプログラムを識別する ホストA １７２．２３．１２．１４ TELNE T サーバー ポート番号 TCP２１ FTP SMTP HTTP FTP HTTP サーバー サーバー サーバー サーバー サーバー ポート番号 TCP２３ ポート番号 TCP２５ ポート番号 TCP８０ ポート番号 TCP２０００ ポート番号 TCP２００１ どの処理にデータを渡すのかな？ データ ＆ IP 宛先１７２．２３．１２．１４ 6.2.3 ＩＰアドレスとポート番号と プロトコル番号による通信の識別 • 宛先ＩＰアドレス、送信元ＩＰアドレス、 宛先ポート番号、送信元ポート番号、 プロトコル番号の５つの数字を組み 合わせて通信を識別 6.2.4 ポート番号の決め方 • 静的な割り当て方法 アプリケーションごとに、ポート番号を固定 的に割り当てる方法。（ウェルノウンポート番 号） • 動的な割り当て方法 サービスを受ける側のアプリケーションが、 自分のポート番号を決定せずに、OSが割り 当てる方法。 6.2.5 ポート番号とプロトコル • ポート番号は使用されるトランスポートプロト コルごとに決定。 ex)TCPとUDPで同じポート番号を使用可能 • データがIP層に到着すると、IPヘッダ中のプ ロトコル番号がチェックされ、それぞれのプロ トコルのルーチンに渡される。 • ウェルノウンポート番号はプロトコルに関係な く同じ番号は同じアプリケーションに割り当て られる。 6.3 UDP (User Datagram Protocol) 4405019 小尾雅人 6.3.1 UDPの目的と特徴 (1) UDP (User Datagram Protocol) 複雑な制御を行わない コネクションレス的な通信サービスを提供する 通常通信では最初にコネクションを確立する（送信元から送信先 に通信許可の要請および通信先から通信元への許可）が必要 になるが、UDPは送りっぱなし。 6.3.1 UDPの目的と特徴 (2) UDP 「アプリケーションを造ったユーザーの 言うがままのプロトコル」 Userが全てを考慮して上位層のプロトコルを考 えたり、アプリケーションを作成しなければいけな いことを意味する 6.3.1 UDPの目的と特徴 (3) UDPの通信方法 ⇒ 一方的にデータを 送りっぱなしの通信 （ ● ● ● データグラム型通信 or コネクションレス方通信 ） ヘッダが8オクテッドしかない（TCPは20オクテッド） 処理簡単 ⇒ 高速に動作する マルチキャストやブロードキャストに利用可 6.3.1 UDPの目的と特徴 (4) UDPの用途 ● 総パケット数が少ない通信 （DNS,SNMPなど） ● 動画や音声などのマルチメディア通信 ● LANなどの特定ネットワークに限定した アプリケーションの通信 ● 同報性が必要な通信 （ブロードキャスト、マルチキャスト） 6.4 TCP TCP (Transmission Control Protocol) • 「伝送、送信、通信」を「制御」する「プロトコ ル」 データを送信するときの制御機能が充実し ている。 ・ネットワークの途中でパケットが喪失した場 合の再送 ・順序が入れ替わった場合の制御 ・パケットの到達を確認する確認応答 などをＴＣＰの中で行っている。 6.4.1 TCPの目的と特徴 • ネットワークの問題点 – データの破壊・重複・順序の入れ替わり TCPを用いると・・・ • 信頼性の高い通信が出来る – UDPと違い、制御機能（確認応答・再送制御・コ ネクション管理・ウィンドウ制御）が充実している。 6.4.2 シーケンス番号と確認応答 （１） • シーケンス番号 – 再送制御・重複制御などはシーケンス番号を使っ て行われる。 – コネクションの確立時に乱数で初期値を決め、そ れ以降は送信データをオクテット単位で数え、 シーケンス番号に値を加算し、送信データに付加 して送信する。 – 確認応答には、次に受信すべきシーケンス番号 を付加して返送する。 6.4.2 シーケンス番号と確認応答 （２） • 受信したデータが受 信ホスト（B)に到着し たとき、送信ホスト （A)にデータが到着 したことを知らせる。 確認応答（ACK） A 時 間 コネクション B 6.4.2 シーケンス番号と確認応答 （３） • データが喪失し、確 認応答が返ってこな い場合、一定時間後 にデータを再送する。 A 時 間 一 定 時 間 コネクション × 喪失 B 6.4.2 シーケンス番号と確認応答 （４） • 確認応答が喪失し、 返ってこない場合も データを再送する。 A コネクション 時 間 一 定 時 間 × 喪失 B 6.4.3 再送タイムアウトの決定 （１） • 再送タイムアウト時間を経過しても確認応答が到着しなかっ た場合データを再送する。 • 再送タイムアウト時間 再送せずに確認応答の到着を待つ時間 どのくらいの時間が適切か？ →パケットを送信するたびに ラウンドトリップ時間と、 その揺らぎの時間を計測する。 合計時間よりも少し大きな値を再送タイムアウト時間とする。 6.4.3 再送タイムアウトの決定（２） 時 間 揺らぎが小さい場合 A 再送タイムアウト時間 RTT 経過時間（データ量） 時 間 揺らぎが大きい場合 再送タイムアウト時間 RTT 時 間 Ｒ Ｔ Ｔ Ｒ Ｔ Ｔ Ｒ Ｔ Ｔ コネクション B 6.4.4 コネクション管理 TCPはコネクション指向の通信を提供する。 ↓ 通信に先立って通信相手との間に通信を 始める準備をしてから通信を行うこと。 ホストA （クライアント） ホストB （サーバー） コネクション確立要求 時間 確認応答＋コネクション切 断要求 確認応答 コネクション 確立の データ転送を行 う コネクション切断要求 確認応答 コネクション切断要求 確認応答 確認応答 TCPのコネクションの確立と切断 コネクションを管理するために、 TCPヘッダの制御ようのフィール ドを利用する。 また、コネクションの確立と切断 には最低でも７つ以上のパケット のやり取りが必要。 6.4.5 ＴＣＰはセグメント単位で データを送信 • コネクションの確立時に、通信を行うデータ単 位を決定 これを最大セグメント長と呼ぶ (Maximum Segment Size) 大量のデータを送信するときには、このＭＳＳ の値ごとにデータが区切られて送信される。 再送処理も基本的にはＭＳＳ単位で行われる 6.4.6 ウィンドウ制御で速度向上（１） １セグメントごとに 確認応答を待つ場 合、ラウンドトリッ プ時間が長いと通 信性能が悪くなる。 時 間 データ １～１０００ 確認応答 次は１００１ １００１～２０００ 次は２００１ ２００１～３０００ 次は３００１ ３００１～４０００ 次は４００１ ４００１～５０００ TCPの１セグメントごとに確認応答を行った場合 ウインドウの概念 時 間 送信したセグメントに対す る確認応答を待たずに、複 数のセグメントを送信する ことで通信性能を改善 ウィンドウ サイズ データ １～１０００ １００１～２０００ ２００１～３０００ ３００１～４０００ ４００１～５０００ ５００１～６０００ ６００１～７０００ ７００１～８０００ 確認応答 次は１００１ 次は２００１ 次は３００１ 次は４００１ 次は５００１ 次は６００１ 次は７００１ 次は８００１ ８００１～９０００ スライディングウィンドウ方式で並列処理を行った場合 ホストA（送信ホスト） ０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５０００ ６０００ ７０００ ウィンドウ（４セグメント） ホストA ホストB シーケンス番号２００１のデータを 要求する確認応答が、 ホストAに到達 ホストA（送信ホスト） ０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５０００ ６０００ ウィンドウ（４セグメント） ２０００までのデータを 破棄して右へ移動する •スライディングウィンドウ方式の図 ７０００ 6.4.7 ウィンドウ制御と再送制御 ウィンドウ制御を行わない 場合、確認応答が失われ るとデータは届いているに もかかわらず再送しなけ ればならない ウィンドウ制御を行うと、 ある程度の確認応答が 失われても再送する必要 がなくなる 時 間 データ １～１０００ 確認応答 １００１～２０００ 次は１００１ ２００１～３０００ 次は２００１ ３００１～４０００ 次は３００１ ４００１～５０００ 次は４００１ ５００１～６０００ 次は５００１ 次は６００１ 高速再送制御 •送信セグメントが失 われた場合、受信ホス トが今までに受信した データの確認応答を 返す。 ３つの重複応 答を受け取る と再送する 時 間 データ １～１０００ １００１～２０００ ２００１～３０００ ３００１～４０００ ４００１～５０００ 次は１００１ 次は１００１ 次は１００１ 次は１００１ 次は１００１ 次は１００１ 次は７００１ ５００１～６０００ ６００１～７０００ １００１～２０００ •一度受け取った確認 応答が3回連続して ７００１～８０００ ８００１～９０００ 受け取った場合、そ の確認応答が示して ９００１～１００００ いるデータを再送する。 これを高速再送制御 という。 確認応答 次は８００１ 次は９００１ 高速再送制御の図 ３つの重複 確認応答 ６.４.８ フロー制御（流動制御） •受信ホストが送信ホ ストに対して受信可 能なデータサイズ （ウィンドウサイズ）を 通知するようにする。 時 間 データ １～１０００ 確認応答 １００１～２０００ ２００１～３０００ ３００１～４０００ •受信側のバッファが 溢れそうになるとウィ ウィンドウ ンドウの値を小さくし ロープを定期 的に送信する て送信ホストの送信 量を抑制する。このよ ４００１～５０００ うな処理をフロー制 ５００１～６０００ 御という。 ウィンドウ更新通知が途切れ、通信不能 になるのを避けるためウィンドロープと 呼ばれる小さなデータを送信する。 ウィンドウ 次は１００１ ３０００ 次は２００１ 次は３００１ 次は４００１ ２０００ １０００ ０ バッファが満 杯の状態 次は４００１ ０ 次は４００１ ３０００ ウィンドウ更新通知 フロー制御の図 6.4.9 ふくそう制御(ネットワークの混雑解消) ＊ネットワークに、通 信開始時から大量の パケットを送信すると ネットワークがパンク する可能性がある ＊その危険性をな くすため、スロース タートと呼ばれるア ルゴリズムに従い 送信する ふくそう ウィンドウ １０００ データ １～１０００ ２０００ ２０００ １００１～２０００ ３０００ ４０００ ４０００ ４０００ ３００１～４０００ ４００１～５０００ ５００１～６０００ ６００１～７０００ 確認応答 次は１００１ ２００１～３０００ 次は２００１ 次は３００１ 次は４００１ 次は５００１ 次は６００１ 次は７００１ スロースタートの図 TCPのウィンドウの変化 ふくそうウィンドウ の大きさ タイムアウト パケットが往復するたび に、ふくそうウィンドウが 1・2・4と指数関数的に 急激に大きくなってしま うのを防ぐために、ス ロースタート閾値を用意 する タイムアウト 重複確認応答 半分 ふくそう ウィンドウ 半分 3セグメント 時間 スロースタート閾値 指数関数的 にウィンドウ が増加 1セグメント ふくそうウィンドウ １セグメント 6.4.10 ネットワークの利用効率を高める 仕組み（１） • Nagleアルゴリズム 送信すべきデータがあっても、そのデータが少ない 場合には送信を遅らせる処理 ・全ての送信済みデータが確認応答されている場合 ・最大セグメント長（MSS）のデータを送信できる場合 以上の状態に当てはまる場合にTCPはデータを送 信する 6.4.10 ネットワークの利用効率を高める 仕組み（２） • 遅延確認応答 データを受信してもすぐに確認応答を行わないで遅 らせる方法 ・２×最大セグメント長のデータを受信するまで確認応答をしな い ・そうでない場合は確認応答を最大で0.5秒遅延させる 6.4.10 ネットワークの利用効率を高める 仕組み（３） • ピギーバック 確認応答と返事のデータパケットを1つのパケットで 送り、送受信するパケット数を減らすことができる アプリケーションがデータを処理して返事のデータを 送信するまで確認応答が遅延されなければピギー バックは起こらない 6.4.11 TCPを利用するアプリケーション ・ TCPの複雑な制御は時と場合により使い 分けることが必要 ・ アプリケーションが細かい制御をしたほう がよい場合は、UDPを用いたほうがよい ・ データの転送量が比較的に多く，信頼性が 必要としているが、難しいことを考えたくない 場合にはTCPを用いるのがよい 6.5 その他のトランスポートプロト コル インターネットではＴＣＰとＵＤＰの２つのトラ ンスポートプロトコルが主に使われてきた。 最近提案され今後利用が広まるとされるも のを紹介する。 UDP-Lite (Lightweight User Datagram Protocol) ＵＤＰではチェックサムエラーが発生してしま うとパケット全体を廃棄してしまう。 映像や音声のデータフォーマットアプリケーションで は非効率的 ＵＤＰでチェックサムを外すとＵＤＰヘッダ中のポート 番号やＩＰヘッダ中のＩＰアドレスが壊れたパケットを 受信してしまう。 UDP-Liteではアプリケーションがチェックサ ム計算する範囲を決める。 パケット全体、ヘッダ、疑似ファイル、データ の先頭から途中までの必要なチェックサムを 行うことができる。 エラーの発生してはいけない部分に関しての みチェックサムを検査することができる。 SCTP (Stream Contorol Transmission Protocol) ＴＣＰと同様。特徴は メッセージ単位の送受信 マルチホーミングに対応 複数のストリームの通信 メッセージの生存時間を定義できる DCCP (Datagram Congestion Control Protocol) • ＵＤＰと同様に、データの到達性に関する信頼性はない。 • コネクション指向で、コネクションの確立と切断処理がある。 コネクションの確立と切断の処理には信頼性がある。 • ネットワークの混雑に合わせた輻輳制御を行うことができる。 ＤＣＣＰを利用するアプリケーションの特性により、「ＴＣＰライ クな輻輳制御」と「ＴＣＰフレンドリーなレート制御」のどちらか の方法を選択できる。 • 輻輳制御を行うため、パケットを受信した側は確認応答（ＡＣ Ｋ）を返す。この確認応答を使って再送をすることも可能。 ６．６ UDPヘッダのフォーマット ６．６ UDPヘッダのフォーマット １６bit １６bit 送信ポート番号 Source Port 宛先ポート番号 Destination Port パケット長 Length チェックサム Checksum データ data UDP ヘッダ ６．６ UDPヘッダのフォーマット • チェックサム UDPヘッダとデータの信頼性を提供する。 ８bit ８bit １６bit 送信元IPアドレス 宛先IPアドレス パディング （詰め物）０ プロトコル番号 １７ UDPパケット長 6.7 TCPヘッダフォーマット ＴＣＰのセグメントフォーマット 0 ３１ビット 伝送元ポート番号 宛先ポート番号 シーケンス番号 確認応答番号 Ｄａｔ ａ Ｏｆ ｆ ｓｅｔ 予約 コントロー ルフラグ チェックサム ウィンドウサイズ ＴＣＰヘッダ 緊急ポインタ オプション パディング データ ＴＣＰ ペイロード 送信元ポート番号・宛先ポート番号 • 送信元ポート番号(Source Port) ・・・１６ビット長のフィールドで、送信元 のポート番号を示す • 宛先ポート番号(Destination Port) ・・・１６ビット長のフィールドで、宛先の ポート番号をしめす シーケンス番号(Sequence Number) • ３２ビット長のフィールドで、シーケンス番 号を示す • シーケンス番号は送信したデータの位置 を意味する • データを送信するたびに、送信したデータ のオクテット数だけ値が加算される • コネクションを確立する時に初期値が乱 数値で決定され、SYNパケットで受信ホ ストに伝えられる 確認応答番号 (Acknowledgement Number) • ３２ビット長のフィールドで、確認応答番号を 示す • 確認応答番号は、次に受信すべきデータの シーケンス番号になっている • 送信側では、次に送るデータのシーケンス番 号と、返された確認応答番号が同じ場合には、 正常に通信が行われたことになる データオフセット・予約 • データオフセット(Data Offset) ・・・４ビット長のフィールド、で単位は４バ イト長である • 予約(Reserved) ・・・●将来の拡張のために容易されて いるフィールドで６ビット長 ●“０”にしておく必要がある コントロールフラグ(Control flag) ６ビット長のフィールドで、各ビットは左から URG、ACK、PSH、RST、SYN、FINと名づけ られている。それぞれの意味を以下に示す。 • URG・・・このビットが“１”の場合は、緊急に処 理すべきデータが含まれていることを意味する。 • ACK・・・このビットが“１”の場合は、確認応答 番号のフィールドが有効であることを意味する。 コントロールフラグ(Control flag) • PSH・・・このビットが“１”の場合は、受信した データをすぐに上位のアプリケーションに引き 渡す。 “０”の場合は、バッファリングが許され る。 • RST・・・このビットが“１”の場合は、コネクショ ンが強制的に切断される。 コントロールフラグ(Control flag) • SYN・・・このビットが“１”の場合は、コネク ションの確立したい意思表示を表し、シーケ ンス番号の初期化が行われる。 • FIN・・・このビットが“１”の場合は、今後送信 するデータがないことを意味し、コネクション を切断したいと意思表示を意味する。 ウィンドウサイズ(Window) • １６ビット長のフィールドで、受信可能なデータ のサイズを通知するのに使われる ・・・データのサイズはオクテット • ここに示されているデータ量を超えて送信す ることは許されない チェックサム(Checksum) • 途中のルーターのメモリの故障やプログラム のバグなどによるデータの破壊がないことを 保障するためのもの • チェックサムを含むすべてのデータを足した 結果が０になると正しい値となる 緊急ポインタ(Urgent Pointer) • １６ビット長のフィールドで、 “１”の場合に有 効となる • 緊急を要するデータの格納場所を示すポイン タとして扱われる • 一般には、通信を途中で中断したり、処理を 中断する場合に使われる オプション(Options) • TCPによる通信の性能を向上させるために 利用される • データオフセットフィールドによる制限のため、 最大で４０オクテットまで オプション(Options) オプション(Options) • タイプ２は、コネクションの確立時に最大セグ メント長の決定で利用される • タイプ３は、ＴＣＰのスループットを改善するた めのオプションである • タイプ８は、高速通信時のシーケンス番号の 管理に利用される • タイプ４と５は、選択確認応答に利用される
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