TCP
TCP(Transmission Control Protocol)とは, 信頼性の高い通信を実現するためのプロトコル.
IPと同様, TCP/IPの中心的な存在であり, インターネットにおいて標準的に利用されている.
TCPはIPの上位層に位置するトランスポート層で動作するプロトコルである.
ネットワーク層のIPとセッション層以上のプロトコル(例: HTTP, FTP, Telnet)の橋渡しをする形で動作する.
一方UDPは, 信頼性は高くないが, 高速性やリアルタイム性を求められる通信で使用される.
どちらかが優れているという訳ではなく, 通信上の特性により使い分けるのが正しい.
ポート番号
ポート番号とは, ノード間で通信を行う際に, 通信先のアプリケーションを特定するための番号である.
ノード間の通信において, 宛先のIPアドレスが分かればそのIPアドレスにデータを送信できるが, データを受信したコンピュータがどのアプリケーションで処理するのかを判断する上で必要となる.
ポート番号は, 0 ~ 65535の範囲で割り当てられ, 以下に示す３種類に分類することができる.
| 種別 | 範囲 | 説明 |
|---|---|---|
| ウェルノウンポート番号 | 0 ~ 1023 | IANAで管理されている. サーバのアプリケーションに割り当てられるポート番号. |
| 登録済みポート番号 | 1024 ~ 49151 | IANAで管理されている. 独自に作成したアプリケーションに割り当てるポート番号. |
| ダイナミックポート番号 | 49152 ~ 65535 | クライアント側のアプリケーションに自動的に割り当てられるポート番号. |
ウェルノウン(well-known)ポート番号, つまりよく知られたポート番号は, サーバのアプリケーションに割り当てられる.
登録済みポート番号は独自に作成されたアプリケーションに割り当てられ, 一般的にはサーバ側に割り当てられるが, クライアント側に割り当てられることもある.
また, これらの２つはIANAにて管理されている.
ダイナミックポート番号はクライアント側のアプリケーションで使用される.
ポート番号の仕組み
クライアント側のWebブラウザがWebページを開くためにWebサーバにリクエストする際, 宛先ポート番号を"80"と指定する.
これは, WebブラウザがWebサーバにアクセスする際にはポート番号80番のHTTPを使用すると決められているためである.
そして逆に, WebサーバからWebブラウザにレスポンスを返すには, クライアント側にもポート番号が必要となる.
クライアント側のポート番号はアプリケーションによりランダムに割り当てられる.
Webサーバがクライアントからパケットを受信すると, 送信元のIPアドレスと送信元のポート番号が分かるので, これらの情報を宛先としてレスポンスを返すことにより, 双方向の通信が実現する.
なお, クライアント側で複数のWebブラウザを開いている場合, Webブラウザ毎に正しくWebページを表示させるため, Webブラウザ毎に異なるランダムなポート番号が割り当てられる.
TCPにおける代表的なウェルノウンポート番号
TCPにおける代表的なウェルノウンポート番号は以下に示す通りである.
| ポート番号 | サービス名 |
|---|---|
TCPヘッダのフォーマット
TCPセグメントはTCPヘッダとTCPペイロードから構成され, TCPヘッダの中身は以下に示す通りである.
なお, TCPペイロードとは, TCPよりも上位のヘッダを含むデータのことを指す.
| フィールド | ビット数 | 説明 |
|---|---|---|
| 送信元ポート番号 | 16bit | 送信元のポート番号の値が入る. |
| 宛先ポート番号 | 16bit | 宛先のポート番号の値が入る. |
| シーケンス番号 | 32bit | 送信したデータの順序を示す値が入る. この番号は, ランダムな値か相手から受信した確認応答番号の値である. |
| 確認応答番号 | 32bit | 確認応答番号の値が入る. 相手から受信したシーケンス番号とデータのサイズを加算した値が入る. ただし, ３ウェイハンドシェイクの際はシーケンス番号に１を加算した値が入る. |
| データオフセット | 4bit | TCPヘッダの長さを示す値が入る. |
| 予約 | 6bit | 全ビット"0"が入る. 将来的な拡張のために用意されている. |
| コントロールフラグ | 6bit | URG, ACK, PSH, SYN, FINの６つで構成されている. |
| ウィンドウサイズ | 16bit | 受信側が１度に受信することができるデータ量を送信側に通知するために使用される. |
| チェックサム | 16bit | TCPヘッダとペイロードのエラーチェックを行うために使用される. |
| 緊急ポインタ | 16bit | コントロールフラグのURGの値が"1"であるときにのみ使用されるフィールドである. 緊急データの開始位置を示す情報が入る. |
| オプション | 可変長 | TCPを用いた通信において, 性能を向上させるために使用される. 例えば, MSSを決定するためなどである. |
| パディング | 可変長 | TCPヘッダの長さを32ビットの整数倍にするために詰め物として空データの"0"を入れることにより調整する. |
コントロールフラグ
以下のフラグは値が"1"である, つまりフラグが立っている場合に意味を成す.
| ビット | 説明 |
|---|---|
| URG(Urgent) | 緊急に処理すべきデータであることを意味する. |
| ACK(Acknowledgement) | 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. コネクション確立時以外は値が"1"である. |
| PSH(Push) | 受信したデータをバッファリングせずに, 即座にアプリケーションに渡すことを意味する. |
| RST(Reset) | コネクションが強制的に切断されることを意味する. 何らかの異常を検出した場合にフラグが立つ. |
| SYN(Synchronize) | コネクションの確立を要求することを意味する. |
| FIN(Fin) | コネクションの正常な終了を要求することを意味する. |
TCPにおけるコネクションの確立
TCPはコネクション型通信を提供するプロトコルであるため, データ転送を行う前にコネクションの確立を行い, これを３ウェイハンドシェイクと呼ぶ.
まずはじめに, ホストAからホストBに対してコネクションの確立の要求をする.
TCPにおけるデータ転送
TCPにおけるコネクションの切断
MSS
順序制御
再送制御
ウィンドウ制御
フロー制御
MSS
MSS(Maximum Segment Size)とは, １回のデータ転送で受信可能なTCPセグメントのペイロード部分の最大値のことである.
例えば, Ethernetを用いたLANの場合, Ethernetフレームが最大1518byteのため, 14byteのEthernetヘッダと４byteのFCS, 20byteのIPヘッダ, 20byteのTCPヘッダを除いた1460byteがMSSとなる.
つまり, MTUから40を減じた値がMSSとなる.
また, PPPoEを使用する場合, EthernetヘッダとFCS, IPヘッダ, TCPヘッダに加え, ６byteのPPPoEヘッダと２byteのPPPヘッダも考慮する必要があるため, 1460byteからさらに８byteを引いて, 1452byteがMSSとなる.
RWIN
RWIN(Receive Window Size)とは, 相手側の確認応答であるAckを待たずに, 一度に送信できるデータサイズのことである.
３ウェイハンドシェイクによりコネクションを確立させる際に, TCPが受信可能なMSSとRWINを相手側に通知する.
RWINは, 回線速度やPCのCPUやメモリーなどにより最適なサイズが異なる.
また, Windows 7におけるRWINは可変のため, 自動的に値が調整されるが, それよりも前のOSはRWINが固定値であった.
| OS | RWIN |
|---|---|
| Windows 95 | 8192byte |
| Windows 98 | 8192byte |
| Windows NT | 8192byte |
| Windows 2000 | 16384byte |
| Windows Me | 16384byte |
| Windows XP | 65535byte |
また, 現在の自分のPCのMTU, MSS, RWINなどは, http://www.speedguide.net/analyzer.phpから確認が可能である.