البحث في الموقع

بروتوكول النقل الأعقد هو البروتوكول الذي يوفر خدمة تدفق بايتات موثوقة Reliable Byte Stream وموجهة نحو الاتصال، على عكس بروتوكول فك تعدد الإرسال demultiplexing البسيط كبروتوكول UDP. أثبتت هذه الخدمة أنها مفيدة لمجموعةٍ واسعة من التطبيقات لأنها تحرر التطبيق من القلق بشأن البيانات المفقودة أو المُعاد ترتيبها. ربما يكون بروتوكول التحكم في الإرسال Transmission Control Protocol عبر الإنترنت هو البروتوكول الأكثر استخدامًا من هذا النوع، كما أنه مضبوطٌ بعناية. لهذين السببين يدرس هذا القسم بروتوكول TCP بالتفصيل، على الرغم من أننا نحدد ونناقش خيارات التصميم البديلة في نهاية القسم. يضمن بروتوكول TCP التسليمَ الموثوق به والمرتّب لتدفقٍ من البايتات. إنه بروتوكول ثنائي الاتجاه full-duplex، مما يعني أن كل اتصال TCP يدعم زوجًا من تدفقات البايتات، حيث يتدفق كلٌّ منهما في اتجاه. يتضمن أيضًا آليةً للتحكم في التدفق لكل من تدفقات البايتات هذه التي تسمح للمستقبل بتحديد مقدار البيانات التي يمكن للمرسل إرسالها في وقتٍ معين. أخيرًا، يدعم بروتوكول TCP آلية فك تعدد الإرسال، مثل بروتوكول UDP، والتي تسمح لبرامج تطبيقات متعددة على أي مضيف معين بإجراء محادثة مع نظرائها في نفس الوقت. يطبّق بروتوكول TCP أيضًا، بالإضافة إلى الميزات المذكورة أعلاه، آلية التحكم في الازدحام عالية الضبط. تتمثل فكرة هذه الآلية في التحكم في مدى سرعة إرسال بروتوكول TCP للبيانات، ليس من أجل منع المرسل من الإفراط في تشغيل جهاز الاستقبال، ولكن من أجل منع المرسل من زيادة التحميل على الشبكة. يخلط العديد من الأشخاص بين التحكم في الازدحام congestion control والتحكم في التدفق flow control، لذلك سنعيد صياغة الفرق. يتضمن التحكم في التدفق منع المرسلين من تجاوز سعة أجهزة الاستقبال، بينما يتضمّن التحكم في الازدحام منع حقن الكثير من البيانات في الشبكة، مما يتسبب في زيادة تحميل المبدّلات switches أو الروابط links. وبالتالي فإن التحكم في التدفق هو مشكلة شاملة، بينما يهتم التحكم في الازدحام بكيفية تفاعل المضيفين والشبكات. قضايا طرف إلى طرف End-to-End Issues يوجد في صميم بروتوكول TCP خوارزمية النافذة المنزلقة sliding window. على الرغم من كونها نفس الخوارزمية الأساسية المُستخدمة غالبًا على مستوى الروابط، نظرًا لأن بروتوكول TCP يعمل عبر طبقة الإنترنت بدلًا من الرابط الفيزيائي نقطة لنقطة، إلا أنّ هناك العديد من الاختلافات المهمة. يحدد هذا القسم الفرعي هذه الاختلافات ويشرح كيف تعقّد بروتوكول TCP، ثم تصف الأقسام الفرعية التالية كيف يعالج بروتوكول TCP هذه التعقيدات وغيرها. أولًا، بينما تعمل خوارزمية النافذة المنزلقة على مستوى الروابط المقدمة عبر رابطٍ فيزيائي واحد يربط دائمًا نفس جهازي الحاسوب، فيدعم بروتوكول TCP الاتصالات المنطقية بين العمليات التي تعمل على أي جهازَي حاسوب على شبكة الإنترنت. هذا يعني أن بروتوكول TCP يحتاج إلى مرحلة تأسيس اتصال صريحة يتفق خلالها طرفا الاتصال على تبادل البيانات مع بعضهما بعضًا. يماثل هذا الاختلاف الاضطرار إلى الاتصال dial up بالطرف الآخر، بدلًا من امتلاك خط هاتف مخصَّص dedicated phone line. ويحتوي بروتوكول TCP أيضًا على مرحلة تفكيك اتصال صريحة. أحد الأشياء التي تحدث أثناء إنشاء الاتصال هو قيام الطرفين بإنشاء حالة مشتركة ما لتمكين خوارزمية النافذة المنزلقة من البدء. يجب فصل الاتصال حتى يعرف كل مضيف أنه لا بأس من تحرير هذه الحالة. ثانيًا، في حين أنه يوجد لدى رابط فيزيائي واحد يربط دائمًا نفس جهازي الحاسوب وقت رحلة ذهاب وإياب round-trip time أو اختصارًا RTT ثابت، فمن المحتمل أن يكون لدى اتصالات TCP أوقات ذهابٍ وإيابٍ مختلفة. قد يساوي وقت RTT من أجل اتصال TCP بين مضيفٍ في سان فرانسيسكو ومضيفٍ في بوسطن على سبيل المثال، مفصول بينهما بعدة آلاف من الكيلومترات، 100 ميلي ثانية، بينما قد يساوي وقت RTT من أجل اتصال TCP بين مضيفين في نفس الغرفة، على بعد أمتار قليلة فقط، 1 ميلي ثانية فقط. يجب أن يكون بروتوكول TCP نفسه قادرًا على دعم كلا الاتصالين. و لجعل الأمور أسوأ، فقد يبلغ وقت RTT لِاتصال TCP بين المضيفين في سان فرانسيسكو وبوسطن 100 ميلي ثانية في الساعة 3 صباحًا، ولكنّ وقت RTT يبلغ 500 ميلي ثانية في الساعة 3 مساءً. يمكن أن تكون الاختلافات في وقت RTT ممكنةً أثناء اتصال TCP الذي لا يدوم سوى بضع دقائق. ما يعنيه هذا بالنسبة لخوارزمية النافذة المنزلقة هو أن آلية المهلة الزمنية timeout التي تؤدي إلى إعادة الإرسال يجب أن تكون قابلة للتكيُّف. (بالتأكيد، يجب أن تكون المهلة الزمنية لرابط من نقطةٍ إلى نقطة معاملًا قابلًا للإعداد، ولكن ليس من الضروري تكييف هذا المؤقت مع زوجٍ معين من العقد). ثالثًا، إمكانية إعادة ترتيب الرزم أثناء عبورها للإنترنت، إنما هذا غير ممكن على رابط من نقطة إلى نقطة حيث يجب أن تكون الرزمة الأولى الموضوعة في أحد طرفي الرابط هي أول ما يظهر في الطرف الآخر. لا تسبب الرزم المخالفة قليلًا للترتيب مشاكلًا لأن خوارزمية النافذة المنزلقة يمكنها إعادة ترتيب الرزم بصورةٍ صحيحة باستخدام الرقم التسلسلي. تكمن المشكلة الحقيقية في المدى الذي يمكن أن تصل إليه رزمٌ مخالفة للترتيب، أو، كما يُقال بطريقة أخرى، مدى تأخر وصول الرزمة إلى الوجهة. يمكن أن تتأخر الرزمة في الإنترنت في أسوأ الحالات حتى انتهاء صلاحية حقل IP الذي هو العُمر time to live أو (TTL)، وفي ذلك الوقت تُهمَل الرزمة (وبالتالي لا يوجد خطر من وصولها متأخرة). يفترض بروتوكول TCP أن كل رزمة لها عمرٌ أقصى مع العلم أن بروتوكول IP يرمي الرزم بعيدًا بعد انتهاء صلاحية حقل TTL. يُعد العمر الدقيق، المعروف باسم الحد الأقصى لعمر الجزء maximum segment lifetime أو اختصارًا MSL، خيارًا هندسيًا، والإعداد الحالي الموصى به هو 120 ثانية. ضع في بالك أن بروتوكول IP لا يفرض مباشرة هذه القيمة البالغة 120 ثانية، أي أنه ببساطة تقدير تقليدي يقوم به بروتوكول TCP لطول مدة بقاء الرزمة على الإنترنت. يجب أن يكون بروتوكول TCP جاهزًا حتى تظهر الرزم القديمة جدًا فجأة في جهاز الاستقبال، مما قد يؤدي إلى إرباك خوارزمية النافذة المنزلقة. رابعًا، تُصمَّم أجهزة الحواسيب المتصلة برابط من نقطة إلى نقطة لدعم الروابط. فإذا حُسِب جداء التأخير × حيز النطاق التراسلي للرابط ليكون 8 كيلوبايت على سبيل المثال، مما يعني أن حجم النافذة حُدِّد للسماح بما يصل إلى 8 كيلوبايت من البيانات بعدم الإقرار unacknowledged في وقت معين، وعندها فمن المحتمل أن يكون لأجهزة الحاسوب في أيٍّ من طرفي الرابط القدرة على تخزين ما يصل إلى 8 كيلوبايت من البيانات. سيكون تصميم النظام بخلاف ذلك سخيفًا. يمكن توصيل أي نوع من أجهزة الحاسوب تقريبًا بالإنترنت، مما يجعل كمية الموارد المخصصة لأي اتصال TCP متغيرًا بدرجة كبيرة، لا سيما بالنظر إلى أن أي مضيف يمكنه دعم مئات اتصالات TCP في نفس الوقت. وهذا يعني أن بروتوكول TCP يجب أن يتضمن آلية يستخدمها كل جانب "لمعرفة" الموارد (مقدار مساحة المخزن المؤقت على سبيل المثال) التي يستطيع الجانب الآخر تطبيقها على الاتصال. وهذه هي مشكلة التحكم في التدفق. خامسًا، نظرًا لأن جانب الإرسال للرابط المتصل مباشرةً لا يمكنه الإرسال بصورةٍ أسرع مما يسمح به حيز نطاق الرابط التراسلي، ولأن مضيفًا واحدًا فقط يضخ البيانات في الرابط، فلا يمكن جعل الرابط مزدحمًا عن غير قصد. يكون الحِمل على الرابط مرئيًا على شكل رتل من الرزم عند المرسل، وفي المقابل، ليس لدى جانب الإرسال من اتصال TCP فكرة عن الروابط التي سيجري اجتيازها للوصول إلى الوجهة. قد يكون جهاز الإرسال متصلًا مباشرةً بشبكة إيثرنت سريعة نسبيًا على سبيل المثال، وقادرة على إرسال البيانات بمعدل 10 جيجابت في الثانية، ولكن يجب اجتياز رابطٍ بسرعة 1.5 ميجابت في الثانية في مكان ما في منتصف الشبكة. لجعل الأمور أسوأ، قد تحاول البيانات التي تنشئها العديد من المصادر المختلفة اجتياز هذا الرابط البطيء نفسه، وهذا يؤدي إلى مشكلة ازدحام الشبكة. نختم هذه المناقشة لقضايا طرفٍ إلى طرف من خلال مقارنة نهج TCP لتوفير خدمة توصيلٍ موثوقة / مرتبة مع النهج الذي تستخدمه الشبكات القائمة على الدارات الافتراضية مثل شبكة X.25 المهمة تاريخيًا. يُفترض أن شبكة IP الأساسية غير موثوقة في بروتوكول TCP وتسلّم الرسائل مخالفةً للترتيب، أي يستخدم بروتوكول TCP خوارزمية النافذة المنزلقة على أساس طرفٍ إلى طرف لتوفير تسليمٍ موثوق / مرتب. وفي المقابل، تستخدم شبكات X.25 بروتوكول النافذة المنزلقة داخل الشبكة، على أساس النقل قفزة بقفزة hop-by-hop. الافتراض الكامن وراء هذا النهج هو أنه إذا ُسلِّمت الرسائل بصورة موثوقة ومرتّبة بين كل زوج من العقد على طول المسار بين مضيف المصدر والمضيف الوجهة، فإن الخدمة من طرفٍ إلى طرف تضمن أيضًا تسليمًا موثوقًا / مرتبًا. تكمن مشكلة هذا النهج الأخير في أن سلسلةً من الضمانات السريعة المتتالية من نقل قفزة بقفزة لا تضيف بالضرورة ضمانًا شاملًا. أولًا، إذا أضيف رابطٌ غير متجانس (رابط إيثرنت مثلًا) إلى أحد طرفي المسار، فلا يوجد ضمان بأن هذه الخطوة ستحافظ على نفس الخدمة مثل الخطوات الأخرى. ثانيًا، إذا ضمِن بروتوكول النافذة المنزلقة تسليم الرسائل بصورة صحيحة من العقدة A إلى العقدة B، ومن ثم من العقدة B إلى العقدة C، فإنه لا يضمن أن العقدة B تتصرف بصفةٍ مثالية، حيث عُرفت عقد الشبكة بإدخال أخطاءٍ في الرسائل أثناء نقلها من مخزن الإدخال المؤقت إلى مخزن الإخراج المؤقت. ومن المعروف أيضًا أن عقد الشبكة تعيد ترتيب الرسائل عن طريق الخطأ. لا يزال من الضروري توفير فحوصات طرفٍ إلى طرف لضمان خدمة موثوقة / مرتبة نتيجة لأسباب الضعف البسيطة هذه، على الرغم من تطبيق المستويات الأدنى من النظام أيضًا لهذه الوظيفة. صيغة الجزء segment format بروتوكول TCP هو بروتوكول موجَّهٌ بالبايت، مما يعني أن المرسل يكتب البايت في اتصال TCP ويقرأ المتلقي البايت من خلال اتصال TCP. على الرغم من أن "تدفق البايتات" يصف الخدمة التي يقدمها بروتوكول TCP لعمليات التطبيق، فإن بروتوكول TCP نفسه لا يرسل البايتات الفردية عبر الإنترنت. وبدلًا من ذلك، يخزن بروتوكول TCP على المضيف المصدر ما يكفي من البايتات من عملية الإرسال لملء رزمةٍ بحجم معقول ثم يرسل هذه الرزمة إلى نظيره على المضيف الوجهة. يفرغ بروتوكول TCP على المضيف الوجهة بعد ذلك محتويات الرزمة في مخزن الاستلام المؤقت، وتقرأ عملية الاستلام من هذا المخزن المؤقت في أوقات فراغها. يوضح الشكل التالي هذا الموقف، حيث يُظهر تدفق البيانات في اتجاه واحد فقط بهدف التبسيط. تذكر أن اتصال TCP واحدًا يدعم عمومًا تدفقات البايتات في كلا الاتجاهين. تسمَّى الرزم المتبادلة بين نظراء بروتوكول TCP في الشكل السابق باسم الأجزاء segments، لأن كل واحد يحمل جزء من تدفق البايتات. يحتوي كل جزء TCP على العنوان الموضح في الشكل التالي. وستوضّح معظم هذه الحقول ضمن هذا القسم. يحدد حقلا SrcPort وDstPort منفذي ports المصدر والوجهة، على التوالي، تمامًا كما في بروتوكول UDP. يتحد هذان الحقلان، بالإضافة إلى عناوين IP المصدر والوجهة، لتعريف كل اتصال TCP بشكل فريد. وهذا يعني أن مفتاح فك تعدد الإرسال demux الخاص ببروتوكول TCP مُعطى بواسطة صف رباعي العناصر 4-tuple (حيث tuple هو (صف وتُجمَع إلى صفوف) هي بنية بيانات تُمثِّل سلسلةً مرتبة من العناصر غير القابلة للتبديل، وبالتالي لا يمكن تعديل القيم الموجودة فيها) وهنا هذا الصف مؤلَّف من 4 عناصر. (SrcPort, SrcIPAddr, DstPort, DstIPAddr) لاحظ أن اتصالات TCP تأتي وتذهب، وبالتالي من الممكن إنشاء اتصال بين زوجٍ معين من المنافذ، واستخدامه لإرسال البيانات واستلامها، وإغلاقه، ثم تضمين نفس زوج المنافذ في اتصال ثانٍ في وقت لاحق. نشير أحيانًا إلى هذه الحالة على أنهما تجسيدان incarnations مختلفان لنفس الاتصال. تُضمَّن جميع حقول Acknowledgement و SequenceNum و AdvertisedWindow في خوارزمية نافذة بروتوكول TCP المنزلقة. بما أن بروتوكول TCP هو بروتوكول موجهٌ بالبايت، فإن لكل بايت من البيانات رقم تسلسلي. يحتوي حقل SequenceNum على رقمٍ تسلسلي للبايت الأول من البيانات المنقولة في هذا الجزء، ويحمل حقلا Acknowledgement و AdvertisedWindow معلومات حول تدفق البيانات في الاتجاه الآخر. لتبسيط مناقشتنا، نتجاهل حقيقة أن البيانات يمكن أن تتدفق في كلا الاتجاهين، ونركز على البيانات التي لها رقم تسلسلي SequenceNum معين يتدفق في اتجاه واحد، وتتدفق قيم الحقلين Acknowledgement و AdvertisedWindow في الاتجاه المعاكس، كما هو موضح في الشكل التالي: يُستخدم حقل الرايات Flags المكوّن من 6 بتات لنقل معلومات التحكم بين نظراء بروتوكول TCP. تتضمن الرايات المحتملة رايات SYN و FIN و RESET و PUSH و URG و ACK. تُستخدَم رايتا SYN و FIN عند إنشاء اتصال TCP وإنهائه على التوالي. تُضبَط الراية ACK في أي وقت يكون حقل Acknowledgement صالحًا، مما يعني أنه يجب على المستلم الانتباه إليه. تشير الراية URG إلى أن هذا الجزء يحتوي على بياناتٍ عاجلة، فعند تعيين هذه الراية، يشير حقل UrgPtr إلى مكان بدء البيانات غير العاجلة الموجودة في هذا الجزء. يجري احتواء البيانات العاجلة في الجزء الأمامي من جسم الجزء segment body، بعدد بايتاتٍ يصل إلى قيمة الراية UrgPtr في الجزء. تشير الراية PUSH إلى أن المرسل قد استدعى عملية PUSH، مما يشير إلى الجانب المستلم من TCP بوجوب إعلام عملية الاستلام بهذه الحقيقة. أخيرًا، تشير الراية RESET إلى أن جهاز الاستقبال قد أصبح مرتبكًا، لأنه تلقى جزءًا لم يتوقع تلقيه على سبيل المثال، وبالتالي يريد إلغاء الاتصال. أخيرًا، يُستخدَم حقل المجموع الاختباري Checksum تمامًا بنفس الطريقة المستخدمة في بروتوكول UDP، أي يُحسَب عبر ترويسة TCP وبيانات TCP والترويسة الزائفة pseudoheader، والتي تتكون من عنوان المصدر وعنوان الوجهة وحقول الطول من ترويسة IP. المجموع الاختباري مطلوب لبروتوكول TCP في كلٍ من IPv4 و IPv6. بما أن ترويسة TCP متغيرة الطول (يمكن إرفاق الخيارات بعد الحقول الإلزامية)، فيُضمَّن حقل HdrLen الذي يعطي طول الترويسة بكلمات ذات حجم 32 بتًا. يُعرف هذا الحقل أيضًا باسم حقل الإزاحة Offset، لأنه يقيس الإزاحة من بداية الرزمة إلى بداية البيانات. تأسيس الاتصال وإنهاؤه يبدأ اتصال TCP عندما يقوم عميلٌ "مستدعٍ caller" بفتحٍ فعّال active open لخادم "مُستدعَى callee". وبفرض أن الخادم قد أجرى في وقتٍ سابق فتحًا سلبيًا غير فعّال passive open، فيشارك الجانبان في تبادل الرسائل لإنشاء الاتصال. (تذكر أن الطرف الذي يرغب في بدء اتصال يجري فتحًا فعالًا، بينما الطرف الذي يرغب في قبول الاتصال يجري فتحًا سلبيًا. ويسمح بروتوكول TCP بإعداد الاتصال ليكون متماثلًا symmetric، حيث يحاول كلا الجانبين فتح الاتصال في نفس الوقت، ولكن الحالة الشائعة هي أن يجري أحد الجانبين فتحًا فعّالًا والآخر يجري فتحًا سلبيًا. يبدأ الطرفان في إرسال البيانات بعد انتهاء مرحلة إنشاء الاتصال فقط. وبالمثل، فبمجرد انتهاء المشارك من إرسال البيانات، فإنه يغلق اتجاهًا واحدًا للاتصال، مما يتسبب في بدء بروتوكول TCP بجولة من رسائل إنهاء الاتصال. لاحظ أنه في حين أن إعداد الاتصال هو نشاط غير متماثل asymmetric (أحد الجانبين يجري فتحًا سلبيًا والجانب الآخر يجري فتحًا فعّالًا)، فإن تفكيك teardown الاتصال يكون متماثلًا symmetric (يجب على كل جانب إغلاق الاتصال بشكل مستقل). لذلك من الممكن أن يكون أحد الطرفين قد أنهى إغلاقًا، مما يعني أنه لم يعد بإمكانه إرسال البيانات، ولكن يجب إبقاء النصف الآخر من الاتصال ثنائي الاتجاه مفتوحًا ومواصلة إرسال البيانات بالنسبة للجانب الآخر. طريقة المصافحة الثلاثية Three-Way Handshake تسمى الخوارزمية التي يستخدمها بروتوكول TCP لإنشاء اتصال وإنهائه بمصافحة ثلاثية. نصف أولًا الخوارزمية الأساسية ثم نوضّح كيف يستخدمها بروتوكول TCP. تتضمن طريقة المصافحة الثلاثية تبادل ثلاث رسائل بين العميل والخادم، كما هو موضح في الجدول الزمني الوارد في الشكل التالي. الفكرة هي وجود طرفين يريدان الاتفاق على مجموعة من المعاملات، والتي هي أرقام البداية التسلسلية التي يخطط الجانبان لاستخدامها في تدفقات البايتات الخاصة بهما في حالة فتح اتصال TCP. قد تكون هذه المعاملات أي حقائق يريد كل جانب أن يعرفها الجانب الآخر. أولًا، يرسل العميل (المشارك الفعّال) جزءًا إلى الخادم (المشارك السلبي) يوضح الرقم التسلسلي الأولي الذي يخطط لاستخدامه (Flags=SYN,SequenceNum= x). يستجيب الخادم بعد ذلك بجزء واحد يقوم بوظيفة مزدوجة وهي الإقرار برقم العميل التسلسلي Flags = ACK وAck = x + 1، وتحديد رقم البداية التسلسلي الخاص به Flags = SYN وSequenceNum = y. وبالتالي ضُبطت بتات SYN وACK في حقل Flags في هذه الرسالة الثانية. أخيرًا، يستجيب العميل بجزء ثالث يعترف برقم الخادم التسلسلي Flags = ACK وAck = y + 1. السبب الذي يجعل كل جانب يعترف برقمٍ تسلسلي أكبر بمقدار واحد عن الرقم المرسَل هو أن حقل الإشعار Acknowledgement يحدد بالفعل "الرقم التسلسلي التالي المتوقع"، وبالتالي يُعترف ضمنيًا بجميع الأرقام التسلسلية السابقة. جرى جدولة مؤقتٍ timer لكل جزء من الجزأين الأولين على الرغم من عدم ظهوره في هذا المخطط الزمني. وعند عدم تلقي الاستجابة المتوقعة، فسيُعاد إرسال الجزء. قد تسأل نفسك لماذا يجب على العميل والخادم تبادل أرقام البداية التسلسلية مع بعضهما بعضًا في وقت إعداد الاتصال. سيكون من الأسهل إذا بدأ كل جانب ببساطة برقمٍ تسلسلي "معروف"، مثل 0. تتطلب مواصفات TCP أن يختار كل جانب من جوانب الاتصال رقم بداية تسلسليًا أوليًا عشوائيًا، والسبب في ذلك هو الحماية من وجود تجسيدين لنفس الاتصال يعيدان استخدام نفس الأرقام التسلسلية في وقتٍ قريب جدًا، أي في الوقت الذي لا يزال فيه فرصةٌ بأن يتداخل جزءٌ من تجسيد اتصالٍ سابق مع تجسيد اتصالٍ لاحق. مخطط انتقال الحالة State-Transition Diagram بروتوكول TCP معقدٌ بدرجةٍ كافية بحيث تتضمن مواصفاته مخطط انتقال الحالة. توجد نسخةٌ من هذا المخطط في الشكل الآتي. يوضح هذا المخطط فقط الحالات المشاركة في فتح اتصال (كل شيء فوق الحالة ESTABLISHED) وفي إغلاق الاتصال (كل شيء أدنى الحالة ESTABLISHED). يكون كل شيء يحدث أثناء فتح الاتصال، أي تشغيل خوارزمية النافذة المنزلقة، مخفيًا في الحالة ESTABLISHED. من السهل فهم مخطط انتقال حالة TCP، حيث يشير كل صندوقٍ إلى حالة يمكن لأحد طرفي اتصال TCP أن يجد نفسه فيها. تبدأ جميع الاتصالات في الحالة CLOSED، ومع تقدم الاتصال، ينتقل الاتصال من حالة إلى أخرى وفقًا للأقواس. يُسمَّى كل قوس بوسم tag لنموذج حدث / إجراء event/action. وبالتالي إذا كان الاتصال في حالة LISTEN مع وصول جزء SYN (أي جزء مع ضبط راية SYN على سبيل المثال)، ينتقل الاتصال إلى الحالة SYN_RCVD ويتخذ إجراء الرد بجزء ACK + SYN. لاحظ أن نوعين من الأحداث يؤديان إلى انتقال الحالة: وصول جزء من النظير (الحدث على القوس من LISTEN إلى SYNRCVD على سبيل المثال) استدعاء عملية التطبيق المحلي عمليةً على بروتوكول TCP (حدث الفتح الفعال على القوس من الحالة CLOSED إلى SYNSENT على سبيل المثال). بعبارة أخرى، يحدّد مخطط انتقال الحالة الخاص ببروتوكول TCP بفعالية دلالات semantics كلٍ من واجهة نظير لنظير peer-to-peer interface وَواجهة خدمته. تُوفَّر صيغة syntax لهاتين الواجهتين من خلال صيغة الجزء ومن خلال بعض واجهات برمجة التطبيقات على التوالي، مثل واجهة برمجة تطبيقات المقبس socket API. دعنا الآن نتتبع التحولات النموذجية المأخوذة من خلال المخطط في الشكل السابق. ضع في اعتبارك أنه في كل طرفٍ من طرفي الاتصال، يجري بروتوكول TCP انتقالات مختلفة من حالة إلى أخرى. يستدعي الخادم أولًا عملية فتحٍ سلبية على بروتوكول TCP عند فتح اتصال، مما يؤدي إلى انتقال TCP إلى حالة LISTEN. يجري العميل فتحًا فعالًا في وقت لاحق، مما يؤدي إلى إرسال نهاية الاتصال جزء SYN إلى الخادم والانتقال إلى حالة SYNSENT. ينتقل الخادم إلى حالة SYNRCVD عندما يصل جزء SYN إليه ويستجيب بجزء SYN + ACK. يؤدي وصول هذا الجزء إلى انتقال العميل إلى الحالة ESTABLISHED وإرسال ACK مرة أخرى إلى الخادم. وينتقل الخادم أخيرًا إلى الحالة ESTABLISHED عند وصول ACK. وبالتالي كأننا قد قمنا للتو بتتبع طريقة المصافحة الثلاثية. هناك ثلاثة أشياء يجب ملاحظتها حول النصف المخصص لإنشاء الاتصال في مخطط انتقال الحالة. أولًا، في حالة فقد ACK الخاص بالعميل إلى الخادم، وهو ما يتوافق مع المرحلة الثالثة من طريقة المصافحة الثلاثية، فإن الاتصال لا يزال يعمل بصورةٍ صحيحة. وذلك لأن جانب العميل موجود بالفعل في حالة ESTABLISHED، لذلك يمكن أن تبدأ عملية التطبيق المحلي في إرسال البيانات إلى الطرف الآخر. سيكون لكل جزء من أجزاء البيانات هذه مجموعة رايات ACK، والقيمة الصحيحة في حقل Acknowledgement، لذلك سينتقل الخادم إلى الحالة ESTABLISHED عند وصول جزء البيانات الأول. هذه في الواقع نقطةٌ مهمة حول بروتوكول TCP، حيث يبلّغ كل جزء عن الرقم التسلسلي الذي يتوقع المرسل رؤيته بعد ذلك، حتى إذا كان هذا يكرّر نفس الرقم التسلسلي الموجود في جزءٍ واحد أو أكثر من الأجزاء السابقة. الشيء الثاني الواجب ملاحظته حول مخطط انتقال الحالة هو أن هناك انتقالًا مضحكًا خارج حالة LISTEN عندما تستدعي العملية المحلية عملية إرسال على بروتوكول TCP. بمعنى أنه من الممكن للمشارك السلبي تحديد طرفي الاتصال (أي نفسه والمشارك البعيد الذي يرغب في الاتصال به)، ومن ثم تغيير رأيه بشأن انتظار الجانب الآخر وإنشاء اتصال فعال بدلًا من ذلك. على حد علمنا، هذه ميزة من ميزات بروتوكول TCP التي لا تستفيد منها أية عملية تطبيق. آخر شيء يجب ملاحظته بشأن المخطط هو الأقواس غير الظاهرة. تجدول معظم الحالات التي تتضمن إرسال جزءٍ إلى الجانب الآخر أيضًا مهلةً زمنية timeout تؤدي في النهاية إلى إعادة إرسال الجزء عند عدم حدوث الاستجابة المتوقعة. لا تُوصف عمليات إعادة الإرسال هذه في مخطط انتقال الحالة. في حال عدم وصول الاستجابة المتوقعة بعد عدة محاولات، يستسلم بروتوكول TCP ويعود إلى الحالة CLOSED. الشيء المهم حول عملية إنهاء الاتصال الواجب أخذه بعين الاعتبار هو أن عملية التطبيق على جانبي الاتصال يجب أن تغلق نصف الاتصال الخاص بها بشكل مستقل. إذا أغلق جانبٌ واحد فقط الاتصال، فهذا يعني أنه ليس لديه المزيد من البيانات للإرسال، ولكنه لا يزال متاحًا لتلقي البيانات من الجانب الآخر. يؤدي هذا إلى تعقيد مخطط انتقال الحالة لأنه يجب أن يأخذ في الاعتبار احتمال أن يستدعي الجانبان معامل الإغلاق في نفس الوقت، بالإضافة إلى احتمال أن يستدعي أحد الجانبين الإغلاق ثم، في وقت لاحق، يستدعي الجانب الآخر الإغلاق. وبالتالي يوجد في أي جانبٍ ثلاثُ مجموعات من الانتقالات التي تحصل على اتصال من الحالة ESTABLISHED إلى الحالة CLOSED: يجري إغلاق هذا الجانب أولًا: ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED يغلق الجانب الآخر أولًا: ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED يغلق كلا الجانبين في نفس الوقت: ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → CLOSING → TIME_WAIT → CLOSED يوجد في الواقع تسلسل رابع، وإن كان نادرًا، للانتقالات التي تؤدي إلى الحالة CLOSED، حيث يتبع القوس من الحالة FINWAIT1 إلى الحالة TIME_WAIT. الشيء الرئيسي الواجب معرفته حول تفكيك الاتصال هو أن الاتصال في حالة TIME_WAIT لا يمكنه الانتقال إلى حالة CLOSED حتى ينتظر ضِعف الحد الأقصى من الوقت الذي قد يبقى فيه مخطط بيانات IP على الإنترنت (أي 120 ثانية). والسبب في ذلك هو أنه بينما يرسل الجانب المحلي من الاتصال ACK كاستجابةٍ للجزء FIN الخاص بالجانب الآخر، فإنه لا يعرف أن ACK قد سُلِّم بنجاح. لذلك قد يعيد الجانب الآخر إرسال الجزء FIN الخاص به، وقد يتأخر الجزء FIN الثاني في الشبكة. إذا سُمِح للاتصال بالانتقال مباشرةً إلى الحالة CLOSED، فقد يأتي زوجٌ آخر من عمليات التطبيق ويفتح نفس الاتصال (مثل استخدم نفس زوج أرقام المنافذ)، وقد يبدأ الجزء FIN المتأخر من تجسيد الاتصال السابق على الفور في إنهاء التجسيد اللاحق لذلك الاتصال. إعادة النظر في خوارزمية النافذة المنزلقة Sliding Window Revisited نحن الآن جاهزون لمناقشة بروتوكول TCP لخوارزمية النافذة المنزلقة، والتي تخدم عدة أغراض: (1) تضمن التسليم الموثوق للبيانات، (2) تضمن تسليم البيانات بالترتيب، (3) تفرض التحكم في التدفق بين المرسل والمُستقبِل. استخدام بروتوكول TCP لخوارزمية النافذة المنزلقة هو نفسه على مستوى الرابط بالنسبة لأول وظيفتين من هذه الوظائف الثلاث، بينما يختلف بروتوكول TCP عن خوارزمية مستوى الرابط في أنه يحتوي على وظيفة التحكم في التدفق أيضًا. يعلن جهاز الاستقبال عن حجم النافذة للمرسل بدلًا من وجود نافذةٍ منزلقة ذات حجم ثابت، ويحدث ذلك باستخدام حقل AdvertisedWindow في ترويسة TCP، ويمتلك المرسل بعد ذلك على ما لا يزيد عن قيمة بايتات الحقل AdvertisedWindow من البيانات غير المعترف بها في أي وقت. يحدد جهاز الاستقبال قيمة مناسبة للحقل AdvertisedWindow بناءً على مقدار ذاكرة الاتصال المخصصة لغرض تخزين البيانات مؤقتًا. الفكرة هي منع المرسل من الإفراط في تشغيل مخزن المستقبل المؤقت (سنناقش هذا بإسهاب أدناه). التسليم الموثوق والمرتب افترض الموقف الموضح في الشكل التالي لمعرفة كيفية تفاعل جانبي الإرسال والاستقبال من بروتوكول TCP مع بعضهما بعضًا لتنفيذ تسليمٍ موثوقٍ ومرتّب. يحتفظ TCP على جانب الإرسال بمخزن إرسال مؤقت، ويُستخدم هذا المخزن المؤقت لتخزين البيانات التي أُرسلت ولكن لم يجري الاقرار بها بعد، وكذلك البيانات التي كتبها التطبيق المرسل ولكن لم تُرسل. يحتفظ TCP على جانب الاستقبال بمخزن استقبالٍ مؤقت، حيث يحتفظ هذا المخزن المؤقت بالبيانات التي تصل مخالفةً للترتيب، وكذلك البيانات ذات الترتيب الصحيح (مثل عدم وجود بايتاتٍ مفقودة في وقت سابق من التدفق) ولكن عملية التطبيق لم تتح لها الفرصة لقراءتها بعد. نتجاهل في البداية حقيقة أن كلًا من المخازن المؤقتة والأرقام التسلسلية ذات حجم محدود وبالتالي ستلتف في النهاية لجعل المناقشة التالية أسهل، ولا نفرق أيضًا بين المؤشر إلى المخزن المؤقت حيث يُخزَّن بايتٌ معين من البيانات وبين الرقم التسلسلي لذلك البايت. بالنظر أولًا إلى جانب الإرسال، يحتفظ مخزن الإرسال المؤقت بثلاث مؤشرات، لكل منها معنى واضح: LastByteAcked وLastByteSent وLastByteWritten. أي: LastByteAcked <= LastByteSent بما أن المستقبل لا يمكنه أن يقِر أو يرسل إشعارًا بوصول بايتٍ لم يُرسَل بعد، ولأن بروتوكول TCP لا يمكنه إرسال بايتٍ لم تكتبه عملية التطبيق بعد، فلاحظ أيضًا أنه ليس ضروريًا حفظ أي من البايتات الموجودة على يسار LastByteAcked في المخزن المؤقت لأنه جرى التعرف عليها بالفعل، ولا يلزم تخزين أي من البايتات الموجودة على يمين LastByteWritten لأنها لم تُنشَأ بعد. LastByteSent <= LastByteWritten يجري الاحتفاظ بمجموعة مماثلة من المؤشرات (الأرقام التسلسلية) على جانب الاستقبال: LastByteRead وNextByteExpected وLastByteRcvd، ولكن التفاوتات أقل بسبب مشكلة التسليم المخالف للترتيب. تكون العلاقة الأولى LastByteRead <NextByteExpected صحيحة لأنه لا يمكن للتطبيق قراءة البايت حتى يُستلَم ويجب استقبال جميع البايتات السابقة أيضًا. يشير NextByteExpected إلى البايت مباشرةً بعد أحدث بايت لتلبية هذا المعيار. وثانيًا عندها إذا وصلت البيانات بالترتيب، فإن NextByteExpected يشير إلى البايت بعد LastByteRcvd، بينما إذا وصلت البيانات مخالفةً للترتيب، فإن NextByteExpected يشير إلى بداية الفجوة gap الأولى في البيانات، كما في الشكل السابق. لاحظ أنه لا تحتاج البايتات الموجودة على يسار LastByteRead أن تُخزَّن مؤقتًا لأن عملية التطبيق المحلي قد قرأتها بالفعل، ولا تحتاج البايتات الموجودة على يمين LastByteRcvd إلى تخزينها مؤقتًا لأنها لم تصل بعد. NextByteExpected <= LastByteRcvd + 1 التحكم في التدفق Flow Control معظم المناقشة أعلاه مشابهة لتلك الموجودة في خوارزمية النافذة المنزلقة القياسية. الاختلاف الحقيقي الوحيد هو أننا هذه المرة أوضحنا حقيقة أن عمليات تطبيق المرسل والمستقبل تملأ وتفرّغ المخزن المؤقت المحلي، على التوالي. (أخفت المناقشة السابقة حقيقة أن البيانات الواردة من عقدة المنبع تملأ مخزن الإرسال المؤقت وأن البيانات التي تُرسَل إلى عقدة المصب تفرّغ مخزن الاستقبال المؤقت). لابد من الفهم الجيد لذلك قبل المتابعة، إذ تأتي الآن النقطة التي تختلف فيها الخوارزميتان بصورةٍ أكبر. نعيد في ما يلي تقديم حقيقة أن كلا المخزنين المؤقتين لهما حجمٌ محدد، يُشار إليهما MaxSendBuffer وMaxRcvBuffer، على الرغم من أننا لا نقلق بشأن تفاصيل كيفية تطبيقها. أي نحن مهتمون فقط بعدد البايتات التي تُخزَّن مؤقتًا وليس في المكان الذي تُخزَّن فيه هذه البايتات بالفعل. تذكر أنه في بروتوكول النافذة المنزلقة، يحدّد حجمُ النافذة مقدارَ البيانات التي يمكن إرسالها دون انتظار إشعارٍ من المستقبل. وبالتالي يخنق جهاز الاستقبال المرسل عن طريق الإعلان عن نافذة لا تزيد عن كمية البيانات التي يمكنه تخزينها مؤقتًا. لاحظ أن بروتوكول TCP على جانب الاستقبال يجب أن يحافظ على ما يلي: LastByteRcvd - LastByteRead <= MaxRcvBuffer وذلك لتجنب تجاوز المخزن المؤقت الخاص به، لذلك يعلن عن نافذة بحجم AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer - ((NextByteExpected - 1) - LastByteRead) والذي يمثل مقدار المساحة الخالية المتبقية في المخزن المؤقت الخاص به. يُقِر المستلم بالبيانات بمجرد وصولها طالما وصلت جميع البايتات السابقة أيضًا. وينتقل LastByteRcvd إلى اليمين (أي يزداد)، مما يعني أن النافذة المعلن عنها قد تتقلص، حيث يعتمد ما إذا تقلّصت أم لا على مدى سرعة عملية التطبيق المحلي في استهلاك البيانات. إذا كانت العملية المحلية تقرأ البيانات بنفس السرعة التي تصل بها، مما يؤدي إلى زيادة LastByteRead بنفس معدل LastByteRcvd، فإن النافذة المُعلن عنها تظل مفتوحة، أي AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer، ولكن إذا تأخرت عملية الاستلام، ربما لأنها تؤدي عمليةً مكلفة للغاية على كل بايت من البيانات التي تقرأها، فإن النافذة المُعلن عنها تصبح أصغر مع كل جزء يصل حتى تصل في النهاية إلى القيمة 0. يجب أن يلتزم بروتوكول TCP على جانب الإرسال بالنافذة المعلن عنها من جهاز الاستقبال. هذا يعني أنه في أي وقت، يجب أن يضمن أن: LastByteSent - LastByteAcked <= AdvertisedWindow أي يحسب المرسل نافذة فعالة تحد من مقدار البيانات الممكن إرسالها: EffectiveWindow = AdvertisedWindow - (LastByteSent - LastByteAcked) يجب أن يكون EffectiveWindow أكبر من 0 قبل أن يتمكن المصدر من إرسال المزيد من البيانات. لذلك من الممكن أن يصل جزءٌ ما للإقرار بـ x بايت، مما يسمح للمرسل بزيادة LastByteAcked بمقدار x، ولكن نظرًا لأن عملية الاستلام لم تكن تقرأ أي بيانات، فإن النافذة المُعلن عنها أصبحت الآن أصغر بمقدار x بايت من الوقت السابق، وبالتالي سيتمكّن المرسل من تحرير مساحة المخزن المؤقت، مع عدم إرسال أي بيانات أخرى. يجب أن يتأكد جانب الإرسال أيضًا طوال هذا الوقت من أن عملية التطبيق المحلي لا تتجاوز مخزن الإرسال المؤقت، أي: LastByteWritten - LastByteAcked <= MaxSendBuffer إذا حاولت عملية الإرسال كتابة y بايت إلى TCP، ولكن: (LastByteWritten - LastByteAcked) + y> MaxSendBuffer عندها سيوقف بروتوكول TCP عملية الإرسال ولا يسمح لها بتوليد المزيد من البيانات. أصبح من الممكن الآن فهم كيف تؤدي عملية الاستلام البطيئة إلى إيقاف عملية الإرسال السريعة في النهاية. أولًا، يمتلئ مخزن الاستقبال المؤقت، مما يعني تقلص النافذة المعلن عنها إلى 0. وتعني النافذة المعلن عنها بالقيمة 0 أن جانب الإرسال لا يمكنه نقل أي بيانات، بالرغم من الإقرار بالبيانات التي أرسلها سابقًا بنجاح. أخيرًا، يدل عدم القدرة على نقل أي بيانات على إمتلاء مخزن الإرسال المؤقت، مما يؤدي في النهاية إلى إيقاف بروتوكول TCP لعملية الإرسال. يكون بروتوكول TCP قادرًا على فتح نافذته احتياطيًا بمجرد أن تبدأ عملية الاستلام في قراءة البيانات مرةً أخرى، مما يسمح لبروتوكول TCP في طرف الإرسال بنقل البيانات من المخزن المؤقت الخاص به. ، تُزاد قيمة LastByteAcked عندما يجري الإقرار بهذه البيانات في النهاية، وتصبح مساحة المخزن المؤقت التي تحتوي على هذه البيانات المعترف بها حرة، ويُلغى إيقاف عملية الإرسال ويُسمَح لها بالمتابعة. هناك تفصيلٌ متبقٍ يجب حله، وهو كيف يعرف الجانب المرسل أن النافذة المُعلن عنها لم تعد 0؟ يرسل بروتوكول TCP دائمًا جزء segment استجابةً لجزء البيانات المستلمة، وتحتوي هذه الاستجابة على أحدث القيم للحقلين Acknowledge و AdvertisedWindow، حتى في حال عدم تغيُّر هذه القيم منذ آخر مرة أُرسلت فيها، وهذه هي المشكلة. لا يُسمَح للمرسل بإرسال أي بيانات أخرى بمجرد أن يعلن جانب الاستلام عن نافذة بحجم 0، مما يعني أنه ليس لديه طريقة لاكتشاف أن النافذة المُعلن عنها لم تعد 0 في وقت ما في المستقبل. لا يرسل بروتوكول TCP على جانب الاستقبال أجزاءًا بلا بيانات nondata تلقائيًا، إنما يرسلها فقط استجابةً لجزء بياناتٍ واصلة. يتعامل بروتوكول TCP مع هذا الوضع على النحو التالي: يستمر جانب الإرسال في إرسال جزء بحجم بايتٍ واحد من البيانات بين الحين والآخر عندما يعلن الجانب الآخر عن نافذة بحجم 0. يعلم جانب الإرسال أن هذه البيانات لن تُقبل على الأرجح، لكنه يحاول على أية حال، نظرًا لتنبيه trigger كل جزء من هذه الأجزاء المكونة من 1 بايت استجابةً تحتوي على النافذة المعلن عنها حاليًا. في النهاية، ينبّه triggers أحد هذه المسابر المكونة من 1 بايت استجابةً تبلّغ عن نافذةٍ غير صفرية معلن عنها. لاحظ أن هذه الرسائل ذات 1 بايت تسمى مسابر النافذة الصفرية Zero Window Probes وعمليًا يجري إرسالها كل 5 إلى 60 ثانية. أما بالنسبة للبايت المفرد من البيانات الذي سيُرسل في المسبار: فهو البايت التالي للبيانات الفعلية الموجودة خارج النافذة مباشرةً (يجب أن تكون بيانات حقيقية إذا قبِلها المستقبل). لاحظ أن السبب الذي يجعل الجانب المرسل يرسل جزء المسبار هذا دوريًا هو أن بروتوكول TCP مصمم لجعل جانب الاستقبال بسيطًا قدر الإمكان، فهو ببساطة يستجيب لأجزاء من المرسل، ولا يبدأ أي إجراءٍ بمفرده. هذا مثال على قاعدة تصميم بروتوكولٍ معترف بها (على الرغم من عدم تطبيقها عالميًا)، والتي نطلق عليها قاعدة المرسل الذكي / المستقبل الغبي smart sender/ dumb receiver بسبب عدم وجود اسمٍ أفضل. الحماية من الالتفاف Protecting Against Wraparound يأخذ هذا القسم والقسم التالي في الاعتبار حجم حقلي SequenceNum وAdvertisedWindow وتأثيرات أحجامهما على أداء وصحة بروتوكول TCP. يبلغ طول الحقل SequenceNum الخاص ببروتوكول TCP 32 بتًا، بينما يبلغ طول الحقل AdvertisedWindow 16 بتًا. مما يعني أن بروتوكول TCP قد استوفى بسهولة متطلبات خوارزمية النافذة المنزلقة بحيث تكون مساحة الرقم التسلسلي ضعف حجم النافذة: 232 >> 2 × 216، ومع ذلك فإن هذا المطلب ليس بالشيء المهم لهذين الحقلين، وبإمكانك افتراض كل حقلٍ على حدة. تكمن أهمية مساحة الرقم التسلسلي 32 بت في أن الرقم التسلسلي المُستخدَم في اتصالٍ معين قد يلتف، أي يمكن إرسال بايتٍ برقمٍ تسلسلي S في وقت واحد، ثم قد يرسَل بايتٌ ثانٍ بنفس الرقم التسلسلي S في وقت لاحق. نفترض أن الرزم لا يمكنها البقاء على الإنترنت لفترة أطول من MSL الموصى بها، وبالتالي نحتاج حاليًا إلى التأكد من أن الرقم التسلسلي لا يلتف خلال فترة زمنية مدتها 120 ثانية. يعتمد حدوث ذلك أم لا على مدى سرعة نقل البيانات عبر الإنترنت، أي مدى السرعة التي يمكن بها استهلاك مساحة الرقم التسلسلي 32 بت. (تفترض هذه المناقشة أننا نحاول استهلاك مساحة الرقم التسلسلي بأسرع ما يمكن، ولكن بالطبع سنكون كذلك إذا كنا نقوم بعملنا المتمثل في الحفاظ على الأنبوب ممتلئًا) يوضح الجدول التالي المدة التي يستغرقها الرقم التسلسلي للالتفاف حول الشبكات ذات أحياز النطاق التراسلي bandwidths المختلفة. table { width: 100%; } thead { vertical-align: middle; text-align: center; } td, th { border: 1px solid #dddddd; text-align: right; padding: 8px; text-align: inherit; } tr:nth-child(even) { background-color: #dddddd; } حيز النطاق التراسلي Bandwidth الوقت اللازم للالتفاف Time until Wraparound T1 مقداره 1.5 ميجابت في الثانية 6.4 ساعات T3 مقداره 45 ميجابت في الثانية 13 دقيقة Fast Ethernet مقداره 100 ميجابت في الثانية 6 دقائق OC-3 مقداره 155 ميجابت في الثانية 4 دقائق OC-48 مقداره 2.5 جيجابت في الثانية 14 ثانية OC-192 مقداره 10 جيجابت في الثانية 3 ثوان 10GigE مقداره 10 جيجابت في الثانية 3 ثوان كما ترى مساحة الرقم التسلسلي 32 بت كافيةٌ عند حيز نطاقٍ تراسلي متواضع، ولكن بالنظر إلى أن روابط OC-192 أصبحت شائعة الآن في الشبكات الرئيسية backbone للإنترنت، وأن معظم الخوادم تأتي الآن بواجهات 10Gig Ethernet (أو 10 جيجابت في الثانية)، فنكون قد تجاوزنا الآن هذه النقطة وسيكون 32 بتًا صغيرًا جدًا. عملت مؤسسة IETF على توسيع بروتوكول TCP الذي يوسّع بفعاليةٍ مساحة الرقم التسلسلي للحماية من التفاف الرقم التسلسلي. الحفاظ على الأنبوب ممتلئا Keeping the Pipe Full تكمن أهمية حقل AdvertisedWindow ذي 16 بتًا في أنه يجب أن يكون كبيرًا بما يكفي للسماح للمرسل بالحفاظ على الأنبوب ممتلئًا. من الواضح أن جهاز الاستقبال حر في عدم فتح النافذة بالحجم الذي يسمح به حقل AdvertisedWindow، فنحن مهتمون بالحالة التي يكون فيها لدى المستقبل مساحة تخزين كافية للتعامل مع أكبر قدرٍ ممكن من البيانات المسموح بها AdvertisedWindow. لا يُحدَّد حجم حقل AdvertisedWindow في هذه الحالة بحيز النطاق الشبكة التراسلي فقط ولكن بجداء التأخير × حيز النطاق التراسلي بدلًا من ذلك، والذي يجب فتحه بصورةٍ كافية للسماح بإرسال الجداء الكامل للتأخير × حيز النطاق التراسلي للبيانات المُراد إرسالها. بافتراض أن RTT تبلغ 100 ميلي ثانية (رقم نموذجي للاتصال عبر البلاد في الولايات المتحدة)، يعطي الجدول التالي جداء التأخير × حيز النطاق التراسلي للعديد من تقنيات الشبكة: حيز النطاق التراسلي Bandwidth جداء التأخير × حيز النطاق التراسلي Delay × Bandwidth Product T1 مقداره 1.5 ميجابت في الثانية 18 كيلوبايت T3 مقداره 45 ميجابت في الثانية 549 كيلوبايت Fast Ethernet مقداره 100 ميجابت في الثانية 1.2 ميجا بايت OC-3 مقداره 155 ميجابت في الثانية 1.8 ميجا بايت OC-48 مقداره 2.5 جيجابت في الثانية 29.6 ميجا بايت OC-192 مقداره 10 جيجابت في الثانية 118.4 ميجا بايت 10GigE مقداره 10 جيجابت في الثانية 118.4 ميجا بايت كما ترى فإن حقل AdvertisedWindow الخاص ببروتوكول TCP في حالةٍ أسوأ من حقل SequenceNum الخاص به، فهو ليس كبيرًا بما يكفي للتعامل حتى مع اتصال T3 عبر الولايات المتحدة القارية، نظرًا لأن الحقل 16 بت يسمح لنا بالإعلان عن نافذة حجمها 64 كيلو بايت فقط. يوفر توسيع TCP نفسه المذكور أعلاه آليةً لزيادة حجم النافذة المعلن عنها بفعالية. بهذا نكون قد تعرفنا على برتوكولات تدفق البايتات الموثوقة في الشبكات الحاسوبية آخذين بروتوكول TCP مثالًا في ذلك، وسنتابع بالمقال الموالي شرحها بالتخصيص في آليات الإرسال والبدائل. ترجمة -وبتصرّف- للقسم Reliable Byte Stream من فصل ProtocolsEnd-to-End من كتاب Computer Networks: A Systems Approach. اقرأ أيضًا بروتوكولات طرف إلى طرف End-to-End Protocols في الشبكات الحاسوبيةالمقال السابق: تأسيس الشبكات الحاسوبية والتعرف على تطبيقاتها البرمجيات المستخدمة في بناء الشبكات الحاسوبية التوجيه Routing بين الأجهزة المتنقلة في الشبكات الحاسوبية دليل بصري لكيفية استخدام أنفاق SSH

يدعم TCP تجريد تدفق البايت، أي أن برامج التطبيقات تكتب البايت في التدفق، والأمر متروك لبروتوكول TCP لاتخاذ القرار بأن لديه بايتات كافية لإرسال جزء. لكن ما هي العوامل التي تحكم هذا القرار؟ سنتابع في هذا المقال ما تحدثنا عنه في المقال السابق حول بروتوكولات تدفق البايتات الموثوقة بالاعتماد على مثال TCP، وسنكمل الحديث هنا عن هذه البروتوكولات آخذين جانب آلية الإرسال والبدائل. إذا تجاهلنا إمكانية التحكم في التدفق، أي بفرض أن النافذة مفتوحة على مصراعيها كما هو الحال عند بدء الاتصال لأول مرة، عندئذ يكون لدى بروتوكول TCP ثلاث آليات لبدء إرسال جزء. أولًا، يحتفظ بروتوكول TCP بمتغير، يسمى عادةً حجم الجزء الأقصى maximum segment size أو اختصارًا MSS، ويرسل جزءًا بمجرد أن يجمع بايتاتٍ بحجم MSS من عملية الإرسال. يُضبَط MSS على حجم أكبر جزء يمكن أن يرسله TCP دون التسبب في تجزئة عنوان IP المحلي. أي ضُبِط MSS على أقصى وحدة إرسال maximum transmission unit أو اختصارًا MTU للشبكة المتصلة مباشرة، مطروحًا منها حجم ترويستي TCP و IP. الشيء الثاني الذي ينبّه بروتوكول TCP لإرسال جزء هو أن عملية الإرسال طلبت منه صراحةً القيام بذلك. يدعم بروتوكول TCP العملية push، وتستدعي عملية الإرسال هذه العملية لتفريغ flush المخزن المؤقت للبايتات غير المرسلة بفعالية. المنبّه trigger الأخير لإرسال جزء هو إنطلاق المؤقت timer، حيث يحتوي الجزء الناتج على العديد من البايتات المخزَّنة حاليًا للإرسال. وعلى أية حال لن يكون هذا "المؤقت" كما تتوقعه بالضبط كما سنرى قريبًا. متلازمة النوافذ الساذجة Silly Window Syndrome لا يمكننا بالتأكيد تجاهل التحكم في التدفق فقط، والذي يلعب دورًا واضحًا في تقييد المرسل. فإذا كان لدى المرسل بايتات بحجم MSS من البيانات لإرسالها وكانت النافذة مفتوحة على الأقل بهذا القدر، فإن المرسل يرسل جزءًا كاملًا. افترض أن المرسل يجمّع البايتات لإرسالها، ولكن النافذة مغلقة حاليًا. لنفترض الآن وصول ACK يفتح النافذة بفعالية بما يكفي لإرسال المرسل، بحجم MSS / 2 بايت مثلًا. هل يجب على المرسل إرسال جزء نصف ممتلئ أم الانتظار حتى تفتح النافذة بحجم MSS كامل؟ لم تذكر المواصفات الأصلية شيئًا بشأن هذه النقطة، وقررت عمليات التنفيذ الأولي لبروتوكول TCP المضي قدمًا وإرسال جزء نصف كامل، ولكن ليس هناك ما يخبرنا إلى متى سيبقى بهذه الحالة قبل أن تفتح النافذة أكثر. اتضح أن استراتيجية الاستفادة الكبيرة من أية نافذةٍ متاحة تؤدي إلى حالة تُعرَف الآن باسم متلازمة النوافذ الساذجة، حيث يساعد الشكل التالي على تصور ما يحدث: إذا فكّرت في تدفق TCP على أنه حزامٌ ناقل به حاويات "ممتلئة" أو أجزاء بيانات data segments تسير في اتجاهٍ واحد وحاويات فارغة هي الإشعارات ACKs تسير في الاتجاه العكسي. فإن الأجزاء ذات الحجم MSS تتوافق مع الحاويات الكبيرة والأجزاء ذات الحجم 1 بايت تتوافق مع حاويات صغيرة جدًا. طالما أن المرسل يرسل أجزاءًا بحجم MSS ويرسل المستقبل إشعارات ACKs على الأقل بحجم MSS من البيانات في كل مرة، وبالتالي سيعمل كل شيء جيدًا (كما في القسم أ من الشكل الآتي). لكن ماذا لو اضطر المستقبل إلى تقليل النافذة بحيث لا يتمكن المرسل في وقتٍ ما من إرسال MSS كامل من البيانات؟ إذا ملأ المرسل حاويةً فارغة حجمها أصغر من MSS بمجرد وصولها، فسيرسل المستقبل إشعارًا بهذا العدد الأصغر من البايتات، وبالتالي تظل الحاوية الصغيرة المدخلة في النظام إلى أجلٍ غير مسمى فيه، أي أنها تُملَأ وتُفرَغ على الفور عند كل طرف ولا تُدمَج مطلقًا مع الحاويات المجاورة لإنشاء حاويات أكبر، كما في القسم (ب) من الشكل التالي. اُكتشِف هذا السيناريو عندما وجدت التطبيقات الأولى لبروتوكول TCP نفسها تملأ الشبكة بأجزاء صغيرة. تُعتبر متلازمة النوافذ الساذجة مشكلةً فقط عندما يرسل المرسل جزءًا صغيرًا أو يفتح جهاز الاستقبال النافذة بمقدار صغير. إذا لم يحدث أي من هذين الأمرين، فلن تُدخَل الحاوية الصغيرة مطلقًا في التدفق. من غير الممكن تحريم إرسال مقاطع صغيرة، فقد يقوم التطبيق بعملية push بعد إرسال بايت واحد على سبيل المثال، ولكن من الممكن منع جهاز الاستقبال من إدخال حاوية صغيرة (أي نافذة صغيرة مفتوحة)، حيث يجب أن ينتظر جهاز الاستقبال حيزًا يساوي حجم MSS قبل أن يعلن عن نافذة مفتوحة، وذلك بعد الإعلان عن نافذةٍ صفرية. نظرًا لإمكانية استبعاد إمكانية إدخال حاويةٍ صغيرة في التدفق، إلا أننا نحتاج أيضًا إلى آلياتٍ لدمجها. يمكن للمستقبل القيام بذلك عن طريق تأخير ACK، أي إرسال ACK واحد مدمج بدلًا من إرسال عدة رسائلٍ أصغر، ولكن هذا حل جزئي فقط لأن جهاز الاستقبال ليس لديه طريقة لمعرفة المدة التي يمكن فيها تأخير انتظار وصول جزء آخر أو انتظار التطبيق لقراءة المزيد من البيانات (وبالتالي فتح النافذة). يقع الحل النهائي على عاتق المرسل، وهو ما يعيدنا إلى مشكلتنا الأصلية: متى يقرر مرسل TCP إرسال جزءsegment؟ خوارزمية Nagle بالعودة إلى مرسل TCP، إذا كانت هناك بياناتٌ لإرسالها ولكن النافذة مفتوحة بحجمٍ أقل من حجم MSS، فقد نرغب في الانتظار بعض الوقت قبل إرسال البيانات المتاحة، ولكن السؤال هو كم طول هذه المدة؟ إذا انتظرنا وقتًا طويلًا، فإننا نُضِر بذلك التطبيقات التفاعلية مثل تطبيق Telnet. وإذا لم ننتظر طويلًا بما فيه الكفاية، فإننا نجازف بإرسال مجموعةٍ من الرزم الصغيرة والوقوع في متلازمة النوافذ الساذجة. الجواب هو إدخال مؤقت timer والإرسال عند انتهاء مدته. يمكننا استخدام مؤقت قائم على النبضات، مثل مؤقت ينطلق كل 100 ميلي ثانية. قدّم Nagle حلًا رائعًا للتوقيت الذاتي. الفكرة هي أنه طالما لدى بروتوكول TCP أي بيانات قيد الإرسال in flight، فإن المرسل سيتلقى في النهاية ACK. يمكن التعامل مع ACK كإطلاق مؤقت، ينبِّه بإرسال المزيد من البيانات. توفر خوارزمية Nagle قاعدة بسيطة وموحدة لاتخاذ قرار بشأن توقيت بدء الإرسال. When the application produces data to send if both the available data and the window >= MSS send a full segment else if there is unACKed data in flight buffer the new data until an ACK arrives else send all the new data now من المقبول دائمًا إرسال جزء كامل إذا سمحت النافذة بذلك، كما يحق لك إرسال كمية صغيرة من البيانات على الفور إذا لم يكن هناك أي أجزاء قيد النقل. ولكن إذا كان هناك أي شيء قيد الإرسال، فيجب على المرسل انتظار ACK قبل إرسال الجزء التالي. وبالتالي سيرسل تطبيقٌ تفاعلي مثل Telnet الذي يكتب باستمرار بايتًا واحدًا في المرة الواحدة البياناتِ بمعدل جزء واحد لكل RTT. ستحتوي بعض الأجزاء على بايت واحد، بينما يحتوي البعض الآخر على عدد بايتات بقدر ما كان المستخدم قادرًا على الكتابة في وقت واحد ذهابًا وإيابًا. تسمح واجهة المقبس للتطبيق بإيقاف تشغيل خوارزمية Nagel عن طريق تعيين خيار TCP_NODELAY نظرًا لأن بعض التطبيقات لا يمكنها منح مثل هذا التأخير لكل عملية كتابة تقوم بها لاتصالٍ من نوع TCP، حيث يعني ضبط هذا الخيار إرسال البيانات في أسرع وقتٍ ممكن. إعادة الإرسال التكيفي Adaptive Retransmission بما أن بروتوكول TCP يضمن التسليم الموثوق للبيانات، فإنه يعيد إرسال كل جزء إذا لم يُستلَم إشعار ACK خلال فترةٍ زمنية معينة. يضبط بروتوكول TCP هذه المهلة الزمنية كدالة لوقت RTT الذي يتوقعه بين طرفي الاتصال. إن اختيار قيمة المهلة الزمنية المناسبة ليس بهذه السهولة لسوء الحظ، نظرًا لمجال قيم RTT الممكنة بين أي زوجٍ من المضيفين في الإنترنت، بالإضافة إلى الاختلاف في RTT بين نفس المضيفين بمرور الوقت. لمعالجة هذه المشكلة، يستخدم بروتوكول TCP آلية إعادة الإرسال التكيفية. سنقوم بوصف هذه الآلية الآن وتطورها مع مرور الوقت حيث اكتسب مجتمع الإنترنت المزيد من الخبرة باستخدام TCP. الخوارزمية الأصلية نبدأ بخوارزمية بسيطة لحساب قيمة المهلة الزمنية timeout بين زوجٍ من المضيفين. هذه هي الخوارزمية التي وُصفت في الأصل في مواصفات بروتوكول TCP، ولكن يمكن استخدامها بواسطة أي بروتوكول طرفٍ إلى طرف end-to-end protocol. تكمن الفكرة في الاحتفاظ بمتوسط تشغيل RTT ثم حساب المهلة الزمنية كدالة لوقت RTT. يسجل TCP الوقت في كل مرة يرسل فيها جزء بيانات، ويقرأ بروتوكول TCP الوقت مرةً أخرى عند وصول ACK لهذا الجزء، ثم يأخذ الفرق بين هاتين المرتين على أنه SampleRTT. ثم يحسب TCP قيمة EstimatedRTT كمتوسط مرجح بين التقدير estimate السابق وهذه العينة sampleالجديدة، حيث: EstimatedRTT = alpha x EstimatedRTT + (1 - alpha) x SampleRTT يُحدَّد المعامل alpha لتنعيم EstimatedRTT. تتتبّع قيمةُ alpha الصغيرة التغييراتِ في RTT ولكن ربما تتأثر بشدة بالتقلبات المؤقتة. ومن ناحيةٍ أخرى، تكون قيمة alpha الكبيرة أكثر استقرارًا ولكن ربما لا تكون سريعة بما يكفي للتكيف مع التغييرات الحقيقية. أوصت مواصفات TCP الأصلية بإعداد قيمة alpha بين 0.8 و 0.9. يستخدم بروتوكول TCP المعامل EstimatedRTT لحساب المهلة الزمنية timeout بطريقة متحفظة إلى حدٍ ما: TimeOut = 2 x EstimatedRTT خوارزمية كارن / بارتريدج Karn/Partridge اُكتشِف عيبٌ واضح في الخوارزمية السابقة البسيطة بعد عدة سنوات من الاستخدام على الإنترنت. كانت المشكلة أن الإشعار ACK لا يُقِر حقًا بالإرسال، بل باستلام البيانات في الحقيقة، أي عندما يُعاد إرسال جزء ثم وصول ACK إلى المرسل، فمن المستحيل تحديد ما إذا كان ينبغي إرفاق هذا الإشعار بالإرسال الأول أو الثاني للجزء بغرض قياس sample RTT. من الضروري معرفة الإرسال الذي سيُربَط به لحساب العينة SampleRTT بدقة. إذا افترضت أن الإشعار ACK للإرسال الأصلي ولكنه كان في الحقيقة للثاني كما هو موضح في الشكل التالي، فإن SampleRTT كبيرةٌ جدًا كما في القسم (أ) من الشكل التالي، وإذا افترضت أن الإشعار ACK للإرسال الثاني ولكنه كان في الواقع للإرسال الأول، فإن عينة SampleRTT صغيرةٌ جدًا كما في القسم (ب) من الشكل التالي: الحل الذي جرى اقتراحه في عام 1987 بسيط جدًا: يتوقف بروتوكول TCP عن أخذ عيناتٍ من RTT عندما يعيد إرسال جزء ما، فهو يقيس SampleRTT فقط للأجزاء التي أُرسلت مرةً واحدة فقط. يُعرف هذا الحل باسم خوارزمية كارن / بارتريدج تيّمنًا بمخترعَيها. يتضمن الإصلاح المقترح أيضًا تغييرًا صغيرًا ثانيًا في آلية مهلة TCP الزمنية. يضبط بروتوكول TCP المهلة التالية لتكون ضعف آخر مهلة في كل مرة يعيد فيها الإرسال، بدلًا من إسنادها إلى آخرEstimatedRTT. اقترح كارن و بارتريدج أن يستخدم بروتوكولُ TCP تراجعًا أسيًا exponential backoff، على غرار ما يفعله إيثرنت. الدافع لاستخدام التراجع الأسي بسيط: الازدحام هو السبب الأكثر احتمالًا لفقدان الأجزاء، مما يعني أن مصدر TCP يجب ألا يتفاعل بقوة مع انقضاء المهلة الزمنية، فكلما انقضت مهلة الاتصال الزمنية، يجب أن يصبح المصدر أكثر حذرًا. سنرى هذه الفكرة مرة أخرى، مجسَّدةً في آلية أعقد لاحقًا. خوارزمية جاكوبسون / كارلس Jacobson/Karels قُدّمت خوارزمية كارن / بارتريدج في وقت كان فيه الإنترنت يعاني من مستويات عالية من ازدحام الشبكة، فصُمِّم نهج هذه الخوارزمية لإصلاح بعض أسباب هذا الازدحام، ولكن على الرغم من تقديمها تحسينًا، إلا أنه لم يتم القضاء على الازدحام. اقترح باحثان آخران (جاكوبسون وكارلس) تغييرًا جذريًا في بروتوكول TCP لمحاربة الازدحام في العام التالي (1988). سنركز على هذا الاقتراح المتعلق بتحديد انتهاء المهلة وإعادة إرسال جزء ما. يجب أن يكون ارتباط آلية المهلة الزمنية بالازدحام واضحًا، فإذا انقضت المهلة في وقت مبكرٍ جدًا، فقد تعيد إرسال جزء بدون داعٍ، والذي يضيف فقط إلى الحِمل على الشبكة. السبب الآخر للحاجة إلى قيمة مهلة دقيقة هو أن المهلة تُؤخَذ للإشارة إلى الازدحام، مما يؤدي إلى تشغيل آلية للتحكم في الازدحام. أخيرًا، لاحظ أنه لا يوجد شيء يتعلق بحساب مهلة جاكوبسون وكارلس الخاص ببروتوكول TCP. يمكن استخدامه من قبل أي بروتوكول من طرفٍ إلى طرف. تكمن المشكلة الرئيسية في حساب الخوارزمية الأصلية في أنها لا تأخذ في الاعتبار تباين عينات RTT. إذا كان الاختلاف بين العينات صغيرًا، فيمكن الوثوق في EstimatedRTT بصورةٍ أفضل ولا يوجد سبب لضرب هذا التقدير في 2 لحساب المهلة الزمنية. يشير التباين الكبير في العينات من ناحية أخرى إلى أن قيمة المهلة لا ينبغي أن تكون مرتبطة بإحكام شديد بقيمة EstimatedRTT. بينما في النهج الجديد، يقيس المرسل SampleRTT جديدًا كما كان يتم سابقًا، ثم تُطوى هذه العينة الجديدة في حساب المهلة على النحو التالي: Difference = SampleRTT - EstimatedRTT EstimatedRTT = EstimatedRTT + ( delta x Difference) Deviation = Deviation + delta (|Difference| - Deviation) حيث تقع قيمة delta بين 0 و1. أي أننا نحسب كلًا من متوسط وقت RTT والتغير في هذا المتوسط، ثم يحسب TCP قيمة المهلة كدالة لكل من EstimatedRTT وDeviation على النحو التالي: TimeOut = mu x EstimatedRTT + phi x Deviation يُعيَّن mu على القيمة 1 وphi على القيمة 4 بناءً على الخبرة. وهكذا تكون TimeOut قريبةً من EstimatedRTT عندما يكون التباين صغيرًا، حيث يؤدي التباين الكبير إلى سيطرة مصطلح الانحراف Deviation على الحساب. التطبيق Implementation هناك نقطتان جديرتان بالملاحظة فيما يتعلق بتطبيق المهلات الزمنية في بروتوكول TCP. الأولى هي إمكانية تطبيق حساب EstimatedRTT وDeviation دون استخدام حساب الأعداد العشرية. فبدلًا من ذلك، تُوسَّع العملية الحسابية بالكامل بمقدار 2n، مع اختيار delta لتكون 1/2n. يتيح لنا ذلك إجراء العمليات الحسابية الصحيحة، وتطبيق الضرب والقسمة باستخدام الإزاحات shifts، وبالتالي تحقيق أداءٍ أعلى. يُعطى الحساب الناتج عن طريق جزء الشيفرة التالية، حيث n = 3 (أي delta = 1/8). لاحظ تخزين EstimatedRTT وDeviation في نماذجهما الموسّعَين، بينما قيمة SampleRTT في بداية الشيفرة و TimeOut في النهاية هي قيمٌ حقيقية غير مُوسَّعة. إذا وجدت صعوبة في تتبع الشيفرة، فقد ترغب في محاولة إدخال بعض الأرقام الحقيقية فيها والتحقق من أنها تعطي نفس النتائج مثل المعادلات أعلاه: { SampleRTT -= (EstimatedRTT >> 3); EstimatedRTT += SampleRTT; if (SampleRTT < 0) SampleRTT = -SampleRTT; SampleRTT -= (Deviation >> 3); Deviation += SampleRTT; TimeOut = (EstimatedRTT >> 3) + (Deviation >> 1); } النقطة الثانية هي أن خوارزمية جاكوبسون / كارلس جيدة فقط مثل الساعة المستخدمة لقراءة الوقت الحالي. كانت دقة الساعة كبيرة في تطبيقات يونيكس النموذجية في ذلك الوقت حيث وصلت إلى 500 ميلي ثانية، وذلك أكبر بكثير من متوسط RTT عبر دولة في مكانٍ ما والذي يكون بين 100 و200 ميلي ثانية. لجعل الأمور أسوأ، فحص تطبيق يونيكس لبروتوكول TCP فيما إذا كان يجب أن يحدث انتهاء للمهلة في كل مرة تُحدَّد فيها الساعة 500 ميلي ثانية ولن يأخذ سوى عينةٍ من وقت الذهاب والإياب مرة واحدة لكل RTT. و قد يعني الجمع بين هذين العاملين أن المهلة ستحدث بعد ثانية واحدة من إرسال الجزء. تشتمل توسّعات TCP على آلية تجعل حساب RTT هذا أدق قليلًا. تستند جميع خوارزميات إعادة الإرسال التي ناقشناها إلى مهلات الإشعارات، والتي تشير إلى احتمال فقد جزءٍ ما. لاحظ أن المهلة لا تخبر المرسل فيما إذا اُستلِمت بنجاحٍ أي أجزاءٍ أرسلها بعد فقدان جزء، وذلك لأن إشعارات TCP تراكمية cumulative، أي أنها تحدد فقط الجزء الأخير المُستلم دون أي فجوات سابقة. ينمو استقبال الأجزاء التي تظهر بعد زيادة الفجوة بصورةٍ متكررة كما تؤدي الشبكات الأسرع إلى نوافذ أكبر. إذا أخبرت ACK المرسلَ أيضًا عن الأجزاء اللاحقة، إن وجدت، فقد يكون المرسل أذكى بشأن الأجزاء التي يعيد إرسالها، إضافةً لاستخلاص استنتاجات أفضل حول حالة الازدحام، وإجراء تقديرات RTT أفضل. حدود السجلات Record Boundaries ليس بالضرورة أن يكون عدد البايتات التي يكتبها المرسل نفس عدد البايتات التي قرأها المستقبل نظرًا لأن بروتوكول TCP هو بروتوكول تدفق بايتات، فقد يكتب التطبيق 8 بايتات، ثم 2 بايت، ثم 20 بايت إلى اتصال TCP، بينما يقرأ التطبيق على جانب الاستقبال 5 بايتات في المرة الواحدة داخل حلقة تتكرر 6 مرات. لا يقحم بروتوكول TCP حدود السجلات بين البايتين الثامن والتاسع، ولا بين البايتين العاشر والحادي عشر. هذا على عكس بروتوكول الرسائل الموّجهة، مثل بروتوكول UDP، حيث تكون الرسالة المرسَلة بنفس طول الرسالة المُستلَمة. يمتلك بروتوكول TCP، على الرغم من كونه بروتوكول تدفق بايتات، ميزتين مختلفتين يمكن للمرسل استخدامهما لإدراج حدود السجلات في تدفق البايتات هذا، وبالتالي إعلام المستقبِل بكيفية تقسيم تدفق البايتات إلى سجلات. (تُعَد القدرة على تحديد حدود السجلات أمرًا مفيدًا في العديد من تطبيقات قواعد البيانات على سبيل المثال) وضُمِّنت هاتان الميزتان في الأصل في بروتوكول TCP لأسباب مختلفة تمامًا، ثم جرى استخدامهما لهذا الغرض بمرور الوقت، وهما: الآلية الأولى هي ميزة البيانات العاجلة urgent data feature، التي طُبِّقت بواسطة الراية URG وحقل UrgPtr في ترويسة TCP. صُمِّمت آلية البيانات العاجلة في الأصل للسماح للتطبيق المرسِل بإرسال بيانات خارج النطاق إلى نظيره. نعني بعبارة خارج النطاق out-of-band البياناتِ المنفصلة عن تدفق البيانات الطبيعي (أمر مقاطعة عملية جارية بالفعل على سبيل المثال). حُدِّدت هذه البيانات خارج النطاق في الجزء segment باستخدام حقل UrgPtr وكان من المقرر تسليمها إلى عملية الاستلام بمجرد وصولها، حتى لو عنى ذلك تسليمها قبل بيانات ذات رقمٍ تسلسلي سابق. لكن، لم تُستخدَم هذه الميزة بمرور الوقت، لذلك بدلًا من الإشارة إليها ببيانات "عاجلة" ، فقد اُستخدمت للدلالة على بيانات "خاصة"، مثل علامة السجل record marker. طُوِّر هذا الاستخدام لأنه، كما هو الحال مع عملية push، يجب على TCP على الجانب المستلم إبلاغ التطبيق بوصول بيانات عاجلة، أي أن البيانات العاجلة في حد ذاتها ليست مهمة. إنها تشير إلى حقيقة أن عملية الإرسال يمكنها إرسال إشارة فعالة إلى جهاز الاستقبال بأن هناك أمرٌ مهم. الآلية الثانية لإدخال علامات نهاية السجلات في بايت هي العملية push. صُمِّمت هذه الآلية في الأصل للسماح لعملية الإرسال بإعلام بروتوكول TCP بأنه يجب عليه إرسال أو تفريغ flush أي بايتات جمَّعها لنظيره. يمكن استخدام العملية push لتطبيق حدود السجلات لأن المواصفات تنص على أن بروتوكول TCP يجب أن يرسل أي بيانات مخزَّنة مؤقتًا عند المصدر عندما يقول التطبيق push، ويُعلِم بروتوكول TCP، اختياريًا، التطبيق في الوجهة عند وجود جزء وارد يحتوي على مجموعة الراية PUSH. إذا كان جانب الاستقبال يدعم هذا الخيار (لا تدعم واجهة المقبس هذا الخيار)، فيمكن عندئذٍ استخدام العملية push لتقسيم تدفق TCP إلى سجلات. برنامج التطبيق حرٌ دائمًا بحشر حدود السجلات دون أي مساعدة من بروتوكول TCP، حيث يمكنه إرسال حقل يشير إلى طول السجل الذي يجب أن يتبعه، أو يمكنه حشر علامات حدود السجل الخاصة به في تدفق البيانات على سبيل المثال. إضافات بروتوكول TCP لقد ذكرنا أن هناك إضافات Extensions لبروتوكول TCP تساعد في التخفيف من بعض المشاكل التي واجهها حيث أصبحت الشبكة الأساسية أسرع. صُمِّمت هذه الإضافات ليكون لها تأثيرٌ ضئيل على بروتوكول TCP قدر الإمكان، حيث تُدرَك كخياراتٍ يمكن إضافتها إلى ترويسة TCP. (سبب احتواء ترويسة TCP على حقل HdrLen هو أن الترويسة يمكن أن تكون بطول متغير، يحتوي الجزء المتغير من ترويسة TCP على الخيارات المُضافة). أهمية إضافة هذه الإضافات كخيارات بدلًا من تغيير جوهر ترويسة TCP هو أن المضيفين لا يزالون قادرين على التواصل باستخدام TCP حتى لو لم يقوموا بتطبيق الخيارات، ولكن يمكن للمضيفين الذين يقومون بتطبيق الإضافات الاختيارية الاستفادة منها. يتفق الجانبان على استخدام الخيارات أثناء مرحلة إنشاء اتصال TCP. تساعد الإضافة الأولى على تحسين آلية ضبط مهلة TCP الزمنية. يمكن لبروتوكول TCP قراءة ساعة النظام الفعلية عندما يكون على وشك إرسال جزء بدلًا من قياس RTT باستخدام حدث قاسٍ coarse-grained، ووضع هذا الوقت (فكر به على أنه علامة زمنية timestamp مؤلفة من 32 بتًا) في ترويسة الجزء، ثم يُرجِع echoes المستقبل هذه العلامة الزمنية مرةً أخرى إلى المرسل في إشعاره، ويطرح المرسل هذه العلامة الزمنية من الوقت الحالي لقياس وقت RTT. يوفر خيار العلامة الزمنية مكانًا مناسبًا لبروتوكول TCP لتخزين سجل وقت إرسال جزء، أي يخزن الوقت في الجزء نفسه. لاحظ أن نقاط النهاية في الاتصال لا تحتاج إلى ساعات متزامنة، حيث تُكتَب العلامة الزمنية وتُقرَأ في نهاية الاتصال نفسها. تعالج الإضافة الثانية مشكلة التفاف wrapping around حقل SequenceNum المكون من 32 بت لبروتوكول TCP في وقت قريب جدًا على شبكة عالية السرعة. يستخدم بروتوكول TCP العلامة الزمنية المؤلفة من 32 بتًا الموصوفة للتو لتوسيع حيز الأرقام التسلسلية بفعالية بدلاً من تحديد حقل رقم تسلسلي جديد مؤلف من 64 بتًا. أي يقرر بروتوكول TCP قبول أو رفض جزء بناءً على معرّف بطول 64 بت يحتوي على حقل SequenceNum بترتيب 32 بت المنخفض والعلامة الزمنية بترتيب 32 بت العالي. بما أن العلامة الزمنية تتزايد دائمًا، فإنها تعمل على التمييز بين تجسبدَين مختلفين لنفس الرقم التسلسلي. لاحظ استخدام العلامة الزمنية في هذا الإعداد فقط للحماية من الالتفاف، حيث لا يُتعامَل معها كجزء من الرقم التسلسلي لغرض طلب البيانات أو الإشعار بوصولها. تسمح الإضافة الثالثة لبروتوكول TCP بالإعلان عن نافذةٍ أكبر، مما يسمح له بملء الأنابيب ذات جداء (التأخير × حيز النطاق التراسلي) الأكبر والتي تتيحها الشبكات عالية السرعة. تتضمن هذه الإضافة خيارًا يحدد عامل توسيع scaling factor للنافذة المعلن عنها. أي يسمح هذا الخيار لطرفي TCP بالاتفاق على أن حقل AdvertisedWindow يحسب أجزاءًا أكبر (عدد وحدات البيانات ذات 16 بايت الممكن عدم الإقرار بها من قبل المرسل على سبيل المثال) بدلًا من تفسير الرقم الذي يظهر في حقل AdvertisedWindow على أنه يشير إلى عدد البايتات المسموح للمرسل بعدم الإقرار بها. يحدد خيار توسيع النافذة عدد البتات التي يجب على كل جانبٍ إزاحة حقل AdvertisedWindow بها لليسار قبل استخدام محتوياته لحساب نافذة فعالة. تسمح الإضافة الرابعة لبروتوكول TCP بتوفير إشعاره التراكمي cumulative acknowledgment مع الإشعارات الانتقائية selective acknowledgments لأية أجزاءٍ إضافية جرى استلامها ولكنها ليست متجاورة مع جميع الأجزاء المُستلمة مسبقًا، وهذا هو خيار الإشعار الانتقائي أو SACK. يستمر جهاز الاستقبال بالإقرار أو الإشعار عن الأجزاء بشكلٍ طبيعي عند استخدام خيار SACK، أي لا يتغير معنى حقل Acknowledge، ولكنه يستخدم أيضًا حقولًا اختيارية في الترويسة لإرسال إشعارات وصول أي كتلٍ إضافية من البيانات المستلمة. يتيح ذلك للمرسل إعادة إرسال الأجزاء المفقودة فقط وفقًا للإشعار الانتقائي. هناك استراتيجيتان مقبولتان فقط للمرسل بدون SACK. تستجيب الاستراتيجية المتشائمة pessimistic لانتهاء المهلة بإعادة إرسال الجزء المنتهية مهلته، وكذلك أي أجزاء سترسَل لاحقًا أيضًا، وتفترض الإستراتيجية المتشائمة الأسوأ والذي هو فقد كل تلك الأجزاء. عيب الاستراتيجية المتشائمة هو أنها قد تعيد إرسال الأجزاء المُستلمة بنجاح في المرة الأولى دون داعٍ. الإستراتيجية الأخرى هي الإستراتيجية المتفائلة optimistic، والتي تستجيب لانتهاء المهلة بإعادة إرسال الجزء المنتهية مهلته فقط. يفترض النهج المتفائل السيناريو الأكثر تفاؤلًا والذي هو فقد جزء segment واحد فقط. عيب الإستراتيجية المتفائلة أنها بطيئة للغاية دون داعٍ، عندما تضيع سلسلة من الأجزاء المتتالية، كما يحدث عندما يكون هناك ازدحام. كما أنها بطيئة نظرًا لعدم القدرة على اكتشاف خسارة كل جزءٍ حتى يتلقى المرسل ACK لإعادة إرسال الجزء السابق، لذلك فهي تستهلك وقت RTT واحدًا لكل جزءٍ حتى يعيد إرسال جميع الأجزاء في السلسلة المفقودة. تتوفر استراتيجية أفضل للمرسل مع خيار SACK وهي: أعد إرسال الأجزاء التي تملأ الفجوات بين الأجزاء التي جرى الإقرار بها انتقائيًا. بالمناسبة، لا تمثّل هذه الإضافات القصة الكاملة. حيث سنرى بعض الإضافات الأخرى عندما ننظر في كيفية تعامل بروتوكول TCP مع الازدحام. تتعقب هيئة تخصيص أرقام الإنترنت Internet Assigned Numbers Authority أو اختصارًا IANA جميع الخيارات المحددة لبروتوكول TCP (إضافةً للعديد من بروتوكولات الإنترنت الأخرى). الأداء Performance تذكر أن في بداية السلسلة قد قدّم المقياسين الكميّين اللذين يجري من خلالِهما تقييم أداء الشبكة وهما: زمن الاستجابة latency والإنتاجية throughput. لا تتأثر هذه المقاييس فقط بالعتاد الأساسي، مثل تأخير الانتشار propagation delay وحيز نطاق الرابط التراسلي link bandwidth، كما هو مذكور في تلك المناقشة، ولكن تتأثر أيضًا بتكاليف البرمجيات الزائدة. يمكننا مناقشة كيفية قياس أداء البروتوكول القائم على البرمجيات بشكل هادف الآن بعد أن أصبح متاحًا لنا رسمًا بيانيًا كاملًا له متضمنًا بروتوكولات نقل بديلة. تكمن أهمية هذه القياسات في أنها تمثل الأداء الذي تراه برامج التطبيق. نبدأ، كما ينبغي لأي تقرير لنتائج التجارب، بوصف طريقتنا التجريبية. وهذا يشمل الجهاز المستخدم في التجارب، حيث تحتوي كل محطة عمل على زوج من معالجات Xeon لوحدة المعالجة المركزية بتردد 2.4 جيجاهرتز والتي تعمل بنظام لينوكس في هذه الحالة. يجري استخدام زوج من محوّلات إيثرنت، المسمَّى NIC بطاقة واجهة الشبكة network interface card، على كل جهاز لتمكين سرعات أعلى من 1 جيجابت في الثانية. يمتد الإيثرنت على غرفة جهاز واحدة لذا لا يمثل الانتشار مشكلة، مما يجعل هذا مقياسًا لتكاليف المعالجات / البرمجيات الزائدة. يحاول برنامجُ الاختبار الذي يعمل أعلى واجهة المقبس ببساطة نقلَ البيانات بأسرع ما يمكن من جهازٍ إلى آخر، ويوضح الشكل السابق هذا الإعداد. قد تلاحظ أن هذا الإعداد التجريبي لا يمثل ميزة خاصة من حيث العتاد أو سرعة الروابط. لا يتمثل الهدف من هذا القسم في إظهار مدى سرعة تشغيل بروتوكول معين، ولكن لتوضيح المنهجية العامة لقياس أداء البروتوكول والإبلاغ عنه. يجري اختبار الإنتاجية لمجموعة متنوعة من أحجام الرسائل باستخدام أداة قياس معيارية تسمى TTCP. يوضح الشكل التالي نتائج اختبار الإنتاجية. الشيء الرئيسي الواجب ملاحظته في هذا الرسم البياني هو أن معدل النقل يتحسن مع زيادة حجم الرسائل. وهذا أمرٌ منطقي، حيث تتضمن كل رسالة قدرًا معينًا من الحِمل الزائد، لذا فإن الرسالة الأكبر تعني أن هذا الحِمل يُستهلَك على عددٍ أكبر من البايتات. يُسطَّح منحني سرعة النقل الأعلى من 1 كيلوبايت، وعند هذه النقطة يصبح الحِمل لكل رسالة غير مهم عند مقارنته بالعدد الكبير من البايتات التي يتعين على مكدّس البروتوكول معالجتها. تجدر الإشارة إلى أن الحد الأقصى للإنتاجية أقل من 2 جيجابت في الثانية، وهي سرعة الرابط المتاحة في هذا الإعداد. ستكون هناك حاجة لمزيد من الاختبار وتحليل النتائج لمعرفة مكان الاختناق أو معرفة إذا كان هناك أكثر من عنق زجاجة أو اختناق bottleneck. قد يعطي النظر إلى حِمل وحدة المعالجة المركزية مؤشرًا على ما إذا كانت وحدة المعالجة المركزية هي مكان الاختناق أم أن اللوم يقع على حيز النطاق التراسلي للذاكرة أو أداء محوّل adaptor الشبكة أو بعض المشكلات الأخرى. نلاحظ أيضًا أن الشبكة في هذا الاختبار "مثالية" بصورةٍ أساسية. لا يوجد أي تأخير أو خسارة تقريبًا، وبالتالي فإن العوامل الوحيدة التي تؤثر على الأداء هي تطبيق بروتوكول TCP إضافةً إلى عتاد وبرمجيات محطة العمل. ولكن نتعامل في معظم الأوقات مع شبكاتٍ بعيدة عن الكمال، ولا سيما روابطنا المقيدة بحيّز النطاق التراسلي وروابط الميل الأخير والروابط اللاسلكية المعرّضة للضياع. نحتاج إلى فهم كيفية تعامل بروتوكول TCP مع الازدحام قبل أن نقّدر تمامًا كيف تؤثر هذه الروابط على أداء TCP. هدّدت سرعة روابط الشبكة المتزايدة بشكل مطرد بالتقدم على ما يمكن تسليمه إلى التطبيقات في أوقات مختلفة من تاريخ الشبكات. بدأ جهد بحثي كبير في الولايات المتحدة في عام 1989 لبناء "شبكات جيجابت gigabit networks" على سبيل المثال، حيث لم يكن الهدف فقط بناء روابط ومبدلات يمكن تشغيلها بسرعة 1 جيجابت في الثانية أو أعلى، ولكن أيضًا لإيصال هذه الإنتاجية على طول الطريق إلى عملية تطبيقٍ واحدة. كانت هناك بعض المشكلات الحقيقية (كان لابد من تصميم محولات شبكة، وبنيات محطات عمل، وأنظمة تشغيل مع مراعاة إنتاجية النقل من شبكة إلى تطبيق على سبيل المثال) وكذلك بعض المشكلات المُدرَكة التي تبين أنها ليست خطيرة للغاية. وكان على رأس قائمة مثل هذه المشاكل القلقُ من أن بروتوكولات النقل الحالية، وخاصةً بروتوكول TCP، قد لا تكون على مستوى التحدي المتمثل في عمليات الجيجابت. كما اتضح، كان أداء بروتوكول TCP جيدًا في مواكبة الطلبات المتزايدة للشبكات والتطبيقات عالية السرعة. أحد أهم العوامل هو إدخال توسيع النافذة للتعامل مع منتجات تأخير حيز النطاق التراسلي الأكبر، ولكن غالبًا ما يكون هناك فرقٌ كبير بين الأداء النظري لبروتوكول TCP وما يجري تحقيقه عمليًا. يمكن أن تؤدي المشكلات البسيطة نسبيًا مثل نسخ البيانات مرات أكثر من اللازم أثناء انتقالها من محول الشبكة إلى التطبيق إلى انخفاض الأداء، كما يمكن أن تؤدي ذاكرة التخزين المؤقت غير الكافية إلى انخفاض الأداء عندما يكون منتج تأخير حيز النطاق التراسلي كبيرًا. وديناميكيات TCP معقدة بدرجة كافية، بحيث يمكن للتفاعلات الدقيقة بين سلوك الشبكة وسلوك التطبيق وبروتوكول TCP نفسه تغيير الأداء بصورةٍ كبيرة. من الجدير بالذكر أن بروتوكول TCP يستمر في الأداء الجيد مع زيادة سرعات الشبكة، ويندفع الباحثون لإيجاد حلول عند حدوث تعارض مع بعض القيود (المرتبطة عادةً بالازدحام أو زيادة منتجات تأخير حيز النطاق التراسلي أو كليهما). خيارات التصميم البديلة SCTP وQUIC على الرغم من أن بروتوكول TCP قد أثبت أنه بروتوكول قوي يلبي احتياجات مجموعة واسعة من التطبيقات، إلا أن مساحة تصميم بروتوكولات النقل كبيرة جدًا. ليس بروتوكول TCP بأي حالٍ النقطة الصالحة الوحيدة في مساحة التصميم هذه. نختم مناقشتنا لبروتوكول TCP من خلال النظر في خيارات التصميم البديلة. بينما نقدم شرحًا حول سبب اتخاذ مصممي TCP الخيارات التي قاموا بها، فإننا نلاحظ وجود بروتوكولات أخرى اتخذت خيارات أخرى، وقد يظهر المزيد من هذه البروتوكولات في المستقبل. هناك صنفان على الأقل من بروتوكولات النقل: البروتوكولات الموجَّهة بالتدفق stream-oriented protocols مثل بروتوكول TCP وبروتوكولات الطلب / الرد request/reply protocols مثل بروتوكول RPC. قسمنا مساحة التصميم ضمنيًا إلى نصفين ووضعنا بروتوكول TCP مباشرةً في نصف عالم البروتوكولات الموجَّهة بالتدفق. يمكننا أيضًا تقسيم البروتوكولات الموجهة بالتدفق إلى مجموعتين، موثوقة reliable وغير موثوقة unreliable، مع احتواء الأولى على بروتوكول TCP والأخيرة أكثر ملاءمة لتطبيقات الفيديو التفاعلية التي تفضل إسقاط أو إهمال إطار بدلًا من تحمّل التأخير المرتبط بإعادة الإرسال. يُعَد بناء تصنيف لبروتوكول النقل أمرًا مثيرًا للاهتمام ويمكن مواصلته بتفاصيل أكثر، ولكن العالم ليس أبيض وأسود كما قد نحب. افترض ملاءمة بروتوكول TCP كبروتوكول نقل لتطبيقات الطلب / الرد على سبيل المثال. بروتوكول TCP هو بروتوكول ثنائي الاتجاه، لذلك سيكون من السهل فتح اتصال TCP بين العميل والخادم، وإرسال رسالة الطلب في اتجاه واحد، وإرسال رسالة الرد في الاتجاه الآخر، ولكن هناك نوعان من التعقيدات. الأول هو أن بروتوكول TCP هو بروتوكول موجَّهٌ بالبايت وليس بروتوكول موجَّه بالرسائل، وأن تطبيقات الطلب / الرد تتعامل دائمًا مع الرسائل. (سنكتشف مسألة البايتات مقابل الرسائل بتفصيل أكبر بعد قليل). التعقيد الثاني هو أنه في تلك المواقف التي تتلاءم فيها كل من رسالة الطلب ورسالة الرد في رزمة شبكة واحدة، يحتاج بروتوكول الطلب / الرد المصمم جيدًا رزمتان فقط لتطبيق التبادل، بينما يحتاج بروتوكول TCP إلى تسع رزم على الأقل: ثلاث لتأسيس الاتصال، واثنان لتبادل الرسائل، وأربع لإنهاء الاتصال. إذا كانت رسائل الطلب أو الرد كبيرة بما يكفي لأن تتطلب رزم شبكةٍ متعددة (قد يستغرق الأمر 100 رزمة لإرسال إستجابة بحجم 100000 بايت على سبيل المثال)، ستكون التكاليف الزائدة لإعداد الاتصال وإلغائه غير منطقية. ليس الأمر دائمًا أن بروتوكولًا معينًا لا يمكنه دعم وظيفةٍ معينة، ففي بعض الأحيان يكون هناك تصميم أكثر كفاءة من تصميم آخر في ظل ظروف معينة. ثانيًا، قد تتساءل عن سبب اختيار TCP لتقديم خدمة تدفق بايتات موثوقة بدلًا من خدمة تدفق رسائل موثوقة، حيث تُعتبر الرسائل الخيار الطبيعي لتطبيق قاعدة البيانات الذي يريد تبادل السجلات. هناك إجابتان على هذا السؤال: الأول هو أن البروتوكول الموجَّه بالرسائل يجب أن ينشئ حدًا أعلى لأحجام الرسائل، فالرسالة الطويلة التي بلا حدود هي تدفق بايتات. ستكون هناك تطبيقات تريد إرسال رسائل أكبر بالنسبة إلى أي حجم رسالة يحدده البروتوكول، مما يجعل بروتوكول النقل عديم الفائدة ويجبر التطبيق على تنفيذ خدماته الشبيهة بالنقل. السبب الثاني هو أنه على الرغم من أن البروتوكولات الموجهة بالرسائل هي بالتأكيد أكثر ملاءمة للتطبيقات التي ترغب في إرسال السجلات إلى بعضها البعض، إلا أنه يمكنك بسهولة إدخال حدود السجل في تدفق البايتات لتطبيق هذه الوظيفة. القرار الثالث الذي اُتخِذ في تصميم TCP هو أنه يسلّم البايتات بناءً على التطبيق. هذا يعني أنه قد يحتفظ بالبايتات التي استلمها مخالفةً للترتيب من الشبكة، في انتظار بعض البايتات المفقودة لملء ثغرة. هذا مفيد للغاية للعديد من التطبيقات ولكن تبين أنه غير مفيد تمامًا إذا كان التطبيق قادرًا على معالجة البيانات المخالفة للترتيب. فلا تحتاج صفحة الويب مثلًا التي تحتوي على كائنات متعددة مضمَّنة إلى تسليم جميع الكائنات بالترتيب قبل البدء في عرض الصفحة. هناك صنف من التطبيقات يفضِّل التعامل مع البيانات المخالفة للترتيب في طبقة التطبيق، مقابل الحصول على البيانات في وقت أقرب عند إسقاط الرزم أو سوء ترتيبها داخل الشبكة. أدت الرغبة في دعم مثل هذه التطبيقات إلى إنشاء بروتوكولي نقل معياريين من IETF. كان أولها بروتوكول SCTP، بروتوكول نقل التحكم في التدفق Stream Control Transmission Protocol. يوفر بروتوكول SCTP خدمة توصيل مُرتَّبة جزئيًا، بدلًا من خدمة TCP المُرتَّبة بدقة. (يتخذ بروتوكول SCTP أيضًا بعض قرارات التصميم الأخرى التي تختلف عن بروتوكول TCP، بما في ذلك اتجاه الرسالة ودعم عناوين IP المتعددة لجلسة واحدة). وحّدت منظمة IETF في الآونة الأخيرة بروتوكولًا محسَّنًا لحركة مرور الويب، يُعرف باسم QUIC. رابعًا، اختار بروتوكول TCP تطبيق مراحل إعداد / تفكيك صريحة، لكن هذا ليس مطلوبًا، حيث سيكون من الممكن إرسال جميع معاملات الاتصال الضرورية مع رسالة البيانات الأولى في حالة إعداد الاتصال. اختار TCP اتباع نهجٍ أكثر تحفظًا يمنح المتلقي الفرصة لرفض الاتصال قبل وصول أي بيانات. يمكننا إغلاق الاتصال الذي كان غير نشط لفترة طويلة من الزمن بهدوء في حالة التفكيك، ولكن هذا من شأنه أن يعقّد تطبيقات مثل تسجيل الدخول عن بُعد الذي يريد الحفاظ على الاتصال نشطًا لأسابيع في كل مرة، حيث ستُجبَر هذه التطبيقات على إرسال رسائل "keep alive" خارج النطاق للحفاظ على حالة الاتصال عند الطرف الآخر من الاختفاء. أخيرًا، بروتوكول TCP هو بروتوكول قائم على النافذة window-based، لكن هذا ليس الاحتمال الوحيد. البديل هو التصميم القائم على المعدَّل rate-based design، حيث يخبر المستلمُ المرسلَ بالمعدّل (معبرًا عنه إما بالبايتات أو بالرزم في الثانية) الذي يكون على استعداد لقبول البيانات الواردة إليه، فقد يخبر المتلقي المرسل على سبيل المثال أنه يستطيع استيعاب 100 رزمة في الثانية. هناك ازدواجية مثيرة للاهتمام بين النوافذ والمعدَّل، حيث أن عدد الرزم (البايتات) في النافذة، مقسومًا على RTT، هو المعدل بالضبط. يشير حجم النافذة المكوَّن من 10 رزم و 100 ميلي ثانية RTT على سبيل المثال إلى أنه يُسمح للمرسل بالإرسال بمعدل 100 رزمة في الثانية. يرفع جهاز الاستقبال أو يخفض المعدل الذي يمكن للمرسل الإرسال به بفعالية من خلال زيادة أو تقليل حجم النافذة المعلن عنها. تُرَد هذه المعلومات مرةً أخرى إلى المرسل في حقل AdvertisedWindow من إشعار ACK كل جزء في بروتوكول TCP. تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في البروتوكول المستند إلى المعدل في عدد المرات التي يُرحَّل فيها المعدل المطلوب (والذي قد يتغير بمرور الوقت) إلى المصدر: هل هو لكل رزمة أم مرة واحدة لكل RTT أم عندما يتغير المعدل فقط؟ على الرغم من أننا قد ناقشنا للتو النافذة مقابل المعدل في سياق التحكم في التدفق، إلا أنها قضية متنازع عليها بشدة في سياق التحكم في الازدحام، والتي ستُناقش لاحقًا. بروتوكول QUIC أُنشِئ بروتوكول اتصالات إنترنت بروتوكول UDP السريعة Quick UDP Internet Connections أواختصارًا QUIC في Google في عام 2012، ولا يزال يخضع للتوحيد القياسي standardization في منظمة IETF في وقت كتابة هذا الكتاب، ولقد شهد بالفعل قدرًا معتدلًا من النشر (في بعض متصفحات الويب وعدد كبير من مواقع الويب الشائعة). حقيقة أنه كان ناجحًا إلى هذه الدرجة هي في حد ذاتها جزءٌ مثير للاهتمام من قصة QUIC، وكانت قابلية النشر التزامًا رئيسيًا لمصممي البروتوكول. يأتي الدافع وراء بروتوكول QUIC مباشرةً من النقاط التي أشرنا إليها أعلاه حول بروتوكول TCP: لقد تبين أن بعض قرارات التصميم غير مثالية لمجموعة من التطبيقات التي تعمل عبر بروتوكول TCP، كحركة مرور بروتوكول HTTP (الويب). أصبحت هذه المشكلات أوضح بمرور الوقت، نظرًا لعوامل مثل ظهور الشبكات اللاسلكية ذات زمن الاستجابة العالي، وتوافر شبكات متعددة لجهاز واحد (شبكة Wi-Fi والشبكة الخلوية على سبيل المثال)، والاستخدام المتزايد للتشفير واستيثاق الاتصالات على الويب. تستحق بعض قرارات تصميم بروتوكول QUIC الرئيسية المناقشة في حين أن وصفه الكامل خارج نطاقنا. إذا كان وقت استجابة الشبكة مرتفعًا (من رتبة مئات الميلي ثانية) فيمكن أن تزيد بسرعة بعض فترات RTT إزعاجًا واضحًا للمستخدم النهائي. يستغرق عادةً إنشاء جلسة HTTP عبر بروتوكول TCP مع تأمين طبقة النقل ثلاث رحلاتٍ ذهابًا وإيابًا (واحدة لتأسيس جلسة TCP واثنتان لإعداد معاملات التشفير) قبل إرسال رسالة HTTP الأولى. أدرك مصممو QUIC أنه يمكن تقليل هذا التأخير (وهو النتيجة المباشرة لنهج متعدد الطبقات لتصميم البروتوكول) بصورةٍ كبيرة إذا دُمِج إعداد الاتصال ومصافحات الأمان المطلوبة وحُسِّن لأدنى حد من وقت الذهاب والإياب. لاحظ أيضًا كيف قد يؤثر وجود واجهات متعددة للشبكة على التصميم. إذا فقد هاتفك المحمول اتصال Wi-Fi وتحتاج إلى التبديل إلى اتصال خلوي، سيتطلب ذلك عادةً مهلة TCP على اتصالٍ واحد وسلسلة جديدة من المصافحات على الاتصال الآخر. كان جعل الاتصال شيئًا يمكنه الاستمرار عبر اتصالات طبقة الشبكة المختلفة هدفًا تصميميًا آخر لبروتوكول QUIC. أخيرًا، يُعد نموذج تدفق البايتات الموثوق لبروتوكول TCP تطابقًا ضعيفًا مع طلب صفحة الويب، عند الحاجة إلى جلب العديد من الكائنات ويمكن البدء بعرض الصفحة قبل وصولها جميعًا. أحد الحلول لذلك هو فتح اتصالات TCP متعددة على التوازي، ولكن هذا الأسلوب (الذي اُستخدِم في الأيام الأولى للويب) له مجموعة من العيوب الخاصة به، لا سيما فيما يتعلق بالتحكم في الازدحام. ومن المثير للاهتمام أنه جرى اتخاذ العديد من قرارات التصميم التي شكّلت تحدياتٍ لنشر بروتوكول نقل جديد بحلول الوقت الذي ظهر فيه QUIC. والجدير بالذكر أن العديد من "الصناديق المتوسطة middleboxes" مثل الجدران النارية firewalls وNAT لديها فهم كافٍ لبروتوكولات النقل المنتشرة على نطاق واسع (TCP وUDP) بحيث لا يمكن الاعتماد عليها لتمرير بروتوكول نقل جديد. ونتيجة لذلك يتواجد بروتوكول QUIC في الواقع فوق بروتوكول UDP، أي أنه بروتوكول نقلٍ يعمل فوق بروتوكول نقل. يطبّق بروتوكول QUIC إنشاء اتصالٍ سريع مع التشفير والاستيثاق authentication في أول RTT، ويفضّل توفير معرّف اتصال على استمراره عبر التغييرات في الشبكة الأساسية. وهو يدعم تعدد إرسال عدة تدفقات على اتصال نقل واحد، لتجنب توقف رأس الخط الذي قد ينشأ عند إسقاط رزمةٍ واحدة بينما يستمر وصول البيانات المفيدة الأخرى. ويحافظ على خصائص تجنب الازدحام لبروتوكول TCP. بروتوكول QUIC هو التطور الأكثر إثارة للاهتمام في عالم بروتوكولات النقل. العديد من قيود بروتوكول TCP معروفةٌ منذ عقود، ولكن يمثّل بروتوكول QUIC واحدًا من أنحج الجهود حتى الآن للتركيز على نقطة مختلفة في مساحة التصميم. ويقدم دراسة حالة رائعة في النتائج غير المتوقعة للتصميمات متعددة الطبقات وفي تطور الإنترنت، نظرًا لأنه مستوحى من تجربة بروتوكول HTTP والويب، والتي نشأت بعد فترة طويلة من تأسيس بروتوكول TCP بشكل جيد في الإنترنت. بروتوكول TCP متعدد المسارات Multipath TCP ليس من الضروري دائمًا تحديد بروتوكول جديد إذا وجدت أن البروتوكول الحالي لا يخدم حالة استخدام معينة بشكل كافٍ. من الممكن في بعض الأحيان إجراء تغييرات جوهرية في كيفية تطبيق بروتوكول موجود، ولكن تظل وفية للمواصفات الأصلية. يعد بروتوكول Multipath TCP مثالًا على مثل هذه الحالة. تتمثل فكرة Multipath TCP في توجيه الرزم خلال مسارات متعددة عبر الإنترنت، باستخدام عنوانَي IP مختلفين لإحدى نقاط النهاية على سبيل المثال. يمكن أن يكون هذا مفيدًا بشكل خاص عند تسليم البيانات إلى جهازٍ محمول متصل بكل من شبكة Wi-Fi والشبكة الخلوية (وبالتالي يملك عنوانين IP فريدين). يمكن أن تواجه فقدانًا كبيرًا في الرزمة نظرًا لكون كلتا الشبكتين لاسلكيتين، لذا فإن القدرة على استخدامهما لحمل الرزم يمكن أن تحسّن تجربة المستخدم بصورة كبيرة. الحل هو أن يعيد الجانب المستلم من TCP بناء تدفق البايتات الأصلي بالترتيب قبل تمرير البيانات إلى التطبيق، والذي يظل غير مدرك أنه يجلس على بروتوكول Multipath TCP. (وهذا على عكس التطبيقات التي تفتح عمدًا اتصالين أو أكثر من اتصالات TCP للحصول على أداء أفضل). يبدو بروتوكول Multipath TCP بسيطًا، ولكنه من الصعب للغاية الحصول عليه بصورةٍ صحيحة لأنه يكسر العديد من الافتراضات حول كيفية تطبيق التحكم في تدفق TCP، وإعادة تجميع الجزء segment بالترتيب، والتحكم في الازدحام. نتركه كتمرينٍ لك لاستكشاف التفاصيل الدقيقة، حيث يُعد القيام بذلك طريقةً رائعة للتأكد من أن فهمك الأساسي لبروتوكول TCP سليم. ترجمة -وبتصرّف- للقسم Reliable Byte Stream من فصل ProtocolsEnd-to-End من كتاب Computer Networks: A Systems Approach. اقرأ أيضًا بروتوكولات طرف إلى طرف End-to-End Protocols في الشبكات الحاسوبيةالمقال السابق: تأسيس الشبكات الحاسوبية والتعرف على تطبيقاتها البرمجيات المستخدمة في بناء الشبكات الحاسوبية التوجيه Routing بين الأجهزة المتنقلة في الشبكات الحاسوبية دليل بصري لكيفية استخدام أنفاق SSH