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Eléments constitutifs du réseau

L'environnement réseau est constitué de machines raccordées sur des réseaux, eux-mêmes interconnectés par l'intermédiaire de routeurs. Ces réseaux peuvent être des réseaux locaux (ex., Ethernet) ou réseaux étendus (ex., ARPAnet), mais sont dans tous les cas des réseaux de type "à commutation de paquets" ou "asynchrones". Les éléments actifs qui consomment et produisent des paquets sont appelés des processus. Un certain nombre de niveaux de protocoles réseau, au niveau des machines ou des routeurs, permettent d'établir une chaîne complète de communication entre les processus actifs de n'importe quelle machine.
Le terme paquet, générique, désigne les données d'une transaction unitaire entre un processus et le réseau. Le format physique des données à l'intérieur du réseau est en dehors du champ d'application de ce document.
Les "hosts" sont des ordinateurs raccordés au réseau, et, du point de vue de ce dernier, sont les sources et destinations des paquets. Les processus sont identifiés comme les éléments actifs dans ces machines (conformément à la définition courante de "programme en cours d'exécution"). Les terminaux, fichiers, et autres périphériques d'entrée/sortie peuvent être identifiés comme "éléments communicants" par l'intermédiaire d'un processus. De ce fait, toute communication reste identifiée comme un échange inter-processus.
Comme un processus particulier doit pouvoir discerner des communications distinctes avec d'autres processus, nous avons imaginé que chaque processus puisse disposer d'un certain nombre de "ports" d'entrée/sortie, chacun attribué à une communication unique avec un autre processus.

Modèle de fonctionnement

Les processus transmettent les données en faisant appel à TCP et en passant des tampons de données comme arguments. TCP met en forme les données de ces tampons, les segmente afin de les transférer au protocole Internet qui a son tour les acheminera vers le TCP distant. Celui-ci reçoit les segments, les copie dans un tampon temporaire, et en avise l'émetteur. Le protocole TCP inclut les informations nécessaires à la "reconstruction" en bon ordre des données originales.
Le modèle d'une communication Internet fait qu'il existe pour chaque TCP actif un module de protocole Internet chargé de l'acheminement de données. Ce module Internet "encapsule" à son tour les paquets TCP sous la forme de paquets Internet, transmis à un module Internet distant via des "routeurs". Pour transmettre le paquet ainsi constitué à travers un réseau local, une troisième couche de protocole, spécifique au réseau, est ajoutée.(Cf mécanisme d'encapsulation)
Les paquets peuvent alors subir un grand nombre de transformations, fragmentations, ou autres opérations pendant leur acheminement au module Internet distant.
A l'arrivée dans un routeur, le paquet Internet est décapsulé et analysé. Ses informations sont examinées pour savoir vers quel réseau le paquet doit être acheminé. Un nouveau paquet Internet est constitué, selon les spécifications du segment de réseau désigné, puis transmis sur ce réseau.
Un routeur peut procéder à une segmentation plus fine des paquets, si le réseau en sortie n'a pas les performances suffisantes pour véhiculer le paquet d'origine. Pour réaliser ceci, le routeur exécute une nouvelle segmentation en "fragments". Ces mêmes fragments peuvent à leur tour être redécoupés en chemin par un autre routeur. Le format de paquets fragmentés est standardisé de sorte que le réassemblage soit toujours possible, étape par étape, jusqu'à restitution des données originales.
Le module Internet d'arrivée extrait le datagramme de niveau supérieur, pour nous, TCP (après défragmentation du paquet si nécessaire) et le passe à la couche TCP.
Cette description rapide du protocole ignore certains détails. Le type de service en est un d'importance. Celui-ci indique au routeur (ou au module Internet) quels paramètres de service doivent être utilisés pour traverser la section suivante. L'un de ces paramètres est la priorité du paquet. Un autre est le codage de sécurité du paquet, permettant aux réseaux traitant des aspects de sécurité de discriminer les paquets conformément aux exigences établies.

Les Hosts

TCP est conçu sous la forme d'un module du système d'exploitation. L'utilisateur exploitera ses fonctions comme une autre ressource système (ex. le système de fichiers). TCP pourra lui-même invoquer d'autres ressources système, par exemple pour utiliser les structures de données locales. Actuellement, l'interfaçage vers le réseau est implémentée sous la forme d'un pilote de périphérique. TCP n'adresse pas le pilote directement, mais transfère le paquet à IP qui prendra en charge à son tour les transactions avec le pilote.

Interfaces

L'interface TCP/application fournit l'accès à des commandes OPEN ou CLOSE pour l'ouverture et la fermeture d'une communication, SEND ou RECEIVE pour l'émission ou la réception de données, ou STATUS pour connaître l'état d'une communication. Ces commandes seront appelées comme toute autre primitive système, par exemple celle qui permet l'ouverture ou la fermeture de fichiers.
L'interface TCP/Internet dispose de commandes pour recevoir et émettre des paquets vers des modules TCP où qu'ils soient sur le réseau. Ces appels ont des paramètres tels qu'adresses, type de service, priorité, sécurité, et autres informations de contrôle.

Relations avec d'autres protocoles

Le diagramme suivant montre la place de TCP dans la hiérarchie de protocoles:

       +------+ +-----+ +-----+       +-----+
       |Telnet| | FTP | |Voice|  ...  |     |          Couche applicative
       +------+ +-----+ +-----+       +-----+
            |    |         |             |
           +-----+     +-----+       +-----+
           | TCP |     | RTP |    .  |     |           Couche machine
           +-----+     +-----+       +-----+
              |           |             |
       +--------------------------------------------+
       |    Internet Protocol & ICMP                |  Couche réseau
       +--------------------------------------------+
                |                            |
       +--------------------------------------------+
       |   Local Network Protocol                   |    Couche physiaqye
       +--------------------------------------------+

Fiabilité de communication

Un flux de donnée s'appuyant sur une connexion TCP doit être pouvoir considéré comme "fiable".
La fiabilité de cette transmission s'appuie sur l'utilisation de numéros de séquence et sur un mécanisme d'accusés de réception. Dans le concept, à chaque octet de données est attribué un numéro de séquence. Le numéro de séquence du premier octet transmis dans un segment est appelé le numéro de séquence du segment. Celui-ci est explicitement transmis avec le segment. En retour, l'accusé de réception est constitué du numéro de séquence du prochain octet à transmettre. Lorsque TCP transmet un segment contenant des données, celui-ci est copié dans une pile de réémission et une temporisation est lancée; lorsque l'accusé de réception est reçu, la copie dans la pile de retransmission est supprimée. Dans le cas contraire, le paquet est réémis une nouvelle fois.
L'accusé de réception ne garantit pas que les données sont effectivement arrivées à l'utilisateur final. Il indique simplement que le FTP destinataire à bien pris en charge ces données, en vue de les transmettre à cet utilisateur.
Pour contrôler le débit de données entre les deux TCP, un mécanisme dit de "contrôle de flux" est employé. Le TCP récepteur aménage une "fenêtre de réception" pour le TCP émetteur. Cette "fenêtre" indique le nombre d'octets, à partir du numéro de séquence inscrit dans l'accusé de réception, que le TCP distant est capable de recevoir.

Etablissement et rupture des connexions

TCP indique un identificateur de port. Comme ces identificateurs sont choisis indépendamment par chaque extrémité, ils peuvent se révéler identiques. L'adresse unique d'une communication TCP est obtenue par la concaténation de l'adresse Internet avec l'identificateur du port sélectionné, constituant ainsi ce que l'on nome une "socket". Cette socket est alors unique dans l'ensemble du réseau.
Une connexion de base est définie par un couple de sockets, l'un définissant l'émetteur, l'autre le récepteur. Un socket peut devenir le destinataire ou la source pour plusieurs sockets distinctes. La connexion est résolument bidirectionnelle, et prend la dénomination de "full-duplex".
TCP est libre d'associer ses ports avec les processus exécutés sur sa machine. Cependant, quelques règles ont été établies pour l'implémentation. Ont été définis un certain nombre de sockets "réservées" que TCP ne doit associer qu'avec certains processus bien identifiés. Ceci revient à dire que certains processus peuvent s'attribuer la propriété de certains ports, et ne pourront initier de communication que sur ceux-ci.
Une connexion est demandée par activation de la commande OPEN indiquant le port local et les paramètres du socket distant. En retour, TCP répond par un nom local (court) symbolique que l'application utilisera dans ses prochains appels. Plusieurs choses doivent être retenues à propos des connexions. Pour garder la trace de cette connexion, nous supposons l'existence d'une structure de données appelée Transmission Control Block (TCB). Une des stratégies d'implémentation est de dire que le nom local donné est un pointeur vers le TCB associé à cette connexion. La commande OPEN spécifie en outre si le processus de connexion doit être effectué jusqu'à son terme, ou s'il s'agit d'une ouverture en mode passif.
Une ouverture passive signifie que le processus de connexion se met en attente d'une demande de connexion plutôt que de l'initier lui-même. Dans la plupart des cas, ce mode est utilisé lorsque l'application est prête à répondre à tout appel. Dans ce cas, le socket distant spécifié n'est composé que de zéros (socket indéfini). Le socket indéfini ne peut être passé à TCP que dans le cas d'une connexion passive.
Un utilitaire désireux de fournir un service à un processus non identifié pourra initier une connexion passive. Tout appelant effectuant une requête de connexion sur le socket local sera reconnu. Il sera bon de garder en mémoire que ce socket est associé à ce service.
Les sockets "réservés" sont un bon moyen d'associer à priori des ports à des applications standard. Par exemple, le serveur "Telnet" est en permanence associé à un socket particulier, d'autres étant réservés pour les transferts de fichiers, sessions de terminal distant, générateur de texte, écho (ces deux pour des besoins de test), etc. Un socket est aussi réservé à la fonction de serveur de domaines, transcodant les "noms explicites" de services en sockets Internet. Si le concept même de l'assignation à priori de sockets fait partie de TCP, l'assignation concrète des sockets "réservées" est définie dans un autre document.
La procédure de connexion utilise le bit de contrôle de synchronisation (SYN) et suppose la transmission de trois messages. Cet échange est appelé "négociation ternaire".
La connexion suppose le rendez-vous d'un segment marqué du bit SYN et d'une requête locale (TCB), chacun des deux étant créé par l'exécution d'une commande de connexion. La correspondance entre le socket arrivé et le socket attendu détermine l'opportunité de la connexion. Celle-ci ne devient réellement établie que lorsque les deux numéros de séquence ont été synchronisés dans les deux directions.
La rupture d'une connexion suppose l'émission de segments, marqués du bit FIN.

Communication de données

Les données circulant dans la connexion ouverte doivent être vues comme un flux d'octets. L'application indique dans la commande SEND si les données soumises lors de cet appel (et toutes celles en attente) doivent être immédiatement émises par l'activation du flag PUSH.
Par défaut, TCP reste libre de stocker les données soumises par l'application pour les émettre à sa convenance, jusqu'à ce que le signal PUSH soit activé. Dans ce dernier cas, toutes les données non émises doivent être envoyées. Symétriquement, lorsque le TCP récepteur voit le flag PUSH marqué, il devra passer immédiatement toutes les données collectées à l'application destinataire.
Il n'y a à priori aucune corrélation entre la fonction PUSH et les limites des segments. Les données d'un segment peuvent être le résultat d'une seule commande SEND, en tout ou partie, ou celui de plusieurs appels SEND.
La fonction de la fonction push et du flag PUSH est de forcer la transmission immédiate de toutes les données latentes entre les deux TCP. Il ne s'agit aucunement d'une fonction d'enregistrement
Il y a par contre une relation entre la fonction push et l'usage des tampons dans l'interface TCP/application. Chaque fois qu'un flag PUSH est associé à des données stockées dans le tampon de réception, celui-ci est intégralement transmis à l'application même s'il n'est pas plein. Si le tampon est rempli avant qu'un flag PUSH soit vu, les données sont transmises à l'application par éléments de la taille du tampon.
TCP dispose d'un moyen d'avertir l'application que, dans le flux de données qu'il est en train de lire, au delà de la position de lecture courante, des données de caractère urgent sont apparues. TCP ne définit pas ce que l'application est sensée faire lorsqu'elle est avisée de la présence de ces données. En général, c'est l'implémentation de l'application qui traitera ces données urgentes selon ses besoins propres.