【NET技術.005】TCPとUDPについて②

　佐藤@IT雑貨屋です。
　TCPとUDPは通信仕様の中核でもあるので、概要を説明するにしてもそれなりに紙片をとってしまいますので、ご容赦下さい。

◆TCPヘッダについて
　TCPではフロー制御、順番制御、再送制御など様々な制御が機能しています。それらの制御により信頼性の高い通信を実現しています。TCPの機能はTCPヘッダの部分に詰め込まれています。以下にTCPヘッダのフォーマットを示します。

　・送信元ポート番号
　　16ビット超で送信元のポート番号を示します。
　・宛先ポート番号
　　16ビットで宛先ポート番号を示します。
　・シーケンス番号
　　32ビットでシーケンス番号（順序番号）を示します。このシーケンス番号では送信
　　した順序を示しますが、これはコネクション確率時に初期値がランダムで決められ
　　SYNパケットで宛先に伝えられます。この番号は初期値に送信したバイト数で決め
　　られますが、SYNパケットやFINパケットもバイト数に数えられます。
　・確認応答番号
　　3ビット長で確認応答番号を示します。この番号は次に受信すべきデータのシーケ
　　ンス番号です。確認応答番号から-1したシーケンス番号までのデータを正常に受信
　　したことを知らせます。
　・データオフセット
　　4ビット長でTCPデータのデータがTCPパケットのどの部分から始まるかを示します。
　　TCPヘッダの長さと同じく4オクテット単位でTCPヘッダ長を示します。オプション
　　を含まないTCPヘッダの場合、TCPヘッダの長さは20オクテットなので、データ
　　オフセットは5となります。
　・予約
　　将来の拡張のあめに用意されている4ビット長のフィールドです。デフォルトは0が
　　設定されます。
　・コントロールフラグ
　　8ビット長で、ビット毎に意味をもつフラグです。
　　0bit：CWR
　　　IPヘッダのECNフィールドと共に使用される。輻輳ウィンドウを小さくした事
　　　を通信相手に伝える。
　　1bit：ECE
　　　IPヘッダのECNフィールドと共に使用される。相手側からこちら側に向かう
　　　ネットワークが輻輳していることを通信相手に伝える。
　　2bit：URG
　　　このビットが1の場合、緊急に処理すべきデータが含まれている事を示す。その
　　　データの格納先は緊急ポインタを使用して示す。
　　3bit：ACK
　　　このビットが1の場合、確認応答版ふぉうの数値が有効であるこおを示す。
　　　コネクション確率時の最初のSYNパケット以外は、必ず1でなければならない。
　　4bit：PSH
　　　このビットが1の場合、受信したデータを直ぐに上位のアプリケーションに渡す
　　　必要がある。0の場合にはすぐ渡さずバッファリングする事が出来る。
　　5bit：RST
　　　このビットが1の場合、コネクションが強制的に切断される。何らかの異常が検出
　　　された場合に利用する。
　　6bit：SYN
　　　コネクションの確立に使われる。このビットが1の場合、コネクション確率を要求
　　　すると共に、シーケンス番号に格納されている数字でシーケンス番号を初期化
　　　する。
　　7bit：FIN
　　　このビットが1の場合、以降送信するデータが無い事を示す。通信が終了し、
　　　コネクションを切断したい場合に使用する。
　・ウィンドウサイズ
　　16ビット長で、ウィンドウサイズを示します。ウィンドウサイズとは一度に受信
　　できるデータ量です。確認応答番号で示した位置から、受信可能なオクテット数を
　　示します。TCPでは、ここに示されているデータ量を超えて送る事は許されません。
　・チェックサム
　　16ビット長でTCPヘッダとデータが破壊することを保証するためのチェックサムを
　　示します。チェックサム計算時には、IPアドレスを含むTCP疑似ヘッダを使用しま
　　す。TCPではチェックサムは省略できません。
　・緊急ポインタ
　　コントロールフラグでURGフラグが1の場合に有効になる、緊急を要するデータの
　　格納場所を示すポインタです。データ領域の先頭から、この緊急ポインタで示される
　　数値分のオクテット数のデータが緊急を要するデータとなります。
　・オプション
　　TCPによる通信の性能を向上させるために設定します。最大セグメント長（MSS：
　　Maximum Segment Size）を決定することや、セグメントが「歯抜け状態」で
　　届いた時、複数の確認応答を返すことができる選択確認応答（SACK：Selective
　　ACKnowledgement）を利用することなどが可能です。

◆TCPの管理
　TCPはコネクション型通信を行いますが、その為に必要なのは通信相手との間でコネクション確率を、通信が終わったらコネクション開放を行う事です。

　①クライアントは、最初のパケットでコントロールフラグのSYNを立ててコネクション
　　の確立をサーバー側に要求します。

　②サーバはSYNに対して確認応答であるACKとSYNを立てた返信を行います。

　➂クライアントはサーバからのSYNに対するACKを返し、コネクションが確立します。

　上記一覧のコネクションの手続きを３ウェイハンドシェイクと言います。またこねくしょの解放は以下の流れとなります。

　①コネクションを切断する側で、相手先に対してFINフラグを立てたパケットを
　　送ります。

　②FINを受け取った相手側はACKを返送します。ただしFINを受け取った側では、直ぐに
　　FINを送る必要はなく、自分側でも送るデータが無くなった時にFINを相手側に送り
　　ます。

　➂そしてそのFINを受け取った側がACKを返信した時点で、コネクションは開放
　　されます。

　上記がコネクション開放の手続きですが、コネクション開放持には４パケットの通信が必要になります。
　またTCPでは信頼性を提供するために、パケットの喪失（パケットロス）や重複、順序の入れ替わりなどをシーケンス番号と確認応答番号で行い、ウィンドウ制御によいパケットの順序を管理します。具体的にはパケットロスが検知された時には、再送処理が行われます。

◆TCPコネクションの範囲
　TCPコネクションは、基本的に通信を行う相手との間で確立しますが、この「通信を行う相手」とは、最終的な目的の相手ではなく、中継転送される場合には、その為に通信する相手ホストとなります。例えばPCとインターネットを経由してサーバに接続に行く場合、PCからサーバにコネクションを確立するのではなく、PCの直上にあるルータ等の中継装置との間でコネクションは確立され、ルータはその先のネットワーク機器との間でコネクションを確立。その様にして最終的なサーバまでパケットは送信されていきます。