Телематика

 

 

 

 

 

Протокол SCTP

Реферат по дисциплине

«Телематика»

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

Оглавление

 

 

 

 

 

Введение

 

SCTP (англ. Stream Control Transmission Protocol — «протокол передачи  с управлением потоком»), протокол  транспортного уровня в компьютерных сетях, появившийся в 2000 году в IETF. RFC 4960 описывает этот протокол, а RFC 3286 содержит техническое вступление к нему.

Как и любой  другой протокол передачи данных транспортного  уровня, SCTP работает аналогично TCP или UDP . Будучи более новым протоколом, SCTP имеет несколько нововведений, таких как многопоточность, защита от SYN-flood атак, синхронное соединение между двумя хостами по двум и более независимым физическим каналам (multi-homing).

SCTP представляет  собой unicast-протокол, который обеспечивает обмен данными между двумя конечными точками. Отметим, что каждая из этих точек может быть представлена более чем 1 адресом IP. Протокол SCTP обеспечивает гарантию доставки, детектирование случаев отбрасывания данных, изменения порядка доставки, повреждения или дублирования данных, а также повторную передачу пакетов при возникновении необходимости. Обмен данными по протоколу SCTP происходит в полнодуплексном режиме. Работа SCTP основана на обмене сообщениями и протокол поддерживает кадрирование границ отдельных сообщений. Протокол TCP ориентирован на обмен байтами и не хранит никаких неявных структур в передаваемых потоках данных. Скорость передачи по протоколу SCTP может адаптироваться подобно тому, как это происходит в TCP, — в зависимости от загрузки сети. Протокол SCTP может использоваться одновременно с TCP на общих каналах передачи данных.

1.Структура пакета

 

SCTP пакеты имеют  более простую структуру, чем  пакеты TCP. Каждый пакет состоит  из двух основных разделов:

Общий заголовок, который занимает первые 12 байт. Блоки данных, которые занимают оставшуюся часть пакета. Каждый блок имеет идентификатор типа, занимающий один байт. Таким образом, возможно определение не более 255 различных типов блоков. RFC 4960 определяет список типов блоков, всего на данный момент определено 15 типов. Остальная часть блока состоит из поля длины размером в 2 байта (максимальная длина, которя может содержаться в данном поле, равна 65535 байтам) и, собственно, данных. Если размер блока не кратен 4-м байтам, то он заполняется нулями до размера, кратного 4-м байтам.

2.Формирование кадров сообщения

 

При формировании кадров сообщения обеспечивается сохранение границ сообщения в том виде, в  котором оно передается сокету; это  означает, что если клиент посылает серверу 100 байт, за которыми следуют 50 байт, то сервер воспринимает 100 байт и 50 байт за две операции чтения. Точно так же функционирует протокол UDP, это является особенностью протоколов, ориентированных на работу с сообщениями.

В противоположность им протокол TCP обрабатывает неструктурированный поток байт. Если не использовать процедуру формирования кадров сообщения, то узел сети может получать данные по размеру больше или меньше отправленных. Такой режим функционирования требует, чтобы для протоколов, ориентированных на работу с сообщениями и функционирующих поверх протокола TCP, на прикладном уровне был предоставлен специальный буфер данных и выполнялась процедура формирования кадров сообщений (что потенциально является сложной задачей).

Протокол SCTP обеспечивает формирование кадров при передаче данных. Когда узел выполняет запись в сокет, его корреспондент с гарантией получает блок данных того же размера.

3.Поддержка множества потоков в SCTP

 

Название протокола SCTP обусловлено его многопотоковой природой передачи данных. Поддержка множества одновременных потоков позволяет распределить между этими потоками передаваемую информацию так, чтобы каждый из потоков обеспечивал независимую упорядоченную доставку данных. При потере сообщения в любом из потоков это оказывает влияние лишь на данный поток, не затрагивая работу других потоков данных.

Протокол TCP работает с одним потоком данных и обеспечивает для такого потока сохранение порядка  доставки байтов из потока. Такой подход удобен для доставки файлов или записей, но он может приводить к дополнительным задержкам при потере информации в сети или нарушении порядка доставки пакетов. При возникновении таких ситуаций протокол TCP должен дожидаться доставки всех данных, требуемых для восстановления порядка.

Для многих приложений строгое сохранение порядка доставки не является обязательным. В системах передачи телефонной сигнализации достаточно поддерживать порядок передачи для  последовательности сообщений, которые  воздействуют на один ресурс (например, для одного вызова или одного канала). Остальные сообщения слабо коррелируют между собой и могут доставляться с нарушением порядка.

Другим примером является возможность использования  множества потоков для доставки multimedia-документов (например, web-страниц) в рамках одной сессии. Поскольку такие документы состоят из разнотипных объектов разных размеров, многопотоковая доставка таких компонент не требует строгой упорядоченности. Однако использование множества потоков при доставке существенно повышает для потребителей привлекательность сервиса. В то же время транспорт в рамках одного соединения SCTP обеспечивает единый механизм управления потоком и контроля насыщения, что существенно снижает нагрузку на транспортный уровень.

Протокол SCTP поддерживает многопотоковую передачу за счет устранения зависимости между передачей и доставкой данных. В частности, каждый блок полезной информации типа DATA (данные) использует два набора порядковых номеров. Номер TSN (Transmission Sequence Number — порядковый номер при передаче) управляет передачей сообщений и детектированием их потери, а пара «идентификатор потока Stream ID — номер SSN (Stream Sequence Number — порядковый номер потока)» используется для управления порядком доставки потребителю полученных данных.

Такая независимость механизмов нумерации позволяет получателю незамедлительно обнаруживать пропуски данных (например, в результате потери сообщения), а также видеть влияние потерянных данных на поток. Утрата сообщения вызывает появление пропуска в порядковых номерах SSN для потока, на который это сообщение оказывает влияние и не вызывает такого пропуска для других потоков. Следовательно, получатель может продолжать доставку незатронутых потоков, не дожидаясь повтора передачи утраченного сообщения.

4.Многопоточность

 

TCP управляет последовательностью байт: данные, посланные приложением-отправителем, должны поступать приложению-получателю строго в том же порядке (в то время как протокол IP способен поменять последовательность пакетов; кроме того, пропавшие пакеты посылаются повторно и обычно прибывают к получателю с нарушением последовательности; для борьбы с этими явлениями данные накапливаются в буфере). SCTP может транспортировать данные между двумя точками одновременно по нескольким потокам сообщений. В противоположность к TCP, SCTP обрабатывает целые сообщения, а не обычные байты информации. Это означает, что если отправитель отсылает серверу сообщение, состоящее из 100 байт за первый шаг, а за ним ещё 50 байт, то получатель за первый шаг получит именно первые 100 байт в первом сообщении, а только затем и только 50 байт на второй операции чтения из сокета.

В протоколе TCP возможна ситуация частичного закрытия соединения, когда один узел закончил передачу данных (выполнив посылку  пакета FIN), но продолжает принимать  данные по этому соединению. Другой узел может продолжать передавать данные до тех пор, пока сам не проведёт закрытие соединения на своей стороне. Состояние частичного закрытия используется приложениями крайне редко, поэтому разработчики протокола SCTP посчитали нужным заменить его последовательностью сообщений для разрыва существующей ассоциации. Когда узел закрывает свой сокет (посылает сообщение SHUTDOWN), оба корреспондента должны прекратить передачу данных, при этом разрешается лишь обмен пакетами, подтверждающими прием ранее отправленных данных.

Термин «многопоточность» (англ. multi-streaming) обозначает способность SCTP параллельно передавать по нескольким независимым потокам сообщений. Например, мы передаем несколько фотографий через HTTP-приложение (например, браузер). Можно использовать для этого связку из нескольких TCP-соединений, однако также допустимо SCTP-ассоциация (англ. SCTP-association), управляющее несколькими потоками сообщений для этой цели.

TCP достигает правильного  порядка байт в потоке, абстрактно назначая порядковый номер каждой отосланной единице, а упорядочивая принятые байты, используя назначенные порядковые номера, по мере их пребывания. С другой стороны, SCTP присваивает различные порядковые номера сообщениям, посылаемым в конкретном потоке. Это разрешает независимое упорядочивание сообщений по разным потокам. Так или иначе, многопоточность является опцией в SCTP. В зависимости от желаний пользовательского приложения, сообщения могут быть обработаны не в порядке их отправления, а в порядке их поступления.

5. Поддержка многодомных хостов в SCTP

 

Другим важным качеством SCTP является поддержка многодомных  хостов, позволяющая создавать конечные точки SCTP с множеством IP-адресов. Поддержка  многодомных хостов повышает уровень  «живучести» сессий в случаях возникновения сбоев в сети. В традиционных однодомных сеансах отказ в соединении с ЛВС может изолировать конечную точку, а сбой в работе магистральной сети может привести к временным проблемам на транспортном уровне, пока протокол маршрутизации IP не найдет пути в обход сбойного участка. При использовании многодомных узлов SCTP могут быть организованы резервные (избыточные) соединения с ЛВС и поддерживаются различные варианты преодоления сложностей, связанных с отказами в магистральных сетях. Использование адресов с различными префиксами может обеспечить автоматическую маршрутизацию пакетов к другому оператору. Можно использовать методы route-pinning или даже резервировать соединения с магистральными сетями, если обеспечивается контроль над сетевой архитектурой и протоколами.

Действующий вариант SCTP не поддерживает распределения нагрузки (load sharing), поэтому многодомные хосты обеспечивают лишь избыточность соединений для повышения уровня надежности. Один из адресов многодомного хоста указывается в качестве основного (primary) и используется как адрес получателя для всех блоков DATA при нормальной передаче. При передаче повторных блоков DATA используется один из дополнительных адресов с целью повышения вероятности доставки в конечную точку. При повторяющихся неоднократно повторах передачи принимается решение об отправке всех блоков DATA с использованием альтернативного адреса, пока системе мониторинга не удастся увидеть доступность основного адреса.

Для поддержки  множества интерфейсов конечные точки SCTP обмениваются списками своих  адресов в процессе создания ассоциации. Каждая из конечных точек должна быть способна принимать сообщения с любого адреса, связанного с удаленным партнером; на практике некоторые ОС могут использовать в пакетах циклический перебор адресов отправителя и в таких случаях прием пакетов с различных адресов является нормальной ситуацией. Для всего списка адресов конечной точки в данной сессии используется один номер порта.

Для повышения  уровня безопасности требуется, чтобы  некоторые отклики передавались по адресу, указанному в поле отправителя  сообщения, вызвавшего отклик. Например, когда сервер получает блок INIT от клиента для инициирования SCTP-ассоциации, сервер всегда будет передавать блок INIT ACK по адресу отправителя в заголовке IP блока INIT.

6.Безопасное установление соединения

 

Создание нового подключения в протоколах TCP и SCTP происходит при помощи механизма подтверждения (квитирования) пакетов. В протоколе TCP данная процедура получила название трехэтапное квитирование (three-way handshake). Клиент посылает пакет SYN (сокр. Synchronize). Сервер отвечает пакетом SYN-ACK (Synchronize-Acknowledge). Клиент подтверждает прием пакета SYN-ACK пакетом ACK. На этом процедура установления соединения завершается.

Протокол TCP имеет  потенциальную уязвимость, обусловленную  тем, что нарушитель, установив фальшивый IP-адрес отправителя, может послать серверу множество пакетов SYN. При получении пакета SYN сервер выделяет часть своих ресурсов для установления нового соединения. Обработка множества пакетов SYN рано или поздно, затребует все ресурсы сервера и сделает невозможным обработку новых запросов. Такой вид атак называется «отказ в обслуживании» (Denial of Service (DoS)).

Протокол SCTP защищен  от подобных атак с помощью механизма  четырехэтапного квитирования (four-way handshake) и вводом маркера (cookie). По протоколу SCTP клиент начинает процедуру установления соединения посылкой пакета INIT. В ответ сервер посылает пакет INIT-ACK, который содержит маркер (уникальный ключ, идентифицирующий новое соединение). Затем клиент отвечает посылкой пакета COOKIE-ECHO, в котором содержится маркер, посланный сервером. Только после этого сервер выделяет свои ресурсы новому подключению и подтверждает это отправлением клиенту пакета COOKIE-ACK.

Безопасность. SCTP был разработан с некоторыми функциями позволяющими повысить безопасность, такими как «4-х кратное рукопожатие» (по сравнению с «трёхкратным рукопожатием» в TCP), чтобы предотвратить SYN-flood атаки, и больших Cookie для проверки подлинности ассоциации.

Надежность  была одним из ключевых аспектов разработки безопасности протокола SCTP. Multi-homing позволяет ассоциации оставаться открытой, даже если некоторые используемые маршруты и интерфейсы стали недоступны. Это имеет особое значение для SIGTRAN, который используя SCTP, передаёт сообщения и сервисы протоколов ОКС-7 поверх IP сети, что требует сильной устойчивости во время отключений линков для поддержания телекоммуникационных услуг, даже при серьёзных аномалиях в сети.Шифрование не является частью оригинального дизайна SCTP. В некоторых случаях SCTP является хорошим кандидатом для проверки на прочность стэка TCP/IP (англ.). Причиной для этого является тот факт, что некоторые операционные системы распространяются с поддержкой протокола SCTP, но ввиду его слабой известности (по сравнению с TCP или UDP), администраторы иногда забывают настроить в брандмауэре обнаружения вторжений, что даёт возможности для сканирования трафика.

7.Поэтапное завершение передачи данных