TCP, UDP

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目次 †

概要 †

• TCP、UDPプロトコルについて説明する。
• 現在のWindowsネットワークでは、TCP、UDPプロトコルが標準的に使われている。
• 一般的なサービスやそのクライアント アプリケーションが使用するTCP、UDPのポート番号の一覧は、
  「%windir%\system32\drivers\etc\services」に記述されている。

UDPプロトコル †

• UDPは、IPアドレスを使用する「データグラム型通信」である。
  • 「データグラム型通信」は高速で、
  • １対１の通信機能（ユニキャスト）だけではなく
  • １対多の通信機能（ブロードキャスト、マルチキャスト）を提供できる。

• また、ステートレスなサービスを実装しやすいという特徴があるが、
  データが相手に届いたことが保証されないという欠点がある。

TCPプロトコル †

• TCPは、IPアドレスを使用する「コネクション型通信」である。
  • 「コネクション型通信」は、初めに通信する者同士がデータ送受信のための通信路（コネクション）を確保する。
  • 以後、このコネクションを使ってデータが正しく相手に届くことを保証し、通信が完了後にコネクションを閉じる 。

• TCP/IPのプロトコル スタック（トランスポート層）までの保証になるため、
  • トランザクション処理のような、アプリケーションがストレージに結果を書き込むまでの信頼性は保障されない。
  • 通信媒体上のエラーでデータが相手に届かなかったりデータにエラーがあったりすると、再送処理を行って正しいデータが相手に届くように努力する。
    • 一般的には、データを受けた側では必ず確認応答（以下、ACKと略す）を返信して、
      データの送受信が正しく処理されたことを相互に確認する。
    • これによって、エラーのない信頼性のある通信を実現している。
      そして、どうしてもデータを送信できなければアプリケーションに送信失敗という結果を返す。

詳細 †

TCPとUDPの比較 †

ヘッダ †

• 宛先IPアドレスはIPヘッダに、
• TCP, UDPヘッダにはポート番号が含まれる。

特徴 †

以下の表に、

• UDP: データグラム型通信
• TCP: コネクション型通信

の特徴をまとめた。

• UDP

• データグラム型通信

• 以下はアプリケーションで実装
  • パケット送信順に並べる
  • ロストしたパケットの再送要求など

• 誤り検出
  • チェックサム・ヘッダがある。
  • 誤り訂正はできない。
  • 誤り検出されたらパケット廃棄

• TCP

• コネクション型通信
  • トランスポート層以上の経路で確立される。
  • 3ウェイ・ハンドシェイク (SYN、SYN ACK、ACK)

• ウィンドウ制御
  TCPパケットを（ACKの確認なしで）連続して送信する

• ウィンドウサイズを大きく調整して、データを纏めて送信できる。
• ウィンドウサイズを小さく調整して、輻輳を回避できる。

• 誤り訂正
  チェックサム・ヘッダがある。

• フォワード誤り訂正（前方誤り訂正、自己誤り訂正
  受信側が誤り訂正する方式

• バックワード誤り訂正（後方誤り訂正、再送誤り訂正
  受信側が再送要求し、送信側が誤り訂正する方式

TCPプロトコルの伝送制御 †

TCPプロトコルの伝送制御方法について簡単に説明する。

• TCPでは、信頼性のある通信を実現するために、
  「相手にデータが届いたことをACKから必ず確認する」という手法を採用している。

• ACKにはアプリケーションは介在せず、TCP/IPのプロトコル スタックにより処理される。
• このような仕組みになっているため、上位アプリケーションはTCPプロトコルにおける伝送制御を意識することなく、
  信頼性のある「コネクション型通信」を利用することができる。

• また、TCPでは効率の悪い「コネクション型通信」の転送方法を改善するために「ウィンドウ制御」という方式を採用している。

ウィンドウ制御 †

• この方式により、
  • TCPパケットを（ACKの確認なしで）連続して送信することができるようになり、
  • 効率よく（ネットワークの帯域幅いっぱいまで）回線を利用できる。

• また、「ウィンドウ制御」では「シーケンス番号」と「ウィンドウ サイズ」（送受信用のバッファ）が重要な役割を果たす。
  • 「シーケンス番号」は「ウィンドウ サイズ」上のデータの位置を表し、パケットの到着順が前後しても問題無いように使用される。
  • また、「ウィンドウ サイズ」はデータの流れを許可したり禁止したりすることに使用される

• 「ウィンドウ制御」における「シーケンス番号」と「ウィンドウ サイズ」の役割は、下記のページを参考にできる。

• [参考]：@IT > 連載 > 基礎から学ぶWindowsネットワーク
  第14回 信頼性のある通信を実現するTCPプロトコル（その1）
  2.シーケンス番号とウィンドウ制御
  http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/baswinlan014/baswinlan014_03.html

TCPコネクションの状態 †

TCPプロトコルは「コネクション型通信」のプロトコルであり、このコネクションには種々の状態が存在する。

• TCPコネクションの状態の種類
  • TCPコネクションには下記の状態がある。
  • これは、現時点の状態がTCPコネクションの
    「オープン」 ⇒ 「通信経路の確保」 ⇒ 「クローズ」
    といったシーケンス中の何処にあるかを示すものである。

• 状態の状態遷移図
  • 次に、この状態の状態遷移図を示す。
  • ただし、コネクション終了要求（FIN）が重複し、
    FIN_WAIT_１の状態で先に相手からのFINを受け取った時の状態遷移は割愛した。

• TCPコネクションのオープン処理
  • TCPでコネクションを確立するためには、
    3つのTCPパケット（SYN、ACK / SYN、ACK）の送受信を行う。
  • これを「3ウェイ ハンドシェイク」という。
  • RST / ACKで接続を拒否することもある。

• TCPコネクションのクローズ処理
  クローズ処理では、TCPコネクションの両端のアプリケーションがそれぞれクローズを宣言するため、
  4つのTCPパケット（FIN*2、FIN ACK*2）を送受信することにより、TCPコネクションが終了する。

TCP,UDPの状態の確認（netstatコマンド） †

クライアントとサーバー †

• 一般的には
  • パッシブ オープン側がサーバ
  • アクティブ オープン側がクライアント

• しかし、TCP/IPは、本質的にはクライアント・サーバを区別しない。
  • コネクション確立後は、プログラムからクライアント・サーバを区別しないで、
    ソケットのストリーム バッファにデータを書き込むだけでデータの送受信が可能となる。
  • 余談：FTP（アクティブ モード）など、クライアント側がパッシブ オープンするというプロトコルもある。
    • クライアント側がパッシブ オープンし、
    • サーバ側が（クライアント側のリスニング ポートに対して）アクティブ オープンする。

TCPのチューニング †

新しいOSでは変更などもあるかも。

• Windows XP での TCP/IP と NBT の構成パラメータ
  http://support.microsoft.com/kb/314053/ja
  • TCPのチューニング パラメータ
    以下、Windows OSのレジストリ チューニング パラメータ を纏める。

• Window Scalingオプション（TCPウィンドウ拡大オプション）
  
  • TcpWindowSize?値を 65536以上に設定する場合に有効にする。
• Time Stampsオプション
  • TcpWindowSize?値を 65536以上に設定する場合に有効にする。
  • ただし、TCPヘッダが12バイト増加するため、実効データ帯域が1%近く減少する。

• チューニング例

• 一般的な、TCPのチューニング
  • 一般的な、TCPのチューニングとは、「帯域幅は大きいが、遅延の大きいネットワーク間のノードの通信で、ウィンドウ サイズ（RWIN） を拡張することで、
    「TCPプロトコルの伝送制御」で説明した、ACKのTCP制御パケットの数を削減し、性能を向上させる」というチューニング方法である。
  • RWINのサイズとは、相手側の確認応答（Ack）を待たずに一度に送信できるデータ サイズである。

• TCPのチューニングの要素
  

• ウィンドウ サイズ（RWIN）の値の計算方法
  ウィンドウ サイズ（RWIN）の値の計算方法については、以下の式を利用できる。

  回線速度 * pingが戻ってくる平均速度 = RWIN

  次に、回線速度、pingが戻ってくる平均速度の求め方を説明する。

• 回線速度
  「回線速度」は、以下の方法で求める。
  • pingコマンドを使用してサイズの大きいIPパケットを送信する
    （ここでは、50 KBのIPパケットを送信するように指定した。pingコマンドでは、最大65.5 KBのIPパケットを送信できる）。

    C:\Documents and Settings\Administrator>ping xxx.xxx.xxx.xxx -l 50000
    
    Pinging xxx.xxx.xxx.xxx with 50000 bytes of data:
    
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=50000 time=10ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=50000 time=10ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=50000 time=10ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=50000 time=10ms TTL=128
    
    Ping statistics for xxx.xxx.xxx.xxx:
        Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
    Approximate round trip times in milli-seconds:
        Minimum = 10ms, Maximum = 10ms, Average = 10ms

• 回線速度は、以下の式で求めることができるので、

  回線速度 ≒ データ サイズ / ( 所要時間 / 2 )

  この式に当て込んで、回線速度は、
  

  回線速度 = 50 (KB) / ( 10 / 2 ) (msec)
      = 50 / 5 (KB) / (msec)
      = 10 * (1,000 (byte)) / (( 1 / 1,000 ) (sec))
      = 10 * 1,000 * 1,000 (bps)
      = 10,000,000 (bps)
      = 10 (M bps)

  10M bpsと算出できる。
  
  確認のため、ファイル共有（SMB）を使用して、100MBのファイルの転送をテストしてみると良い。
  10秒程度で転送が完了すれば、pingを使用した方法でも回線速度が大方正しく測定できていることが確認できる。

• pingが戻ってくる平均速度
  「pingが戻ってくる平均速度」は、以下の方法で求める。
  • pingコマンドを使用して 1 パケット分のデータ（1,500 byte）を送信する。

    C:\Documents and Settings\Administrator>ping xxx.xxx.xxx.xxx -l 1500
    
    Pinging xxx.xxx.xxx.xxx with 1500 bytes of data:
    
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=1500 time=2ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=1500 time=2ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=1500 time=2ms TTL=128
    Reply from xxx.xxx.xxx.xxx: bytes=1500 time=2ms TTL=128
    
    Ping statistics for xxx.xxx.xxx.xxx:
        Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
    Approximate round trip times in milli-seconds:
        Minimum = 2ms, Maximum = 2ms, Average = 2ms

    この時のAverageの値である2ミリ秒が「pingが戻ってくる平均速度」となる。

• 上記の環境（100BASE-TXのローカル ネットワーク間のノードの通信）
  ● 回線速度 ：10 M bps
  ● pingが戻ってくる平均速度 ：2 m sec
  で必要なRWINの値は、

  回線速度 * pingが戻ってくる平均速度 = RWIN

  の計算方法式に当てはめ、次のようになる。

  RWIN = 10 ( MB / sec ) * 2 ( msec )
       = 10 * (1,000 (KB / sec)) * (( 2 / 1,000 ) (sec))
       = 10 * 1,000・( 2 / 1,000 ) ((KB / sec) (sec))
       = 10 * 2 ( KB )
       = 20 ( KB )
       = 20,000 ( byte )

• 結果
  • デフォルトのRWINの値は、65,535 byteであるため、帯域幅は大きいが、
    遅延の大きいネットワーク間のノードの通信でない限り、
    TCPのチューニング（RWINの拡張）は基本的に必要無い。
  • また、以下のチューニング ポイントも考慮する。
    ● RWINは、MSSの整数倍に設定する。
    ● パケット再送信が起きる場合は、RWINを1.5倍する。

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