Three-way handshake

del artículo de Microsoft:
Explanation of the Three-Way Handshake via TCP/IP

El nivel del protocolo de transporte comprendido en TCP (transport control protocol) es orientado a conexión; lo que significa que antes de poder transmitir datos, se debe obtener una conexión confiable y reconocida (con acknowledge). Las transmisiones de datos a nivel TCP, los establecimientos de conexión y terminación de conexión, mantienen parámetros específicos de control que gobiernan el proceso completo. Los bits de control son:

• URG: Urgent Pointer field significant
• ACK: Acknowledgement field significant
• PSH: Push Function
• RST: Reset the connection
• SYN: Synchronize sequence numbers
• FIN: No more data from sender

Hay dos escenarios donde un proceso de three-way handshake tendrá lugar:

• Estableciendo una conexión (apertura activa)
• Terminando una conexión (cierre activo)

La información de muestra fue obtenida de un captura de un Monitor de red (analizador de protocolos que puede obtenerse de un Microsoft Systems Management Server).

Estableciendo una conexión

La siguiente secuencia muestra el proceso de una conexión de TCP siendo establecida:

Frame1:

Como podemos ver en el primer frame, el cliente NTW3 envía un segmento SYN (TCP…S); esto es una petición al servidor para sincronizar los números de secuencia. Especifica el número de secuencia inicial (ISN) que se incrementa por 1 (8221821+1=8221822) y es enviado al servidor. Para iniciar una conexión, el cliente y el servidor deben sincronizar sus respectivos números de secuencia. También hay una opción para el tamaño máximo de segmento (MSS) que debe acordarse, y se define en la longitud (length, len: 4). Esta opción comunica el tamaño máximo de segmento que el transmisor quiere recibir. El campo de reconocimiento o acuse de recibo (acknowledge, ack: 0) se fija en cero porque es la primera parte del proceso de three-way handshake.
[sourcecode language='css']
1 2.0785 NTW3 --> BDC3 TCP ....S., len: 4, seq: 8221822-8221825, ack: 0,
win: 8192, src: 1037 dst: 139 (NBT Session) NTW3 --> BDC3 IP

TCP: ....S., len: 4, seq: 8221822-8221825, ack: 0, win: 8192, src: 1037
dst: 139 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x040D
TCP: Destination Port = NETBIOS Session Service
TCP: Sequence Number = 8221822 (0x7D747E)
TCP: Acknowledgement Number = 0 (0x0)
TCP: Data Offset = 24 (0x18)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x02 : ....S.

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...0.... = Acknowledgement field not significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......1. = Synchronize sequence numbers
TCP: .......0 = No Fin

TCP: Window = 8192 (0x2000)
TCP: Checksum = 0xF213
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)
TCP: Options

TCP: Option Kind (Maximum Segment Size) = 2 (0x2)
TCP: Option Length = 4 (0x4)
TCP: Option Value = 1460 (0x5B4)

TCP: Frame Padding

00000: 02 60 8C 9E 18 8B 02 60 8C 3B 85 C1 08 00 45 00 .`.....`.;....E.
00010: 00 2C 0D 01 40 00 80 06 E1 4B 83 6B 02 D6 83 6B .,..@....K.k...k
00020: 02 D3 04 0D 00 8B 00 7D 74 7E 00 00 00 00 60 02 .......}t~....`.
00030: 20 00 F2 13 00 00 02 04 05 B4 20 20 .........

[/sourcecode]
Frame 2:

En el segundo frame, el servidor BDC3 envía un ACK y un SYN en este segmento (TCP .A..S.) En este segmento el servidor está acusando de recibida la petición del cliente para sincronizar. Al mismo tiempo, el servidor también envía su petición al cliente para sincronizar sus números de secuencia. Hay una diferencia importante en este segmento. El servidor transmite un número de acuse (acknowledgement number 8221823) al cliente. El acknowledgement es sólo la prueba para que el cliente sepa que el ACK es la respuesta al SYN que el cliente inició. El proceso de acuse de recibo que el cliente requirió permite al servidor incrementar el número de secuencia del cliente por uno y lo usa como su número de acknowledgement.

[sourcecode language='css']
2 2.0786 BDC3 --> NTW3 TCP .A..S., len: 4, seq: 1109645-1109648, ack:
8221823, win: 8760, src: 139 (NBT Session) dst: 1037 BDC3 --> NTW3 IP

TCP: .A..S., len: 4, seq: 1109645-1109648, ack: 8221823, win: 8760,
src: 139 (NBT Session) dst: 1037

TCP: Source Port = NETBIOS Session Service
TCP: Destination Port = 0x040D
TCP: Sequence Number = 1109645 (0x10EE8D)
TCP: Acknowledgement Number = 8221823 (0x7D747F)
TCP: Data Offset = 24 (0x18)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x12 : .A..S.

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......1. = Synchronize sequence numbers
TCP: .......0 = No Fin

TCP: Window = 8760 (0x2238)
TCP: Checksum = 0x012D
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)
TCP: Options

TCP: Option Kind (Maximum Segment Size) = 2 (0x2)
TCP: Option Length = 4 (0x4)
TCP: Option Value = 1460 (0x5B4)

TCP: Frame Padding

00000: 02 60 8C 3B 85 C1 02 60 8C 9E 18 8B 08 00 45 00 .`.;...`......E.
00010: 00 2C 5B 00 40 00 80 06 93 4C 83 6B 02 D3 83 6B .,[.@....L.k...k
00020: 02 D6 00 8B 04 0D 00 10 EE 8D 00 7D 74 7F 60 12 ...........}t`.
00030: 22 38 01 2D 00 00 02 04 05 B4 20 20 "8.-......

[/sourcecode]
Frame 3:
En el tercer frame, el cliente envía un ACK en el segmento (TCP .A….) y el cliente está confirmando la petición del servidor para sincronizar. El cliente usa el mismo algoritmo que el servidor implementó para dar un número de confirmación. La confirmación del cliente está completando el proceso de establecer una conexión confiable, a través del Three-Way Handshake.
[sourcecode language='css']
3 2.787 NTW3 --> BDC3 TCP .A...., len: 0, seq: 8221823-8221823, ack:
1109646, win: 8760, src: 1037 dst: 139 (NBT Session) NTW3 --> BDC3 IP

TCP: .A...., len: 0, seq: 8221823-8221823, ack: 1109646, win: 8760,
src: 1037 dst: 139 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x040D
TCP: Destination Port = NETBIOS Session Service
TCP: Sequence Number = 8221823 (0x7D747F)
TCP: Acknowledgement Number = 1109646 (0x10EE8E)
TCP: Data Offset = 20 (0x14)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x10 : .A....

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......0. = No Synchronize
TCP: .......0 = No Fin

TCP: Window = 8760 (0x2238)
TCP: Checksum = 0x18EA
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)
TCP: Frame Padding

00000: 02 60 8C 9E 18 8B 02 60 8C 3B 85 C1 08 00 45 00 .`.....`.;....E.
00010: 00 28 0E 01 40 00 80 06 E0 4F 83 6B 02 D6 83 6B .(..@....O.k...k
00020: 02 D3 04 0D 00 8B 00 7D 74 7F 00 10 EE 8E 50 10 .......}t....P.
00030: 22 38 18 EA 00 00 20 20 20 20 20 20 "8....

[/sourcecode]

Terminando una conexión

Aunque el proceso three-way handshake solo requiere 3 paquetes para ser transmitido sobre nuestro medio de red, la terminación de esta conexión confiable necesitará la transmisión de 4 paquetes. Debido a que una conexión TCP es Full Duplex (fluye información en cada dirección de manera independiente de la otra) cada dirección debe ser terminada de manera independiente.

Frame 4
En esta sesión de frames, podemos ver alcliente enviando un FIN que es acompañado por un ACK (TCP.A…F) Este segmento tiene dos funciones básicas; primero, cuando el parámetro FIN es fijado, informará al servidor que no hay más datos que enviar; segundo, el ACK es esencial para identificar la conexión específica que ellos establecieron.

[sourcecode language='css']
4 16.0279 NTW3 --> BDC3 TCP .A...F, len: 0, seq: 8221823-8221823,
ack:3462835714, win: 8760, src: 2337 dst: 139 (NBT Session) NTW3 --> BDC3
IP

TCP: .A...F, len: 0, seq: 8221823-8221823, ack: 1109646, win: 8760, src:
1037 dst: 139 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x040D
TCP: Destination Port = NETBIOS Session Service
TCP: Sequence Number = 8221823 (0x7D747F)
TCP: Acknowledgement Number = 1109646 (0x10EE8E)
TCP: Data Offset = 20 (0x14)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x11 : .A...F

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......0. = No Synchronize
TCP: .......1 = No more data from sender

TCP: Window = 8760 (0x2238)
TCP: Checksum = 0x236C
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)

00000: 00 20 AF 47 93 58 00 A0 C9 22 F5 39 08 00 45 00 . .G.X...".9..E.
00010: 00 28 9B F5 40 00 80 06 21 4A C0 5E DE 7B C0 5E .(..@...!J.^.{.^
00020: DE 57 09 21 05 48 0B 20 96 AC CE 66 AE 02 50 11 .W.!.H. ...f..P.
00030: 22 38 23 6C 00 00 "8#l..

[/sourcecode]
Frame 5:
Aquí no se ve nada especial, excepto el servidor confirmando el FIN que envió el cliente.


[sourcecode language='css']
5 16.0281 BDC3 --> NTW3 TCP .A...., len: 0, seq: 1109646-1109646,
ack: 8221824, win:28672, src: 139 dst: 2337 (NBT Session) BDC3 --> NTW3
IP

TCP: .A...., len: 0, seq: 1109646-1109646, ack: 8221824, win:28672, src:
139 dst: 2337 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x040D
TCP: Destination Port = NETBIOS Session Service
TCP: Sequence Number = 1109646 (0x10EE8E)
TCP: Acknowledgement Number = 8221824 (0x7D7480)
TCP: Data Offset = 20 (0x14)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x10 : .A....

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......0. = No Synchronize
TCP: .......0 = No Fin

TCP: Window = 28672 (0x7000)
TCP: Checksum = 0xD5A3
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)
TCP: Frame Padding

00000: 00 A0 C9 22 F5 39 08 00 02 03 BA 84 08 00 45 00 ...".9........E.
00010: 00 28 D2 82 00 00 3F 06 6B BD C0 5E DE 57 C0 5E .(....?.k..^.W.^
00020: DE 7B 05 48 09 21 CE 66 AE 02 0B 20 96 AD 50 10 .{.H.!.f... ..P.
00030: 70 00 D5 A3 00 00 90 00 01 00 86 00 p...........

[/sourcecode]
Frame 6
Después de recibir el paquete FIN desde el cliente, el servidor confirmará. Aún cuando TCP ha establecido conexiones entre esas dos computadoras, las conexiones son aún independientes una de otra; así que el servidor debe transmitir también un paquete FIN (TCP .A…F) al cliente.


[sourcecode language='css']
6 17.0085 BDC3 --> NTW3 TCP .A...F, len: 0, seq: 1109646-1109646, ack:
8221824, win:28672, src: 139 dst: 2337 (NBT Session) BDC3 --> NTW3 IP

TCP: .A...F, len: 0, seq: 1109646-1109646, ack: 8221824, win:28672, src:
139 dst: 2337 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x0548
TCP: Destination Port = 0x0921
TCP: Sequence Number = 1109646 (0x10EE8E)
TCP: Acknowledgement Number = 8221824 (0x7D7480)
TCP: Data Offset = 20 (0x14)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x11 : .A...F

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......0. = No Synchronize
TCP: .......1 = No more data from sender

TCP: Window = 28672 (0x7000)
TCP: Checksum = 0xD5A2
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)
TCP: Frame Padding

00000: 00 A0 C9 22 F5 39 08 00 02 03 BA 84 08 00 45 00 ...".9........E.
00010: 00 28 D2 94 00 00 3F 06 6B AB C0 5E DE 57 C0 5E .(....?.k..^.W.^
00020: DE 7B 05 48 09 21 CE 66 AE 02 0B 20 96 AD 50 11 .{.H.!.f... ..P.
00030: 70 00 D5 A2 00 00 02 04 05 B4 86 00 p...........

[/sourcecode]
Frame 7
El cliente responde en la misma manera que el servidor, confirmando el paquete de FIN que recibió e incrementando el número de secuencia por 1.
[sourcecode language='css']
7 17.0085 NTW3 --> BDC3 TCP .A...., len: 0, seq: 8221824-8221824, ack:
1109647, win: 8760, src: 2337 dst: 139 (NBT Session) NTW3 --> BDC3 IP

TCP: .A...., len: 0, seq: 8221824-8221824, ack: 1109647, win: 8760, src:
2337 dst: 139 (NBT Session)

TCP: Source Port = 0x0921
TCP: Destination Port = 0x0548
TCP: Sequence Number = 8221824 (0x7D7480)
TCP: Acknowledgement Number = 1109647 (0x10EE8F)
TCP: Data Offset = 20 (0x14)
TCP: Reserved = 0 (0x0000)
TCP: Flags = 0x10 : .A....

TCP: ..0..... = No urgent data
TCP: ...1.... = Acknowledgement field significant
TCP: ....0... = No Push function
TCP: .....0.. = No Reset
TCP: ......0. = No Synchronize
TCP: .......0 = No Fin

TCP: Window = 8760 (0x2238)
TCP: Checksum = 0x236B
TCP: Urgent Pointer = 0 (0x0)

00000: 00 20 AF 47 93 58 00 A0 C9 22 F5 39 08 00 45 00 . .G.X...".9..E.
00010: 00 28 BA F5 40 00 80 06 02 4A C0 5E DE 7B C0 5E .(..@....J.^.{.^
00020: DE 57 09 21 05 48 0B 20 96 AD CE 66 AE 03 50 10 .W.!.H. ...f..P.
00030: 22 38 23 6B 00 00 "8#k..

[/sourcecode]
El cliente confirmando la notificación de FIN del servidor identifica el cierre de una conexión de TCP.

Para mayor información, referirse al RFC793, el cual describe a fondo el proceso estandarizado de establecimiento de conexión de TCP.

Acknowledgments (acuse de recibo)

La entrega confiable de datos asegura la intergidad de un chorro de datos enviados de una máquina a otra a través de un enlace de datos totalmente funcional. Así se asegura que los datos no serán duplicados o perdidos.

Para ello se utiliza una técnica que requiere que la máquina receptora se comunique con la transmisora enviando un acuse de recibo cuando recibe los datos, ésto se llama possitive acknowledgement with retransmission. El transmisor documenta cada segmento de datos que envía y comienza un contador de tiempo, y reenvía el segmento en caso de que el contador termine y no se haya recibdo un acuse de recibo de parte del receptor.



En el ejemplo vemos como se envían 3 segmentos, y entonces el receptor contesta con un ACK, y se envían otros 3 segmentos, con una falla en el segmento 5, por lo que se envía un ACK pidiendo el segmento 5, que es enviado a continuación.

[caption id="" align="alignnone" width="511" caption="Transport layer reliable delivery"][/caption]

Comunicación Orientada a Conexión.

En una operación de transporte confiable donde un dispositivo quiere enviar una comunicación orientada a conexión, se debe comunicar con el dispositivo remoto para establecer una sesión. Este proceso se llama establecimiento de llamada (call set up o three-way handshake). Se transmiten los datos y entonces se hace una terminación de llamada para desprenderse del circuito virtual.

Las aplicaciones en ambas terminales le dicen a sus sistemas operativos que se va a iniciar una conexión. Los sistemas operativos se comunican enviando mensajes que dicen que la comunicación es aprobada y ambos lados están listos.




Mientras se lleva a cabo la transferencia, ambos hosts se comunican entre ellos periódicamente con sus protocolos para asegurar que todo funciona bien y se reciben los datos correctamente.



Los pasos del three-way handshake son:

Se envía un segmento de acuerdo de conexión que es una petición de sincronización.

Los segmentos segundo y tercero responden la petición (acknowledge o ACK) y establecen los parámetros de conexión o reglas entre los hosts. Entonces el receptor se sincroniza y se forma una conexión bidireccional.

El último segmento es un acknowledge también que le dice al host de destino que se acepta el acuerdo de conexión, y que la conexión actual se ha establecido, se comienza a transferir datos.

Se pueden presentar problemas en este proceso, por ejemplo cuando una computadora genera datos más rápido de lo que la red puede efectuar la transferencia, o porque varias computadoras envían sus segmentos al gateway para que sean enviados a un destino y se crean congestiones.

En los casos donde una computadora recibe demasiados segmentos que no puede procesar, los almacena en una parte de su memoria llamada buffer. Esto ayuda sólo si los datagramas son parte de una ráfaga pequeña, en caso de que se trate de una serie de datos más grande que el buffer, este se verá rebasado y comenzará a descartar los datos que recibe.

Pero una de las funciones de la los sistemas de control de la red ayuda aquí, en lugar de tirar el tráfico, los protocolos de transporte pueden decir no estoy listo, con lo que el transmisor se detiene en espera de una indicación para continuar, es un proceso similar a contar con un semáforo, con señales de alto y avance. Una vez que se procesa la información en el buffer, se envía un segmento al transmisor indicándole que puede enviar más información, y se comienza nuevamente con el envío.



Es importante notar que en una transferencia de datos orientada a conexión, los datagramas se reciben en el orden en que se envían, y si no es así, la comunicación falla. También si se pierde, se duplica o se daña un datagrama. Debido a esta razón se usa un acuse de recibo (acknowledge o ACK) que el receptor envía cada que recibe un segmento como confirmación.

Un servicio se considera orientado a conexión si cuenta con lo siguiente:

• Se establece un circuito virtual


• Se usa una secuencia


• Usa acuses de recibo (acknowledge)


• Usa control de flujo (Flow Control)

Los tipos de control de flujo son:

• Buffering


• Windowwing


• Congestion Avoidance

(más adelante en el blog)

Hay un post dedicado a explicar una captura de paquetes del 3-way handshake, y es la manera real en que opera.
http://ipref.blogspot.com/2009/03/three-way-handshake.html