بروتوكول التحكم في النقل أو الإرسال TCPTransmission Control Protocol TCP

بروتوكول التحكم بالنقل TCP: هو أحد أهم بروتوكولات الانترنت ويستخدم لنقل البيانات أو المعلومات بين جهازين عبر الشبكة ويوفر للتطبيق تدفق بايتات مرتبًا وموثوقًا باستخدام الإقرار وإعادة الإرسال عند اكتشاف الفقد أو التلف. قد يفشل الاتصال أو تنتهي المهلة؛ فلا يضمن التسليم في جميع الظروف.

وظيفة بروتوكول TCP:

تقسيم البيانات إلى حزم صغيرة: يقوم بروتوكول TCP بتقسيم البيانات الكبيرة إلى أجزاء أصغر تسمى المقاطع Segments، وتحملها حزم IP حتى تتم عملية النقل بسهولة.

تتبع البيانات وضمان وصولها بشكل صحيح: يقوم بروتوكول TCP بتتبع كل حزمة حتى يتأكد من وصولها إلى جهة الاستقبال الصحيحة وإن لم تصل إحدى الحزم يقوم بإعادة إرسالها مرة أخرى.

حدود الموثوقية والأمان: لا يوفر TCP التشفير أو التحقق من هوية الطرف الآخر بذاته؛ تستخدم بروتوكولات مثل TLS عند الحاجة إلى اتصال محمي.

دعم الأجهزة: تدعم أنظمة كثيرة TCP للإرسال والاستقبال، لكن اتصال جهاز بالشبكة لا يعني أن كل اتصالاته تستخدم TCP أو أنه يجب أن ينفذه.

1. الاتصال الموثوق Reliable Connection: يبدأ بروتوكول TCP الاتصال بعملية تُعرف باسم عملية ثلاثية الاتجاهات Three-Way Handshake لتبادل أرقام التسلسل وإنشاء حالة الاتصال، دون توفير التشفير بين جهازين على الشبكة.

2. تقسيم البيانات Data Segmentation: يقوم بروتوكول TCP بتقسيم البيانات إلى مقاطع صغيرة Segments قبل إرسالها عبر الشبكة، مما يساعد على ضمان وصول البيانات الكبيرة بشكل سليم إلى الجهاز المستقبل للبيانات.

3. نقل البيانات Data Transmission: قد تصل المقاطع إلى TCP المستقبل بترتيب مختلف؛ يعيد ترتيب البايتات قبل تسليمها إلى التطبيق، ويعيد المرسل الإرسال عند اكتشاف الفقد أو التلف.

4. التحقق من البيانات Data Verification: يقوم بروتوكول TCP بالتحقق من سلامة البيانات المرسلة باستخدام آليات أو طرق معينة، مثل استخدام الأرقام التسلسلية، وأكواد الفحص للمساعدة في كشف التلف واستعادة الفقد؛ لا تعد هذه الآليات حماية تشفيرية ولا ضمانًا لإكمال كل اتصال.

5. التدفق Flow Control: يتحكم بروتوكول TCP في معدل إرسال البيانات بين الجهازين لضمان عدم إغراق المستقبل بعدد كبير من الحزم في نفس الوقت.

6. إعادة التجميع Data Reassembly: عند استقبال الحزم، يقوم بروتوكول TCP على الجهاز المستقبل بإعادة تجميع تلك الحزم بالترتيب الصحيح لإعادة بناء البيانات الأصلية مرة أخرى.

7. إنهاء الاتصال Connection Termination: في الإغلاق المنظم ينهي كل طرف اتجاه إرساله باستخدام FIN وACK؛ قد تندمج رسائل الإقرار فلا تكون دائمًا أربع رسائل مستقلة، وقد ينقطع الاتصال باستخدام RST.

هذا تقسيم شائع لمجموعة TCP/IP إلى أربع طبقات، وليس طبقات لبروتوكول TCP وحده، وكل طبقة تتعامل مع وظيفة معينة في عملية نقل البيانات:

1. طبقة الوصول إلى الشبكة Link / Network Access Layer: تقوم هذه الطبقة بإدارة البنية الأساسية للشبكة التي يتصل بها أجهزة الكمبيوتر، وتشمل هذه الطبقة المكونات الأساسية مثل: برامج تشغيل الأجهزة، وبطاقات واجهة الشبكة، واتصالات إيثرنت من خلال الكابلات، والشبكات اللاسلكية.

2. طبقة الانترنت Internet Layer: تتولى طبقة الانترنت مسئولية تحديد حزم البيانات وإعطاء كل حزمة عنوان معين، والقيام بتوجيه تلك الحزم عبر الشبكة، والبروتوكول الأساسي لهذه الطبقة هو بروتوكول الانترنت IP وهو يحمل عناوين المصدر والوجهة ويدعم توجيه الحزم؛ أما تعيين العنوان فيتم بإعداد يدوي أو آليات مثل DHCP أو تهيئة IPv6.

3. طبقة النقل Transport Layer: تمكّن هذه الطبقة أجهزة الشبكة من نقل البيانات بشكل سليم ويتم إرسال هذه البيانات واستقبالها من البرامج الموجودة على الأجهزة المتصلة عبر نفس الشبكة.

4. طبقة التطبيقات Application Layer: هذه الطبقة توفر الدعم لبعض الخدمات والتطبيقات على الجهاز المرسل والمستقبل، وتشمل هذه الطبقة بروتوكولات متنوعة مثل بروتوكول نقل الملفات FTP، وبروتوكول نقل البريد البسيط SMTP، وبروتوكول نقل النصوص التشعبية HTTP.

المنفذ Port: هو مجرد رقم يُضاف إلى عنوان IP للمساعدة في تحديد نوع الخدمة أو التطبيق الذي يتم توجيه البيانات إليه من الجهاز المُرسِل إلى الجهاز المُستلم. وتعمل فكرة المنافذ مثل الأبواب المختلفة في المبنى؛ كل باب يؤدي إلى غرفة مختلفة (تطبيق أو خدمة مختلفة) داخل نفس المبنى (الجهاز).

لماذا نحتاج المنافذ:

• لتمييز الخدمات: تساعد المنافذ في تحديد الخدمة التي يجب أن تذهب إليها البيانات المُرسَلة، حيث يمكن تشغيل تطبيقات وخدمات متعددة مثل البريد الإلكتروني، ومستعرض الويب، ونقل الملفات.
• التوجيه السليم: عندما يُرسل جهاز ما إلى جهاز آخر بعض البيانات، يستخدم رقم المنفذ لتوجيه تلك البيانات إلى التطبيق الصحيح على الجهاز المُستقبل بطريقة صحيحة.

أرقام المنافذ:

أرقام المنافذ لها نطاق رقمي: الأرقام تتراوح بين 0 و65535، ولا يلزم رقم فريد عالميًا لكل تطبيق؛ يتميز اتصال TCP بزوج عنوان/منفذ لكل طرف، ويمكن لخادم واحد خدمة اتصالات عديدة على منفذ الاستماع نفسه.

تصنيف النطاق للمنافذ:

•  منافذ النظام System / Well-Known Ports: وتبدأ من 0 إلى 1023 وتستخدمها الخدمات المعروفة، مثل:

منفذ 80: يستخدم لخدمة HTTP تصفح الويب العادي.

منفذ 443: يستخدم لخدمة HTTPS تصفح الويب الآمن.

منفذ 25: يستخدم لبروتوكول البريد الإلكتروني SMTP.

• منافذ المستخدم User / Registered Ports: هذه المنافذ تبدأ من 1024 إلى 49151 ويمكن تخصيصها لتطبيقات أو خدمات مختلفة.
• المنافذ الديناميكية/الخاصة: المنافذ تبدأ من 49152 إلى 65535 وتستخدم عادة للجلسات المؤقتة وتكون غير محجوزة.

طريقة استخدام المنافذ في الاتصال:

إرسال البيانات: عندما يتم إرسال بيانات معينة من الجهاز من تطبيق معين مثل المتصفح فإن المتصفح يرسل طلبًا إلى خادم ويب web server، فإن البيانات تحتوي على عنوان IP للجهاز المستقبل ورقم المنفذ (عادةً المنفذ 80 أو 443 للويب).

استقبال البيانات: يستطيع الخادم تحديد الخدمة الموجه إليها الطلب عن طريق رقم المنفذ، ثم يقوم بمعالجة الطلب وإرسال الرد إلى جهاز المستخدم باستخدام المعلومات التي أرسلها إليه.

TCP و IP هما بروتوكولات منفصلة تعمل معًا لتقديم العنونة والتوجيه والنقل الموثوق إلى الوجهة المقصودة عبر الشبكة، دون تشفير تلقائي.

• بروتوكول الانترنت IP: يحمل هذا البروتوكول عناوين المصدر والوجهة في حزم الشبكة. يخص عنوان IP واجهة اتصال ضمن نطاقها، وقد توجد عدة عناوين للجهاز ويستخدم لتوجيه البيانات عبر الأجهزة، ودور هذا البروتوكول هو تحديد عنوان الجهاز الذي يجب أن تُرسل إليه البيانات.

• بروتوكول التحكم بالنقل TCP: الدور الأساسي لهذا البروتوكول هو نقل البيانات عبر الشبكة باستخدام آليات فنية مثل تقسيم البيانات Segmentation، والترقيم والإقرار وإعادة الإرسال؛ أما توجيه حزم IP فوظيفة طبقة الإنترنت، والتشفير يحتاج إلى بروتوكول إضافي مثل TLS. تُسلّم البيانات إلى التطبيق المستقبل بالترتيب عند نجاح الاتصال، حيث يقوم  هذا البروتوكول بتقسيم البيانات إلى حزم، وإرسالها، وإعادة تجميعها عند الجهاز المستقبل، والتحقق من استلامها دون فقدان أو تكرار.

• عملهما معًا TCP/IP: يعملان معًا لضمان الاتصال الموثوق بين الأجهزة عبر الشبكات، فعنوان IP مثل رقم الهاتف الذي يُحدد بأي الهواتف سوف تتصل، وTCP هو التكنولوجيا الحاسوبية التي تجعل الهاتف يتمكن من إجراء المكالمة.

 مكونات شبكة TCP/IP:

• Subnet Mask: هو قناع IPv4 يحدد بتات جزء الشبكة وجزء المضيف في العنوان؛ ليس بروتوكولًا، ولا رسالة تصف جهاز المرسل.

• ترجمة عناوين الشبكة Network Address Translation: NAT آلية لترجمة العناوين، وقد تترجم المنافذ أيضًا، وتتيح مشاركة عنوان عام بين اتصالات متعددة. ليست محاكاة جهاز افتراضي ولا بديلًا عن جدار الحماية أو التشفير.

• بروتوكول نقل النصوص Hypertext Transfer Protocol: يتعامل HTTP مع الاتصال بين خادم الويب  web server ومتصفح الويب web browser.

• بروتوكول نقل النصوص الآمن Hypertext Transfer Protocol Secure: بروتوكول HTTPS يتعامل مع الاتصال الآمن بين خادم الويب web server ومتصفح الويب web browser.

• بروتوكول نقل الملفات File Transfer Protocol: يستخدم بروتوكول FTP في عمليات نقل الملفات بين أجهزة الكمبيوتر.

• نظام أسماء المجالات Domain Name System: يترجم بروتوكول DNS أسماء المجالات أو النطاقات الدومين إلى عناوين IP.

• بروتوكول نقل البريد البسيط Simple Mail Transfer Protocol: يستخدم SMTP لاتصالات البريد الإلكتروني وهو يستخدم لإرسال وتسليم رسائل البريد؛ أما قراءة صندوق البريد فعادة عبر IMAP أو POP3 أو تطبيق ويب.

• بروتوكول بيانات المستخدم User Datagram Protocol: هو بروتوكول يوفر نقل datagrams دون إقرار أو إعادة إرسال مدمجين؛ قد يقلل التأخير لبعض التطبيقات، لكنه ليس أسرع دائمًا، ويُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات مثل بث الفيديو والألعاب عبر الانترنت.

المصافحة الثلاثية TCP Handshake هي خطوات يستخدمها بروتوكول TCP لإنشاء اتصال بين جهازين عبر الشبكة، وهذه العملية تتم بثلاث خطوات رئيسية وهي [ SYN - SYN/ACK - ACK ] والخطوات بالترتيب هي:

• الخطوة الأولى: وهي إرسال طلب Synchronize وتعرف هذة العملية بـ SYN عندما يأمر المستخدم جهاز الكمبيوتر الشخصي الخاص به ليقوم بإنشاء اتصال مع جهاز آخر مثل خادم الويب.
  
  كيف تتم عملية SYN؟
  بدء الاتصال بالخادم: يقوم جهاز المستخدم [ العميل/Client ] صاحب عنوان الـ IP مثلًا 192.168.1.3 ببدء الاتصال بالخادم server صاحب عنوان الـ IP مثلًا 199.55.7.9، ويبدأ بإرسال حزمة [ SYN [ Synchronize.
  إرسال رسالة SYN: يقوم جهاز المستخدم بإرسال رسالة SYN إلى الجهاز المستقبل وهو الخادم، وتشير الرسالة إلى رغبة جهاز المستخدم في تأسيس اتصال مشترك.
  شكل الرسالة: تحتوي الرسالة على رقم تسلسل ابتدائي sequence number، نختار له هنا قيمة توضيحية، مثل: SYN = 2000.
  الطلب : يخبر  جهاز المستخدم [ العميل/Client ] الخادم server "أريد بدء اتصال من نوع SYN".
  
  

• الخطوة الثانية عملية SYN-ACK: رد الجهاز المستقبل وهو الخادم server بالتأكيد والتزامن وتسمى هذه العملية بـ Synchronize Acknowledgment وهذا هو الاختصار SYN-ACK وتتم عند استلام الخادم رسالة SYN.
  
  كيف تتم عملية SYN-ACK؟
  استلام حزمة SYN: الخادم server صاحب عنوان الـ IP مثلًا 199.55.7.9 يحصل على الحزمة الأولى من النوع SYN من جهاز المستخدم [ العميل/Client ] صاحب عنوان الـ IP مثلًا 192.168.1.3 فيلاحظ فيها طلب الاتصال مع رقم تسلسلي مثلًا 2000.
  تحضير حزمة للرد SYN-ACK: يقوم الخادم server بإعداد حزمة جديدة من النوع SYN-ACK.
  محتوى الرسالة: الخادم يحدد حزمة تشمل رقم تسلسلي جديد Sequence Number ورقم الإقرار Acknowledgment Number وقبول العملية، يختار الخادم هنا رقم تسلسل ابتدائي1000؛ ويقر برقم2001 لأن SYN الذي رقمه2000 يستهلك موضعًا واحدًا في فضاء التسلسل، لا لأن الرقم1 رمز قبول.
  شكل الرسالة: SYN/ACK: Sequence Number = 1000، Acknowledgment Number = 2001.

• الخطوة الثالثة: تأكيد على التأكيد ACK وهي بمجرد استلام جهاز المستخدم [ العميل/Client ] المرسل رسالة SYN-ACK يقوم بإرسال رسالة ACK أخيرة للخادم لتأكيد استلام رقم التسلسل SYN الخاص به وأنه يمكنه بدء نقل البيانات.
  
  كيف تتم عملية ACK؟
  رد جهاز المستخدم [ العميل/Client ]: على خادم الويب "لقد استلمت تأكيدك الآن نحن على استعداد لتبادل البيانات".
  شكل الرسالة: ACK: Sequence Number = 2001، Acknowledgment Number = 1001.

ما يحدث بعد المصافحة TCP Handshake بعد إتمام المصافحة يتم تبادل البيانات بسهولة بين الجهازين وفق خدمة TCP الموثوقة، مع إضافة TLS إذا كانت السرية والتحقق من الهوية مطلوبين ثم بعد ذلك يتم إنهاء الاتصال وتسمى هذه العملية بـ FIN و ACK، وتتم هذه العملية عند الإغلاق المنظم لكل اتجاه؛ أما فشل الشبكة فقد يمنع إكمال النقل.

مقدمة TCP أو TCP Header: هي جزء البداية من حزمة البيانات في بروتوكول التحكم بالنقل TCP وتحتوي على معلومات التحكم اللازمة لإدارة الاتصال ونقل البيانات.

منفذ المصدر Source Port: رقم منفذ الجهاز الذي يرسل البيانات، وهو يساعد في تحديد التطبيق أو الخدمة التي ترسل البيانات من الجهاز المصدر.

منفذ الوجهة Destination Port: رقم منفذ الجهاز المستهدف الذي سيتم إرسال البيانات إليه والذي يقوم بتحديد التطبيق أو الخدمة التي ستستقبل البيانات في الجهاز الوجهة.

العلم Flag: مجموعة من بتات التحكم مثل [SYN, ACK, FIN] التي تدير حالة الاتصال والتحكم في نقل البيانات بين الأجهزة:

• SYN Synchronization: يستخدم لإنشاء اتصال جديد.
• ACK Acknowledgment: يستخدم لتأكيد استلام البيانات.
• FIN Finish: يستخدم لإنهاء اتصال قائم.
• RST Reset: يستخدم لإعادة تعيين الاتصال.
• URG Urgent: يشير إلى صلاحية حقل Urgent Pointer؛ لا يمنح أولوية مرور مضمونة في الشبكة.
• PSH Push: يشير إلى دفع البيانات إلى التطبيق المستقبل دون انتظار تجميع المزيد؛ ليس أمرًا للخادم بإرسال رد فورًا.
• ECE ECN-Echo: يستخدم للتحكم في ازدحام الشبكة.
• CWR Congestion Window Reduced: يستخدم في إشارات ECN الكلاسيكية للإبلاغ عن الاستجابة لإشارة الازدحام.

رقم التسلسل Sequence Number: رقم يتم استخدامه لتحديد مواضع البايتات في تدفق البيانات، لا أرقام الحزم، مما يضمن إعادة تجميع البيانات بالترتيب الصحيح على الجانب المستقبل.

رقم الإقرار Acknowledgment Number: هو رقم يستخدم في بروتوكول التحكم بالنقل TCP يرسله جهاز المستقبل إلى جهاز المرسل ليخبره برقم البايت التالي المتوقع وذلك ليساعده في اكتشاف الحزم المفقودة أو التي يجب إعادة إرسالها مرة أخرى.

إزاحة البيانات Data Offset: يحدد بداية البيانات الفعلية في الحزمة بالاستناد إلى طول مقدمة TCP.

محجوز Reserved: مجموعة من البتات المحجوزة لاحتمالات الاستخدام المستقبلي وتكون صفرًا عند عدم استخدام امتداد معياري يخصصها.

مجموع التحقق Checksum: قيمة تستخدم للتحقق من سلامة البيانات في الحزمة وتساعد في اكتشاف التلف، لكنها لا تكشف كل تغيير ممكن وليست حماية تشفيرية.

المؤشر العاجل Urgent Pointer: إذا كانت بت العلم ذات النوع URG مفعّلة، فإن هذا الحقل يشير إلى إزاحة موضع البايت التالي للبيانات العاجلة في فضاء التسلسل؛ ولا تعني أولوية خدمة للشبكة.

الخيارات Options: مجموعة من الخيارات الإضافية التي تسمح لمقدمة TCP بدعم بعض المميزات الإضافية مثل نافذة التوسع Window Scaling، والتحكم في تدفق البيانات.

يمكن استخدام بروتوكول TCP لنقل مجموعة متنوعة من أنواع البيانات عبر خدمة نقل موثوقة؛ ويضاف التشفير حسب بروتوكول التطبيق:

• صفحات الويب HTML: تستخدم المواقع بروتوكولات HTTP و HTTPS لنقل محتوى صفحات الويب والملفات المرتبطة، مثل: الصور، والفيديوهات بين المتصفح وخوادم الويب كبيانات نصية أو ثنائية. يعمل HTTP/1.1 وHTTP/2 عادة فوق TCP، بينما يستخدم HTTP/3 بروتوكول QUIC فوق UDP؛ لذلك لا يبدأ كل اتصال ويب باتصال TCP.
  
  
• الملفات القابلة للتحميل: بروتوكول نقل الملفات FTP يستخدم بروتوكول TCP لنقل الملفات من وإلى الخوادم عبر أي شبكة، FTPS هو FTP مع TLS، أما SFTP فهو بروتوكول مختلف لنقل الملفات عبر SSH؛ كلاهما يمكن أن يستخدم TCP مع حماية إضافية.
  
  
• البريد الإلكتروني E-mails: يتم نقل رسائل البريد الالكتروني عبر بروتوكول يسمى SMTP لإرسال البريد الإلكتروني عبر الشبكة، وبروتوكولات IMAP/POP3 لاستقبال البريد الإلكتروني ويتم تمريرهم عبر بروتوكول TCP.
  
  
• تطبيقات الشبكات: حيث يقوم بروتوكول Secure Shell أو SSH باستخدام بروتوكول TCP لتأمين نقل البيانات والتحكم في الأجهزةعن بعد، وبروتوكول Telnetيستخدم بروتوكول TCP للوصول إلى أجهزة الكمبيوتر عن بُعد.
  
  
• الملفات الصوتية والفيديو: تقوم تطبيقات بث الفيديو والصوت باستخدام بروتوكول TCP لضمان نقل موثوق للبيانات مثل البث عبر HTTP.
  
  
• VOIP Voice Over IP: بعض تطبيقات VOIP قد تستخدم بروتوكول TCP لضمان جودة الاتصال، وقد يستخدم الصوت الآني UDP لتقليل التأخير وتحمل بعض الفقد، لا لأنه أشد دقة أو يضمن جودة الاتصال.
  
  
• تحديثات البرمجيات: يمكن للخوادم نقل الحزم التحديثية والبرمجيات باستخدام بروتوكول TCP لضمان وصول كل جزء من البيانات بشكل صحيح.
  
  
• قواعد البيانات: تقوم التطبيقات التي تعتمد على الاتصال بين قواعد البيانات، مثل MySQL أو PostgreSQL باستخدام بروتوكول TCP للنقل الموثوق بين الخوادم؛ ويتطلب النقل المشفر تهيئة TLS أو وسيلة حماية مناسبة.
  
  
• الألعاب عبر الإنترنت: بعض الألعاب عبر الانترنت مثل ألعاب الفيديو تستخدم بروتوكول TCP لضمان التواصل المستمر وتجنب فقدان البيانات الحرجة، رغم أن UDP يكون أكثر شيوعًا للألعاب التي تتطلب استجابة سريعة.