Что такое стек протоколов. Протоколы и стеки протоколов. Фильтрование ntuple для управления сетевыми потоками
Лекция 3. Стек TCP/IP. Базовые протоколы TCP/IP
Протокол TCP/IP является базовым транспортным сетевым прото- колом. Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие.
Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных пакетных подсетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут обмениваться пакетами.
Стек протоколов TCP/IP имеет четыре уровня (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Стек TCP/IP
Уровень IV соответствует уровню доступа к сети, который работает на основе стандартных протоколах физического и канального уровня, таких, как Ethernet, Token Ring, SLIP, PPP и других. Протоколы этого уровня отвечают за пакетную передачу данных в сети на уровне аппаратных средств.
Уровень III обеспечивает межсетевое взаимодействие при передаче пакетов данных из одной подсети в другую. При этом работает протокол IP.
Уровень II является основным и работает на базе протокола управления передачей TCP. Этот протокол необходим для надежной передачи сообщений между размещенными на разных машинах прикладными программами за счет образования виртуальных соединений между ними.
Уровень I – прикладной. Стек TCP/IP существует давно и он включает в себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня (протокол передачи файлов FTP, протокол Telnet, протокол Gopher для доступа к ресурсам всемирного пространства GopherSpace, самый известный протокол HTTP для доступа к удаленным гипертекстовым базам данных во всемирный паутине и др.).
Все протоколы стека можно разделить на две группы: протоколы передачи данных, передающие полезные данные между двумя сторонами; служебные протоколы, необходимые для корректной работы сети.
Служебные протоколы обязательно используют какой-либо протокол передачи данных. Например, служебный протокол ICMP использует протокол IP. Интернет – совокупность всех связных компьютерных сетей, использующих протоколы стека TCP/IP.
Функции транспортного уровня. Протоколы TCP, UDP.
Четвертый уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Транспортным уровнем предоставляются следующие виды услуг:
– установление транспортного соединения;
– передача данных;
– разрыв транспортного соединения.
Функции, выполняемые транспортным уровнем:
– преобразование транспортного адреса в сетевой;
– мультиплексирование транспортных соединений в сетевые;
– установление и разрыв транспортных соединений;
– упорядочивание блоков данных по отдельным соединениям;
– обнаружение ошибок и необходимый контроль за качеством услуг;
– восстановление после ошибок;
– сегментирование, объединение и сцепление;
– управление потоком данных по отдельным соединениям;
– супервизорные функции;
– передача срочных транспортных блоков данных.
Протокол управления передачей TCP предоставляет надежную службу доставки пакетов, ориентированную на установление соединения.
Протокол TCP:
– гарантирует доставку IP-датаграмм;
– выполняет разбиение на сегменты и сборку больших блоков данных, отправляемых программами;
– обеспечивает доставку сегментов данных в нужном порядке;
– выполняет проверку целостности переданных данных с помощью контрольной суммы;
– посылает положительные подтверждения, если данные получены успешно. Используя избирательные подтверждения, можно также посылать отрицательные подтверждения для данных, которые не были получены;
– предлагает предпочтительный транспорт для программ, которым требуется надежная передача данных с установлением сеанса связи, например для баз данных «клиент-сервер» и программ электронной почты.
TCP основан на связи «точка – точка» между двумя узлами сети. TCP получает данные от программ и обрабатывает их как поток байтов. Байты группируются в сегменты, которым TCP присваивает последовательные номера, необходимые для правильной сборки сегментов на узле-приемнике.
Чтобы два узла TCP могли обмениваться данными, им нужно сначала установить сеанс связи друг с другом. Сеанс TCP инициализируется с помощью процесса, называемого трехэтапным установлением связи, котором синхронизируются номера последовательности и передается управляющая информация, необходимая для установления виртуального соединения между узлами. По завершении этого процесса установления связи начинается пересылка и подтверждение пакетов в последовательном порядке между этими узлами. Аналогичный процесс используется TCP перед прекращением соединения для того, чтобы убедиться, что оба узла закончили передачу и прием данных (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Формат заголовка сегмента TCP
Поля порт источника и порт получателя занимают по 2 байта и идентифицируют процесс-отправитель процесс-получатель. Поля порядковый номер и номер подтверждения (длины по 4 байта) нумеруют каждый отправленный или полученный байт данных. Реализуются как целые числа без знака, которые сбрасываются, когда достигают максимального значения. Каждая сторона ведет собственную порядковую нумерацию. Поле длина заголовка занимает 4 бита и представляет собой длину заголовка TCP-сегмента, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле параметры. Поле резерв занимает 6 бит. Поле флаги занимает 6 бит и содержит шесть 1-битовых флагов:
– флаг URG (Urgent Pointer – указатель точности) устанавливается в 1 в случае использования поля указатель на срочные данные;
– флаг ACK (Acknowledgment – подтверждение) устанавливается в 1 в случае, если поле номер подтверждения содержит данные. В противном случае это поле игнорируется;
– флаг PSH (Push – выталкивание) означает, что принимающий стек TCP должен немедленно информировать приложение о поступивших данных, а не ждать пока буфер заполнится;
– флаг RST (Reset – сброс) используется для отмены соединения: из-за ошибки приложения, отказа от неверного сегмента, попытки создать соединение при отсутствии затребованного сервиса;
– флаг SYN (Synchronize – синхронизация) устанавливается при инициировании соединения и синхронизации порядкового номера;
– флаг FIN (Finished – завершение) используется для разрыва соединения. Он указывает, что отправитель закончил передачу данных.
Поле размер окна (длина 2 байта) содержит количество байт, которое может быть послано после байта, получение которого уже подтверждено. Поле контрольная сумма (длина 2 байта) служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений поле контрольная сумма устанавливается равным нулю, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы.
Протокол UDP, являясь дейтаграммным протоколом, реализует сервис по возможности, то есть не гарантирует доставку своих сообщений, а, следовательно, никоим образом не компенсирует ненадежность дейтаграммного протокола IP. Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой. Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользовательское сообщение. Это приводит к ограничению: длина дейтаграммы UDP не может превышать длины поля данных протокола IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если UDP-буфер переполняется, то данные приложения отбрасываются. Заголовок UDP-пакета, состоящий из четырех 2-байтовых полей, содержит поля порт источника, порт получателя, длина UDP и контрольная сумма (рисунок 3.3).
Поля порт источника и порт получателя идентифицируют передающий и получающий процессы. Поле длина UDP содержит длину пакета UDP в байтах. Поле контрольная сумма содержит контрольную сумму пакета UDP, вычисляемую по всему пакету UDP с добавленным псевдозаголовком.
Рисунок 3.3 – Формат заголовка пакета UDP
Основная литература: 2
Дополнительная литература: 7
1. Каким протоколом в OSI является TCP/IP?
2. Для чего предназначена архитектура протоколов TCP/IP?
3. Какие уровни имеет стек TCP/IP?
4. Какие функции выполняет протокол управления передачей TCP?
5. Какие отличия существуют между протоколами TCP и UDP?
Стек TCP / IP .
Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.
В операционной системе Microsoft Windows Server 2003 стек TCP/IP выбран в качестве основного, хотя поддерживаются и другие протоколы (например, стек IPX/SPX, протокол NetBIOS).
Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:
платформонезависимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных системах и процессорах;
открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.
История создания TCP / IP .
В 1967 году Агентство по перспективным исследовательским проектам министерства обороны США (ARPA – Advanced Research Projects Agency) инициировало разработку компьютерной сети, которая должна была связать ряд университетов и научно-исследовательских центров, выполнявших заказы Агентства. Проект получил название ARPANET. К 1972 году сеть соединяла 30 узлов.
В рамках проекта ARPANET были разработаны и в 1980–1981 годах опубликованы основные протоколы стека TCP/IP – IP, TCP и UDP. Важным фактором распространения TCP/IP стала реализация этого стека в операционной системе UNIX 4.2 BSD (1983).
К концу 80-х годов значительно расширившаяся сеть ARPANET стала называться Интернет (Interconnected networks – связанные сети) и объединяла университеты и научные центры США, Канады и Европы.
В 1992 году появился новый сервис Интернет – WWW (World Wide Web – всемирная паутина), основанный на протоколе HTTP. Во многом благодаря WWW Интернет, а с ним и протоколы TCP/IP, получил в 90-е годы бурное развитие.
В начале XXI века стек TCP/IP приобретает ведущую роль в средствах коммуникации не только глобальных, но и локальных сетей.
Модель OSI .
Модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open Systems Interconnection) была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) для единообразного подхода к построению и объединению сетей. Разработка модели OSI началась в 1977 году и закончилась в 1984 году утверждением стандарта. С тех пор модель является эталонной для разработки, описания и сравнения различных стеков протоколов.
Рассмотрим кратко функции каждого уровня.
Модель OSI включает семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления и прикладной.
Физический уровень (physical layer) описывает принципы передачи сигналов, скорость передачи, спецификации каналов связи. Уровень реализуется аппаратными средствами (сетевой адаптер, порт концентратора, сетевой кабель).
Канальный уровень (data link layer) решает две основные задачи – проверяет доступность среды передачи (среда передачи чаще всего оказывается разделена между несколькими сетевыми узлами), а также обнаруживает и исправляет ошибки, возникающие в процессе передачи. Реализация уровня является программно-аппаратной (например, сетевой адаптер и его драйвер).
Сетевой уровень (network layer) обеспечивает объединение сетей, работающих по разным протоколам канального и физического уровней, в составную сеть. При этом каждая из сетей, входящих в единую сеть, называется подсетью (subnet). На сетевом уровне приходится решать две основные задачи – маршрутизации (routing, выбор оптимального пути передачи сообщения) и адресации (addressing, каждый узел в составной сети должен иметь уникальное имя). Обычно функции сетевого уровня реализует специальное устройство – маршрутизатор (router) и его программное обеспечение.
Транспортный уровень (transport layer) решает задачу надежной передачи сообщений в составной сети с помощью подтверждения доставки и повторной отправки пакетов. Этот уровень и все следующие реализуются программно.
Сеансовый уровень (session layer) позволяет запоминать информацию о текущем состоянии сеанса связи и в случае разрыва соединения возобновлять сеанс с этого состояния.
Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование передаваемой информации из одной кодировки в другую (например, из ASCII в EBCDIC).
Прикладной уровень (application layer) реализует интерфейс между остальными уровнями модели и пользовательскими приложениями.
Структура TCP / IP . В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD (Department of Defense – Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2.2.
Следует заметить, что нижний уровень модели DARPA – уровень сетевых интерфейсов – строго говоря, не выполняет функции канального и физического уровней, а лишь обеспечивает связь (интерфейс) верхних уровней DARPA с технологиями сетей, входящих в составную сеть (например, Ethernet, FDDI, ATM).
Все протоколы, входящие в стек TCP/IP, стандартизованы в документах RFC.
Документы RFC .
Утвержденные официальные стандарты Интернета и TCP/IP публикуются в виде документов RFC (Request for Comments – рабочее предложение). Стандарты разрабатываются всем сообществом ISOC (Internet Society – Сообщество Интернет, международная общественная организация). Любой член ISOC может представить на рассмотрение документ для его публикации в RFC. Далее документ рассматривается техническими экспертами, группами разработчиков и редактором RFC и проходит в соответствии с RFC 2026 следующие этапы, называемые уровнями готовности (maturity levels):
черновик (Internet Draft) – на этом этапе с документом знакомятся эксперты, вносятся дополнения и изменения;
предложенный стандарт (Proposed Standard) – документу присваивается номер RFC, эксперты подтвердили жизнеспособность предлагаемых решений, документ считается перспективным, желательно, чтобы он был опробован на практике;
черновой стандарт (Draft Standard) – документ становится черновым стандартом, если не менее двух независимых разработчиков реализовали и успешно применили предлагаемые спецификации. На этом этапе ещё допускаются незначительные исправления и усовершенствования;
стандарт Интернета (Internet Standard) – наивысший этап утверждения стандарта, спецификации документа получили широкое распространение и хорошо зарекомендовали себя на практике. Список стандартов Интернета приведен в RFC 3700. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета».
Кроме стандартов документами RFC могут быть также описания новых сетевых концепций и идей, руководства, результаты экспериментальных исследований, представленных для информации и т. д. Таким документам RFC может быть присвоен один из следующих статусов:
экспериментальный (Experimental) – документ, содержащий сведения о научных исследованиях и разработках, которые могут заинтересовать членов ISOC;
информационный (Informational) – документ, опубликованный для предоставления информации и не требующий одобрения сообщества ISOC;
лучший современный опыт (Best Current Practice) – документ, предназначенный для передачи опыта конкретных разработок, например реализаций протоколов.
Статус указывается в заголовке документа RFC после слова Category (Категория). Для документов в статусе стандартов (Proposed Standard, Draft Standard, Internet Standard) указывается название Standards Track , так как уровень готовности может меняться.
Номера RFC присваиваются последовательно и никогда не выдаются повторно. Первоначальный вариант RFC никогда не обновляется. Обновленная версия публикуется под новым номером. Устаревший и замененный документ RFC получает статус исторический (Historic).
Все существующие на сегодня документы RFC можно посмотреть, например, на сайте www.rfc-editor.org . В августе 2007 года их насчитывалось более 5000. Документы RFC, упоминаемые в этом курсе, приведены в Приложении I.
Обзор основных протоколов.
Протокол IP (Internet Protocol ) – это основной протокол сетевого уровня, отвечающий за адресацию в составных сетях и передачу пакета между сетями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т. е. не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Обеспечением гарантий занимается протокол транспортного уровня TCP.
Протоколы RIP (Routing Information Protocol – протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First – « первыми открываются кратчайшие маршруты») – протоколы маршрутизации в IP-сетях.
Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol – протокол управляющих сообщений в составных сетях) предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов сообщает о невозможности доставки пакета, о продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.
Протокол ARP (Address Resolution Protocol – протокол преобразования адресов) преобразует IP-адреса в аппаратные адреса локальных сетей. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RAPR (Reverse ARP).
TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными узлами сети за счет образования логических соединений. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт на любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части – сегменты и передает их сетевому уровню. После того как эти сегменты будут доставлены в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.
UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя) обеспечивает передачу данных дейтаграммным способом.
HTTP (HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) – протокол доставки web-документов, основной протокол службы WWW.
FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) – протокол для пересылки информации, хранящейся в файлах.
POP 3 (Post Office Protocol version 3 – протокол почтового офиса) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) – протоколы для доставки входящей электронной почты (POP3) и отправки исходящей (SMTP).
Telnet – протокол эмуляции терминала 1 , позволяющий пользователю подключаться к другим удалённым станциям и работать с ними со своей машины, как если бы она была их удалённым терминалом.
SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью) предназначен для диагностики работоспособности различных устройств сети.
Стек TCP/IP разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад. Этот стек был реализован в ОС UNIX. Популярность этой системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и др. протоколов стека. Этот стек используется в сети Internet.
Уровень IV – уровень сетевых интерфейсов – соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня. Для локальных каналов это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных каналов – собственные протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, которые устанавливают соединения типа "точка - точка" через последовательные каналы глобальных сетей, и протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.
Уровень III – межсетевой уровень – примерно соответствует сетевому уровню модели OSI. На нем происходит передача дейтаграмм через различные локальные и глобальные сети, производится необходимая маршрутизация. В качестве основного протокола межсетевого уровня используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом. К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP, протокол разрешения аппаратных адресов ARP и другие служебные протоколы.
Уровень II – транспортный – соответствует транспортному уровню модели OSI. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает устойчивое виртуальное соединение между удаленными прикладными процессами. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным методом, то есть без установления виртуального соединения, и поэтому требует меньших накладных расходов, чем TCP.
Уровень I – уровень приложений – соответствует трем верхним уровням модели OSI. За долгие годы использования в сетях стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала TELNET, почтовый протокол SMTP, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. На уровне приложений также работают служебные протоколы системы доменных имен DNS, протоколы локальных сетей Microsoft NetBIOS и др.
Основные преимущества стека TCP/IP:
· способность фрагментировать пакеты;
· гибкая система адресации;
· экономное использование широковещательных рассылок.
Недостатки:
· требует относительно высоких вычислительных затрат;
· сложность администрирования.
Лекция 6
С 1990 г. в качестве доминирующего набора протоколов, на основе которого развивалось большинство новых протоколов, утвердилась архитектура связи, отраженная в стеке протоколов TCP/IP. Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) – это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей. Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу Интернет. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Следует отметить, стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC можно считать стандартами. Лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:
· Это наиболее апробированный и в то же время популярный стек протоколов, ставший стандартом де-факто.
· Почти все существующие крупномасштабные сети функционируют на основе стека TCP/IP.
· Это основной способ получения доступа в Интернет.
· Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.
· Стек TCP/IP нашел широкое применение для создания корпоративных сетей, использующих транспортные услуги Интернет и гипертекстовую технологию WWW.
· Стек TCP/IP является основой гибкой технологии для соединения разнородных систем и сетей как на уровне реализации транспортной функции, так и на уровне взаимодействия прикладных процессов.
· Стек TCP/IP обеспечивает масштабируемую среду для приложений клиент-сервер.
Рисунок 1. Сравнение архитектур связи TCP/IP и OSI
Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели ISO/OSI, то несмотря на то, что он имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно. На рисунке 1 приведена структура стека TCP/IP в
соотношении с уровнями модели OSI. Справа на рисунке указаны средства реализации различных уровней.
Протоколы стека TCP/IP делятся на пять уровней. Самый нижний – физический уровень соответствует физическому уровню модели OSI. Этот уровень в
стеке TCP/IP специально не стандартизирован и поэтому допускает использование всех основных стандартов физического уровня, определяющих характеристики передающей среды, скорости передачи сигналов и схемы кодирования сигналов.
Уровень доступа к сети занимается логическим интерфейсом между оконечной системой и сетью. Уровень также не регламентирован. Например, для соединения компьютера с сетью может использоваться любой стандарт канального уровня: PPP, Ethernet, АТМ и т.д.
Межсетевой уровень обеспечивает функцию маршрутизации при передаче данных от одного хоста к другому через узлы одной или нескольких логических сетей. Основной протокол этого уровня – это протокол IP (Internet Protocol) . Он должен поддерживаться во всех оконечных системах (хостах) и сетевых коммуникационных устройствах, выполняющих функцию маршрутизации. К вспомогательным протоколам этого уровня относятся:
· ICMP (Internet Control Message Protocol) – протокол управления сообщениями Интернет. Обеспечивает возможность шлюзам и маршрутизаторам обмениваться служебными сообщениями с хостом-отправителем в случае возникновения проблемной ситуации при передаче в сети;
· IGMP (Internet Group Management Protocol) – протокол управления группами. Предоставляет множеству хостов и маршрутизаторов возможность обмениваться сообщениями с групповыми адресами в широковещательном режиме;
· OSPF (Open Shortest Path First) – протокол определения первого кратчайшего маршрута при установлении виртуального (логического) соединения в интерсети;
· BGP (Border Gateway Protocol) – протокол регламентирующий процедуру маршрутизации между граничными шлюзами в Интернет;
· RSVP (ReSerVation Protocol) – протокол резервирования коммуникационных ресурсов (полосы пропускания линий связи) с целью предоставления требуемого качества обслуживания. Поддерживается хостами и сетевыми коммуникационными устройствами;
· RIP (Routing Internet Protocol) – протокол сбора маршрутной информации при топологических изменениях в интерсети;
· ARP (Address Resolution Protocol) – протокол анализа адресной части заголовка блока данных.
Транспортный уровень отвечает за выполнение функции сквозной передачи данных и поэтому реализуется лишь в конечных системах. Протоколы этого уровня скрывают от уровня приложений подробности о сети или сетях, через которые транспортируются данные. На этом уровне выполняются два основных протокола:
· ТСР (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей, ориентированный на логическое соединение и последовательную передачу блоков данных. Он содержит механизмы обеспечения надежности, позволяющие отслеживать блоки данных и тем самым гарантировать их корректную доставку адресуемому приложению;
· UDP (User Datagram Protocol) – протокол датаграмм пользователей, обеспечивающий быструю, но ненадежную передачу блоков данных самостоятельно перемещающихся по сети без установления логического соединения.
Уровень приложений обеспечивает связь между прикладными процессами и приложениями взаимодействующих хостов. Основные протоколы этого уровня:
· FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов;
· HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекстовых файлов;
· SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол передачи почты;
· TELNET – протокол удаленного входа в систему;
· SNMP (Simple Network Management Protocol) – простой протокол сетевого управления;
· DNS (Domain Name System) – служба имен доменов или прикладной сервис в сети Интерне, который позволяет хостам преобразовывать интернет-имена в IP-адреса;
· MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) – многоцелевые расширения почты Интернет. Стандарт поддерживает обмен мультимедийными сообщениями в сети Интернет, определяя процедуры, позволяющие пользователю присоединять к сообщению электронной почты файлы разных форматов (тексты, изображения, аудио, видео и целые приложения).
На уровне приложений работает также много навигационных программ (Gopher, Wais, WWW), обеспечивающих поиск нужной информации в сети. Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP подробнее рассматриваются в модулях 3 и 4.
Интернет – глобальная система взаимосвязанных компьютерных, локальных и других сетей, которые взаимодействуют друг с другом посредством стека протоколов TCP/IP (рис. 1.).
Рисунок 1 – Обобщенная схема сети Интернет
Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к нему. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.
Основные ячейки Интернета – локальные вычислительные сети (LAN – Local Area network). Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Интернету, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к нему. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету. Они называются хост-компьютерами (host – хозяин).
Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.
Важной особенностью сети Интернет является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны.
Еще одной отличительной особенностью Интернета является высокая надежность. При выходе из строя части компьютеров и линий связи сеть будет продолжать функционировать. Такая надежность обеспечивается тем, что в Интернете нет единого центра управления. Если выходят из строя некоторые линии связи или компьютеры, то сообщения могут быть переданы по другим линиям связи, так как всегда имеется несколько путей передачи информации.
Интернет не является коммерческой организацией и никому не принадлежит. Пользователи Интернета имеются практически во всех странах мира.
Пользователи подключаются к сети через компьютеры специальных организаций, которые называются поставщиками услуг Интернета. Соединение с Интернетом может быть постоянным или временным. Поставщики услуг Интернета имеют множество линий для подключения пользователей и высокоскоростные линии для связи с остальной частью Интернета. Часто мелкие поставщики подключены к более крупным, которые, в свою очередь, подключены к другим поставщикам.
Организации, соединенные друг с другом самыми скоростными линиями связи, образуют базовую часть сети, или хребет Интернета Backbon [Бэкбон]. Если поставщик подключен непосредственно к хребту, то скорость передачи информации будет максимальной.
В действительности разница между пользователями и поставщиками услуг Интернета достаточно условна. Любой человек, подключивший свой компьютер или свою локальную вычислительную сеть к Интернету и установивший необходимые программы, может предоставлять услуги подключения к сети другим пользователям. Одиночный пользователь, в принципе, может подключиться скоростной линией непосредственно к хребту Интернета.
В общем случае, Интернет осуществляет обмен информацией между любыми двумя компьютерами, подключенными к сети. Компьютеры, подключенные к Интернету, часто называютузлами Интернета, или сайтами, от английского слова site, которое переводится как место, местонахождение. Узлы, установленные у поставщиков услуг Интернета, обеспечивают доступ пользователей к Интернету. Существуют также узлы, специализирующиеся на предоставлении информации. Например, многие фирмы создают узлы в Интернете, с помощью которых они распространяют информацию о своих товарах и услугах.
Как же осуществляется передача информации? В Интернете используются два основных понятия: адрес и протокол . Свой уникальный адрес имеет любой компьютер, подключенный к Интернету. Так же, как почтовый адрес однозначно определяет местонахождение человека, адрес в Интернете однозначно определяет местонахождение компьютера в сети. Адреса в Интернете являются важнейшей его частью, и ниже о них будет подробно рассказано.
Данные, пересылаемые с одного компьютера на другой с использованием Интернета, разбивается на пакеты. Они перемещаются между компьютерами, составляющими узлы сети. Пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Каждый пакет имеет свою маркировку, что обеспечивает правильную сборку документа на компьютере, которому адресовано сообщение.
Что такое протокол? Как ранее было сказано, протокол - это правила взаимодействия. Например, дипломатический протокол предписывает, как поступать при встрече зарубежных гостей или при проведении приема. Так же сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Стандартные протоколы заставляют разные компьютеры "говорить на одном языке". Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернету разнотипных компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.
Базовыми протоколами Интернета является стек протоколов TCP/IP. Прежде всего требуется уточнить, что, в техническом понимании TCP/IP - это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях сетевой модели (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP - протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача данных. Протокол IP - адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.
Протокол TCP. Согласно Протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.
Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке, когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество ТСР-пакетов от многочисленных клиентов.
Когда мы работаем в Интернете, то по одной единственной телефонной линии можем одновременно принимать документы из Америки, Австралии и Европы. Пакеты каждого из документов поступают порознь, с разделением во времени, и по мере поступления собираются в разные документы.
Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (Internet Protocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто - четырьмя числами, например: 195.38.46.11. Структуру IP-адреса мы подробнее рассмотрим позже. Она организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа перебросок ТСР-пакет достигает адресата.
Слово «ближе» взято в кавычки не случайно. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства - маршрутизаторы. Роль маршрутизаторов в сети обычно выполняют специализированные компьютеры, но это могут быть и специальные программы, работающие на узловых серверах сети.
Стек протоколов TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP - набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.
Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack , стопка) - это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:
- прикладной уровень (application layer),
- транспортный уровень (transport layer),
- сетевой уровень (internet layer),
- канальный уровень (link layer).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI (таблица 1). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.
Таблица 1 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI
Прикладной уровень
На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений.
Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:
- HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
- FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
- запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.
Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).
TCP (IP идентификатор 6) - «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.
И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.
Сетевой уровень
Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).
ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий - транспортный - уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.
Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число - уникальный IP-номер протокола . ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.
Канальный уровень
Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.
Примеры протоколов канального уровня - Ethernet, Wi-Fi, Frame Relay, Token Ring, ATM и др.
Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.
Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Инкапсуляция
Инкапсуляция – упаковка, или вложение, пакетов высокого уровня (возможно, разного протокола) в пакеты одного протокола (нижнего уровня), включая адрес.
Например, когда приложению требуется послать сообщение с помощью TCP, то производится следующая последовательность действий (рис. 2):
Рисунок 2 – Процесс инкапсуляции
- в первую очередь, приложение заполняет специальную структуру данных, в которой указывает информацию о получателе (сетевой протокол, IP-адрес, порт TCP);
- передаёт сообщение, его длину и структуру с информацией о получателе обработчику протокола TCP (транспортный уровень);
- обработчик TCP формирует сегмент, в котором в качестве данных выступает сообщение, а в заголовках находится TCP-порт получателя (а также другие данные);
- обработчик TCP передаёт сформированный сегмент обработчику IP (сетевой уровень);
- обработчик IP рассматривает переданный TCP сегмент как данные и предваряет их своим заголовком (в котором, в частности, находится IP-адрес получателя, взятый из той же структуры данных приложения, и номер верхнего протокола;
- полученный пакет обработчик IP передаёт на канальный уровень, который опять-таки рассматривает данный пакет как «сырые» данные;
- обработчик канального уровня, аналогично предыдущим обработчикам, добавляет в начало свой заголовок (в котором так же указывается номер протокола верхнего уровня, в нашем случае это 0x0800(IP)) и, в большинстве случаев, добавляет конечную контрольную сумму, тем самым формируя кадр;
- далее полученный кадр передаётся на физический уровень, который осуществляет преобразование битов в электрические или оптические сигналы и посылает их в среду передачи.
На стороне получателя для распаковки данных и предоставления их приложению производится обратный процесс (снизу вверх), называемый декапсуляцией.
Похожая информация.
