Большинство из нас знает TCP/IP как "клей", связующий Internet. Но не многие способны дать убедительное описание того, что этот протокол представляет собой и как работает. Итак, что же такое TCP/IP в действительности?
TCP/IP — это средство для обмена информацией между компьютерами, объединенными в сеть. Не имеет значения, составляют ли они часть одной и той же сети или подключены к отдельным сетям. Не играет роли и то, что один из них может быть компьютером Cray, а другой Macintosh. TCP/IP — это не зависящий от платформы стандарт, который перекидывает мосты через пропасть, лежащую между разнородными компьютерами, операционными системами и сетями. Это протокол, который глобально управляет Internet, и в значительной мере благодаря сети TCP/IP завоевал свою популярность.
Понимание TCP/IP главным образом подразумевает способность разбираться в наборах таинственных протоколов, которые используются главными компьютерами TCP/IP для обмена информацией. Давайте рассмотрим некоторые из этих протоколов и выясним, что составляет оболочку TCP/IP.
TCP/IP — это аббревиатура термина Transmission Control Protocol/Internet Protocol (Протокол управления передачей/Протокол Internet). В терминологии вычислительных сетей протокол — это заранее согласованный стандарт, который позволяет двум компьютерам обмениваться данными. Фактически TCP/IP не один протокол, а несколько. Именно поэтому вы часто слышите, как его называют набором, или комплектом протоколов, среди которых TCP и IP — два основных.
Программное обеспечение для TCP/IP, на вашем компьютере, представляет собой специфичную для данной платформы реализацию TCP, IP и других членов семейства TCP/IP. Обычно в нем также имеются такие высокоуровневые прикладные программы, как FTP (File Transfer Protocol, Протокол передачи файлов), которые дают возможность через командную строку управлять обменом файлами по Сети.
TCP/IP — зародился в результате исследований, профинансированных Управлением перспективных научно-исследовательских разработок (Advanced Research Project Agency, ARPA) правительства США в 1970-х годах. Этот протокол был разработан с тем, чтобы вычислительные сети исследовательских центров во всем мире могли быть объединены в форме виртуальной "сети сетей" (internetwork). Первоначальная Internet была создана в результате преобразования существующего конгломерата вычислительных сетей, носивших название ARPAnet, с помощью TCP/IP.
Причина, по которой TCP/IP столь важен сегодня, заключается в том, что он позволяет самостоятельным сетям подключаться к Internet или объединяться для создания частных интрасетей. Вычислительные сети, составляющие интрасеть, физически подключаются через устройства, называемые маршрутизаторами или IP-маршрутизаторами. Маршрутизатор — это компьютер, который передает пакеты данных из одной сети в другую. В интрасети, работающей на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся "близкими родственниками". По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. Точно так же, как подключения к сети Ethernet распознаются по 48-разрядным идентификаторам Ethernet, подключения к интрасети идентифицируются 32-разрядными IP-адресами, которые мы выражаем в форме десятичных чисел, разделенных точками (например, 128.10.2.3). Взяв IP-адрес удаленного компьютера, компьютер в интрасети или в Internet может отправить данные на него, как будто они составляют часть одной и той же физической сети.
TCP/IP дает решение проблемы данными между двумя компьютерами, подключенными к одной и той же интрасети, но принадлежащими различным физическим сетям. Решение состоит из нескольких частей, причем каждый член семейства протоколов TCP/IP вносит свою лепту в общее дело. IP — самый фундаментальный протокол из комплекта TCP/IP — передает IP-дейтаграммы по интрасети и выполняет важную функцию, называемую маршрутизацией, по сути дела это выбор маршрута, по которому дейтаграмма будет следовать из пункта А в пункт B, и использование маршрутизаторов для "прыжков" между сетями.
TCP — это протокол более высокого уровня, который позволяет прикладным программам, запущенным на различных главных компьютерах сети, обмениваться потоками данных. TCP делит потоки данных на цепочки, которые называются TCP-сегментами, и передает их с помощью IP. В большинстве случаев каждый TCP-сегмент пересылается в одной IP-дейтаграмме. Однако при необходимости TCP будет расщеплять сегменты на несколько IP-дейтаграмм, вмещающихся в физические кадры данных, которые используют для передачи информации между компьютерами в сети. Поскольку IP не гарантирует, что дейтаграммы будут получены в той же самой последовательности, в которой они были посланы, TCP осуществляет повторную "сборку" TCP-сегментов на другом конце маршрута, чтобы образовать непрерывный поток данных. FTP и telnet — это два примера популярных прикладных программ TCP/IP, которые опираются на использование TCP.
Другой важный член комплекта TCP/IP — User Datagram Protocol (UDP, протокол пользовательских дейтаграмм), который похож на TCP, но более примитивен. TCP — "надежный" протокол, потому что он обеспечивает проверку на наличие ошибок и обмен подтверждающими сообщениями чтобы данные достигали своего места назначения заведомо без искажений. UDP — "ненадежный" протокол, ибо не гарантирует, что дейтаграммы будут приходить в том порядке, в котором были посланы, и даже того, что они придут вообще. Если надежность — желательное условие, для его реализации потребуется программное обеспечение. Но UDP по-прежнему занимает свое место в мире TCP/IP, и испльзуется во многих программах. Прикладная программа SNMP (Simple Network Management Protocol, простой протокол управления сетями), реализуемый во многих воплощениях TCP/IP, — это один из примеров программ UDP.
Другие TCP/IP протоколы играют менее заметные, но в равной степени важные роли в работе сетей TCP/IP. Например, протокол определения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) ппреобразует IP-адреса в физические сетевые адреса, такие, как идентификаторы Ethernet. Родственный протокол — протокол обратного преобразования адресов (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) — выполняет обеспечивает обратное действие, преобразуя физические сетевые адреса в IP-адреса. Протокол управления сообщениями Internet (Internet Control Message Protocol, ICMP) представляет собой протокол сопровождения, который использует IP для обмена управляющей информацией и контроля над ошибками, относящимися к передаче пакетов IP. Например, если маршрутизатор не может передать IP-дейтаграмму, он использует ICMP, с тем чтобы информировать отправителя, что возникла проблема. Краткое описание некоторых других протоколов, которые "прячутся под зонтиком" TCP/IP, приведено во врезке.
Краткое описание протоколов семейства TCP/IP с расшифровкой аббревиатур
ARP (Address Resolution Protocol, протокол определения адресов): конвертирует 32-разрядные IP-адреса в физические адреса вычислительной сети, например, в 48-разрядные адреса Ethernet.
FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов): позволяет передавать файлы с одного компьютера на другой с использованием TCP-соединений. В родственном ему, но менее распространенном протоколе передачи файлов — Trivial File Transfer Protocol (TFTP) — для пересылки файлов применяется UDP, а не TCP.
ICMP (Internet Control Message Protocol, протокол управляющих сообщений Internet): позволяет IP-маршрутизаторам посылать сообщения об ошибках и управляющую информацию другим IP-маршрутизаторам и главным компьютерам сети. ICMP-сообщения "путешествуют" в виде полей данных IP-дейтаграмм и обязательно должны реализовываться во всех вариантах IP.
IGMP (Internet Group Management Protocol, протокол управления группами Internet): позволяет IP-дейтаграммам распространяться в циркулярном режиме (multicast) среди компьютеров, которые принадлежат к соответствующим группам.
IP (Internet Protocol, протокол Internet): низкоуровневый протокол, который направляет пакеты данных по отдельным сетям, связанным вместе с помощью маршрутизаторов для формирования Internet или интрасети. Данные "путешествуют" в форме пакетов, называемых IP-дейтаграммами.
RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного преобразования адресов): преобразует физические сетевые адреса в IP-адреса.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол обмена электронной почтой): определяет формат сообщений, которые SMTP-клиент, работающий на одном компьютере, может использовать для пересылки электронной почты на SMTP-сервер, запущенный на другом компьютере.
TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей): протокол ориентирован на работу с подключениями и передает данные в виде потоков байтов. Данные пересылаются пакетами — TCP-сегментами, — которые состоят из заголовков TCP и данных. TCP — "надежный" протокол, потому что в нем используются контрольные суммы для проверки целостности данных и отправка подтверждений, чтобы гарантировать, что переданные данные приняты без искажений.
UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм): протокол, не зависящий от подключений, который передает данные пакетами, называемыми UDP-дейтаграммами. UDP — "ненадежный" протокол, поскольку отправитель не получает информацию, показывающую, была ли в действительности принята дейтаграмма.
Проектировщики вычислительных сетей часто используют семиуровневую модель ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnect, Международная организация по стандартизации/ Взаимодействие открытых систем), которая описывает архитектуру сетей. Каждый уровень в этой модели соответствует одному уровню функциональных возможностей сети. В самом основании располагается физический уровень, представляющий физическую среду, по которой "путешествуют" данные, — другими словами, кабельную систему вычислительной сети. Над ним имеется канальный уровень, или уровень звена данных, функционирование которого обеспечивается сетевыми интерфейсными платами. На самом верху размещается уровень прикладных программ, где работают программы, использующие служебные функции сетей.
На рисунке показано, как TCP/IP согласуется с моделью ISO/OSI. Этот рисунок также иллюстрирует уровневое строение TCP/IP и показывает взаимосвязи между основными протоколами. При переносе блока данных из сетевой прикладной программы в плату сетевого адаптера он последовательно проходит через ряд модулей TCP/IP. При этом на каждом шаге он доукомплектовывается информацией, необходимой для эквивалентного модуля TCP/IP на другом конце цепочки. К тому моменту, когда данные попадают в сетевую плату, они представляют собой стандартный кадр Ethernet, если предположить, что сеть основана именно на этом интерфейсе. Программное обеспечение TCP/IP на приемном конце воссоздает исходные данные для принимающей программы путем захвата кадра Ethernet и прохождения его в обратном порядке по набору модулей TCP/IP. (Один из наилучших способов разобраться во внутреннем устройстве TCP/IP стоит в использовании программы-"шпиона", чтобы найти внутри кадров, "пролетающих" по сети, информацию, добавленную различными модулями TCP/IP.)
Уровни сетей и протоколы TCP/IP
ISO/OSI TCP/IP _____________________________ __________________________ | Уровень прикладных программ | | | |_____________________________| | _________ _________ | _____________________________ | |Сетевая | |Сетевая | | Уровень | Уровень представления | | |программа| |программа| | прикладных |_____________________________| | |_________| |_________| | программ _____________________________ | | | Уровень сеанса | | | |_____________________________| |__________________________| | | _____________________________ _____|_____________|______ | Транспортный уровень | | TCP UDP | Транспортный |_____________________________| |_____|_____________|______| уровень | | _____________________________ _____|_____________|______ | Сетевой уровень | | | | | Сетевой |_____________________________| | ----> IP <--- | уровень |__________________________| _________ _____________________________ _______| Сетевая |________ | Уровень звена данных | | ARP<->| плата |<->RARP | Уровень |_____________________________| |_______|_________|________| звена | данных _____________________________ | | Физический уровень | _____________|______________ Физический |_____________________________| Кабельные соединения сети уровень
В левой части этой диаграммы показаны уровни модели ISO/OSI. Правая часть диаграммы иллюстрирует корреляцию TCP/IP с этой моделью.
Для иллюстрации роли, которую TCP/IP играет в вычислительных сетях в реальном мире, рассмотрим, что происходит, когда Web-браузер использует HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачи гипертекста) для извлечения страницы HTML-данных из Web-сервера, подключенного к Internet. Для формирования виртуального подключения к серверу браузер использует абстракцию программного обеспечения высокого уровня, называемую гнездом (socket). А чтобы извлечь страницу Web, он посылает на сервер команду GET HTTP, записывая ее в гнездо. Программное обеспечение гнезда, в свою очередь, применяет TCP для пересылки битов и байтов, составляющих команду GET на Web-сервер. TCP сегментирует данные и передает отдельные сегменты модулю IP, который пересылает сегменты в дейтаграммах на Web-сервер.
Если браузер и сервер работают на компьютерах, подключенных к различным физическим сетям (как это обычно бывает), дейтаграммы передаются от сети к сети до тех пор, пока не достигнут той, к которой физически подключен сервер. В конце концов дейтаграммы достигают пункта своего назначения и вновь собираются таким образом, чтобы Web-сервер, который считывает цепочки данных из своего гнезда, получал непрерывный поток данных. Для браузера и сервера данные, записанные в гнездо на одном конце, как по волшебству, "всплывают" на другом конце. Но между этими событиями происходят все виды сложных взаимодействий для создания иллюзии непрерывной передачи данных между вычислительными сетями.
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.
В этой статье будут рассказаны основы модели TCP/IP. Для лучшего понимания описаны основные протоколы и службы. Главное - не торопиться и стараться понимать каждую вещь поэтапно. Все они взаимосвязаны и без понимания одной, трудно будет понять другую. Здесь скомпонована весьма поверхностная информация, так что эту статью смело можно назвать «стеком протоколов TCP/IP для чайников». Однако, многие вещи здесь не так трудны для понимания, как может показаться на первый взгляд.
Стек TCP/IP - сетевая модель передачи данных в сети, она определяет порядок взаимодействия устройств. Данные поступают на канальный уровень и обрабатываются поочередно каждым уровнем выше. Стек представлен в виде абстракции, которая объясняет принципы обработки и приема данных.
Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:
Прикладной уровень обеспечивает возможность взаимодействия между приложением и другими уровнями стека протоколов, анализирует и преобразовывает поступающую информацию в формат, подходящий для программного обеспечения. Является ближайшим к пользователю и взаимодействует с ним напрямую.
Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.
HTTP (HyperText Transfer Protocol) предназначен для передачи данных. По нему отправляются, например, документы в формате HTML, которые служат основой веб-страницы. Упрощенно схема работы представляется как «клиент - сервер». Клиент отправляет запрос, сервер его принимает, должным образом обрабатывает и возвращает конечный результат.
Служит стандартом передачи файлов в сети. Клиент посылает запрос на некий файл, сервер ищет этот файл в своей базе и при успешном обнаружении отправляет его как ответ.
Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:
В заголовке содержатся служебные данные. Важно понимать, что они предназначаются только для конкретного уровня. Это значит, что как только пакет отправится к получателю, то будет обработан там по такой же модели, но в обратном порядке. Вложенный заголовок будет нести специальную информацию, которая может быть обработана только определенным образом.
Например, заголовок, вложенный на транспортном уровне, на другой стороне может быть обработан только транспортным уровнем. Другие просто его проигнорируют.
На транспортном уровне полученная информация обрабатывается как единый блок, вне зависимости от содержимого. Полученные сообщения делятся на сегменты, к ним добавляется заголовок, и все это отправляется ниже.
Протоколы передачи данных:
Самый распространенный протокол. Он отвечает за гарантированную передачу данных. При отправке пакетов контролируется их контрольная сумма, процесс транзакции. Это значит, что информация дойдет «в целости и сохранности» независимо от условий.
UDP (User Datagram Protocol) - второй по популярности протокол. Он также отвечает за передачу данных. Отличительное свойство кроется в его простоте. Пакеты просто отправляются, не создавая особенной связи.
У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.
Основное преимущество UDP заключается в скорости передачи. TCP является сложным протоколом с множеством проверок, в то время как UDP представляется более упрощенным, а значит, и более быстрым.
Недостаток кроется в простоте. Ввиду отсутствия проверок не гарантируется целостность данных. Таким образом, информация просто отправляется, а все проверки и подобные манипуляции остаются за приложением.
UDP используется, например, для просмотра видео. Для видеофайла не критична потеря небольшого количества сегментов, в то время как скорость загрузки - важнейший фактор.
Однако если необходимо отправить пароли или реквизиты банковской карты, то необходимость использования TCP очевидна. Потеря даже самой мизерной части данных может повлечь за собой катастрофические последствия. Скорость в этом случае не так важна, как безопасность.
Сетевой уровень из полученной информации образует пакеты и добавляет заголовок. Наиболее важной частью данных являются IP и MAC-адреса отправителей и получателей.
IP-адрес (Internet Protocol address) - логический адрес устройства. Содержит информацию о местоположении устройства в сети. Пример записи: .
MAC-адрес (Media Access Control address) - физический адрес устройства. Используется для идентификации. Присваивается сетевому оборудованию на этапе изготовления. Представлен как шестибайтный номер. Например: .
Сетевой уровень отвечает за:
Маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Они прокладывают путь между компьютером и сервером на основе полученных данных.
Самый популярный протокол этого уровня - IP.
IP (Internet Protocol) - интернет-протокол, предназначенный для адресации в сети. Используется для построения маршрутов, по которым происходит обмен пакетами. Не обладает никакими средствами проверки и подтверждения целостности. Для обеспечения гарантий доставки используется TCP, который использует IP в качестве транспортного протокола. Понимание принципов этой транзакции во многом объясняет основу того, как работает стек протоколов TCP/IP.
В сетях используются два вида IP-адресов:
Публичные (Public) используются в Интернете. Главное правило - абсолютная уникальность. Пример их использования - маршрутизаторы, каждый из которых имеет свой IP-адрес для взаимодействия с сетью Интернет. Такой адрес называется публичным.
Приватные (Private) не используются в Интернете. В глобальной сети такие адреса не являются уникальными. Пример - локальная сеть. Каждому устройству присваивается уникальный в пределах данной сети IP-адрес.
Взаимодействие с сетью Интернет ведется через маршрутизатор, который, как уже было сказано выше, имеет свой публичный IP-адрес. Таким образом, все компьютеры, подключенные к маршрутизатору, представляются в сети Интернет от имени одного публичного IP-адреса.
Самая распространенная версия интернет-протокола. Предшествует IPv6. Формат записи - четыре восьмибитных числа, разделенные точками. Через знак дроби указывается маска подсети. Длина адреса - 32 бита. В подавляющем большинстве случаев, когда речь идет об IP-адресе, имеется в виду именно IPv4.
Формат записи: .
Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.
Основная проблема, которую решает IPv6 - это исчерпание адресов IPv4. Предпосылки начали проявляться уже в начале 80-х годов. Несмотря на то, что эта проблема вступила в острую стадию уже в 2007-2009 годах, внедрение IPv6 очень медленно «набирает обороты».
Главное преимущество IPv6 - более быстрое интернет-соединение. Это происходит из-за того, что для этой версии протокола не требуется трансляции адресов. Выполняется простая маршрутизация. Это является менее затратным и, следовательно, доступ к интернет-ресурсам предоставляется быстрее, чем в IPv4.
Пример записи: .
Существует три типа IPv6-адресов:
Unicast - тип одноадресных IPv6. При отправке пакет достигает только интерфейса, расположенного на соответствующем адресе.
Anycast относится к групповым IPv6-адресам. Отправленный пакет попадет в ближайший сетевой интерфейс. Используется только маршрутизаторами.
Multicast являются многоадресными. Это значит, что отправленный пакет достигнет всех интерфейсов, находящихся группе мультивещания. В отличие от broadcast, который является «вещанием для всех», multicast вещает лишь определенной группе.
Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.
Например, IP-адрес имеет маску . В таком случае формат записи будет выглядеть так . Число «24» - это количество бит в маске. Восемь бит равняется одному октету, который также может называться байтом.
Если подробнее, то маску подсети можно представить в двоичной системе счисления таким образом: . В ней имеется четыре октета, и запись состоит из «1» и «0». Если сложить количество единиц, то получим в сумме «24». К счастью, считать по единице не обязательно, ведь в одном октете - 8 значений. Видим, что три из них заполнены единицами, складываем и получаем «24».
Если говорить именно о маске подсети, то в двоичном представлении она имеет в одном октете либо единицы, либо нули. При этом последовательность такова, что сначала идут байты с единицами, а только потом с нулями.
Рассмотрим небольшой пример. Есть IP-адрес и маска подсети . Считаем и записываем: . Теперь сопоставляем маску с IP-адресом. Те октеты маски, в которых все значения равны единице (255) оставляют соответствующие им октеты в IP-адресе без изменения. Если же в значении нули (0), то октеты в IP-адресе также становятся нулями. Таким образом, в значении адреса подсети получаем .
Подсеть отвечает за логическое разделение. По сути, это устройства, использующие одну локальную сеть. Определяется диапазоном IP-адресов.
Хост - это адрес сетевого интерфейса (сетевой карты). Определяется из IP-адреса с помощью маски. Например: . Так как первые три октета - подсеть, то остается . Это и есть номер хоста.
Диапазон адресов хоста - от 0 до 255. Хост под номером «0» является, собственно, адресом самой подсети. А хост под номером «255» является широковещательным.
Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:
Локальными называются MAC-адреса. Они используются для адресации в таких технологиях локальной сети как, например, Ethernet. В контексте TCP/IP слово «локальные» означает, что они действуют лишь в пределах подсети.
Сетевым адресом в стеке протоколов TCP/IP является IP-адрес. При отправке файла из его заголовка считывается адрес получателя. С его помощью маршрутизатор узнает номер хоста и подсеть и, основываясь на этой информации, прокладывает маршрут к конечному узлу.
Доменные имена - это удобочитаемые адреса веб-сайтов в Интернете. Веб-сервера в сети Интернет доступны по публичному IP-адресу. Он успешно обрабатывается компьютерами, однако для людей представляется слишком неудобным. Для того чтобы избежать подобных сложностей, используются доменные имена, которые состоят из областей, называемых «доменами». Они располагаются в порядке строгой иерархии, от верхнего уровня к нижнему.
Домен первого уровня представляет конкретную информацию. Общие (.org, .net) не ограничены какими-либо строгими границами. Обратная ситуация - с локальными (.us, .ru). Они, как правило, привязаны территориально.
Домены низших уровней - это все остальное. Он может быть любого размера и содержать любое количество значений.
Например, "www.test.quiz.sg" - корректное доменное имя, где «sg» - локальный домен первого (верхнего) уровня, «quiz.sg» - домен второго уровня, «test.quiz.sg» - домен третьего уровня. Доменные имена также могут называться DNS-именами.
DNS (Domain Name System) устанавливает соответствие между доменными именами и публичным IP-адресом. При наборе доменного имени в строке браузера DNS обнаружит соответствующий IP-адрес и сообщит устройству. Устройство обработает этот и вернет его в виде веб-страницы.
На канальном уровне определяется взаимосвязь между устройством и физической средой передачи, добавляется заголовок. Отвечает за кодировку данных и подготовку фреймов для передачи по физической среде. На этом уровне работают сетевые коммутаторы.
Самые распространенные протоколы:
Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.
WLAN - локальная сеть на основе беспроводных технологий. Взаимодействие устройств происходит без физических кабельных соединений. Пример самого распространенного метода - Wi-Fi.
Статический IPv4-адрес назначается напрямую в настройках устройства или автоматически при подключении к сети и является постоянным.
Для настройки стека протоколов TCP/IP на использование постоянного IPv4-адреса необходимо ввести в консоль команду ipconfig/all и найти следующие данные.
Динамический IPv4-адрес используется какое-то время, сдается в аренду, после чего меняется. Присваивается устройству автоматически при подключении к сети.
Чтобы настроить стек протоколов TCP/IP на использование непостоянного IP-адреса необходимо зайти в свойства нужного соединения, открыть свойства IPv4 и поставить отметки так, как указано.
Данные передаются через физическую среду тремя способами:
Simplex - это односторонняя связь. Передача ведется только одним устройством, в то время как другое только принимает сигнал. Можно сказать, что информация транслируется только в одном направлении.
Примеры симплексной связи:
Half-duplex - это двусторонняя связь. Однако только один узел может передавать сигнал в определенный момент времени. При такой связи два устройства не могут одновременно использовать один канал. Полноценная двусторонняя связь может быть невозможна физически или приводить к коллизиям. Говорится, что они конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании коаксиального кабеля.
Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.
Full Duplex - полноценная двусторонняя связь. Устройства могут одновременно транслировать сигнал и производить прием. Они не конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании технологии Fast Ethernet и соединении с помощью витой пары.
Пример - общение по телефону через мобильную сеть.
Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:
В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.
Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.
Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.
Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.
Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.
Физический представляет собой собственно физическую связь - электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.
Предположим, что вы плохо владеете сетевыми технологиями, и даже не знаете элементарных основ. Но вам поставили задачу: в быстрые сроки построить информационную сеть на небольшом предприятии. У вас нет ни времени, ни желания изучать толстые талмуды по проектированию сетей, инструкции по использованию сетевого оборудования и вникать в сетевую безопасность. И, главное, в дальнейшем у вас нет никакого желания становиться профессионалом в этой области. Тогда эта статья для вас.
Вторая часть этой статьи, где рассматривается практическое применение изложенных здесь основ: Заметки о Cisco Catalyst: настройка VLAN, сброс пароля, перепрошивка операционной системы IOS
На получателе эти порции требуется составить в единое целое, получить ту информацию, которая вышла от отправителя. Но на получателе А теперь мы видим порции информации как от В так и от С вперемешку. Значит, к каждой порции надо вписать идентификационный номер, что бы получатель А мог отличить порции информации с В от порций информации с С и собрать эти порции в изначальное сообщение. Очевидно, получатель должен знать, куда и в каком виде отправитель приписал идентификационные данные к исходной порции информации. И для этого они должны разработать определённые правила формирования и написания идентификационной информации. Далее слово «правило» будет заменяться словом «протокол».
Для соответствия запросам современных потребителей, необходимо указывать сразу несколько видов идентификационной информации. А так же требуется защита передаваемых порций информации как от случайных помех (при передаче по линиям связи), так и от умышленных вредительств (взлома). Для этого порция передаваемой информации дополняется значительным количеством специальной, служебной информацией.
В протоколе Ethernet находятся номер сетевого адаптера отправителя (MAC-адрес), номер сетевого адаптера получателя, тип передаваемых данных и непосредственно передаваемые данные. Порция информации, составленная в соответствии с протоколом Ethernet, называется кадром. Считается, что сетевых адаптеров с одинаковым номером не существует. Сетевое оборудование извлекает передаваемые данные из кадра (аппаратно или программно), и производит дальнейшую обработку.
Как правило, извлечённые данные в свою очередь сформированы в соответствии с протоколом IP и имеют другой вид идентификационной информации - ip адрес получателя (число размером в 4 байта), ip адрес отправителя и данные. А так же много другой необходимой служебной информации. Данные, сформированные в соответствии с IP протоколом, называются пакетами.
Далее извлекаются данные из пакета. Но и эти данные, как правило, ещё не являются изначально отправляемыми данными. Этот кусок информации тоже составлен в соответствии определённому протоколу. Наиболее широко используется TCP протокол. В нём содержится такая идентификационная информация, как порт отправителя (число размером в два байта) и порт источника, а так же данные и служебная информация. Извлечённые данные из TCP, как правило, и есть те данные, которые программа, работающая на компьютере В, отправляла «программе-приёмнику» на компьютере A.
Вложность протоколов (в данном случае TCP поверх IP поверх Ethernet) называется стеком протоколов.
Важно понимать, что узел информационной сети - это компьютер, соединённый одним физическим каналом с коммутирующим оборудованием. Т.е. если мы отправим данные с сетевого адаптера «на волю», то у них одна дорога - они выйдут с другого конца витой пары. Мы можем послать совершенно любые данные, сформированные по любому, выдуманному нами правилу, ни указывая ни ip адреса, ни mac адреса ни других атрибутов. И, если этот другой конец присоединён к другому компьютеру, мы можем принять их там и интерпретировать как нам надо. Но если этот другой конец присоединён к коммутатору, то в таком случае пакет информации должен быть сформирован по строго определённым правилам, как бы давая коммутатору указания, что делать дальше с этим пакетом. Если пакет будет сформирован правильно, то коммутатор отправит его дальше, другому компьютеру, как было указано в пакете. После чего коммутатор удалит этот пакет из своей оперативной памяти. Но если пакет был сформирован не правильно, т.е. указания в нём были некорректны, то пакет «умрёт», т.е. коммутатор не будет отсылать его куда либо, а сразу удалит из своей оперативной памяти.
Для передачи информации другому компьютеру, в отправляемом пакете информации надо указать три идентификационных значения - mac адрес, ip адрес и порт. Условно говоря, порт - это номер, который, выдаёт операционная система каждой программе, которая хочет отослать данные в сеть. Ip адрес получателя вводит пользователь, либо программа сама получает его, в зависимости от специфики программы. Остаётся неизвестным mac адрес, т.е. номер сетевого адаптера компьютера получателя. Для получения необходимой данной, отправляется «широковещательный» запрос, составленный по так называемому «протоколу разрешения адресов ARP». Ниже приведена структура ARP пакета.
Сейчас нам не надо знать значения всех полей на приведённой картинке. Остановимся лишь на основных.
В поля записываются ip адрес источника и ip адрес назначения, а так же mac адрес источника.
Поле «адрес назначения Ethernet» заполняется единицами (ff:ff:ff:ff:ff:ff). Такой адрес называется широковещательным, и такой фрейм будер разослан всем «интерфейсам на кабеле», т.е. всем компьютерам, подключённым к коммутатору.
Коммутатор, получив такой широковещательный фрейм, отправляет его всем компьютерам сети, как бы обращаясь ко всем с вопросом: «если Вы владелец этого ip адреса (ip адреса назначения), пожалуйста сообщите мне Ваш mac адрес». Когда другой компьютер получает такой ARP запрос, он сверяет ip адрес назначения со своим собственным. И если он совпадает, то компьютер, на место единиц вставляет свой mac адрес, меняет местами ip и mac адреса источника и назначения, изменяет некоторую служебную информацию и отсылает пакет обратно коммутатору, а тот обратно - изначальному компьютеру, инициатору ARP запроса.
Таким образом ваш компьютер узнаёт mac адрес другого компьютера, которому вы хотите отправить данные. Если в сети находится сразу несколько компьютеров, отвечающих на этот ARP запрос, то мы получаем «конфликт ip адресов». В таком случае необходимо изменить ip адрес на компьютерах, что бы в сети не было одинаковых ip адресов.
Существует большое множество приложений, программных модулей и сервисов, которые, для своей работы отправляют в сеть широковещательные сообщения. Описанный в пункте ARP: протокол определения адреса лишь один из множества ШС, отправляемый вашим компьютером в сеть. Например, когда вы заходите в «Сетевое окружение» (ОС Windows), ваш компьютер посылает ещё несколько ШС со специальной информацией, сформированной по протоколу NetBios, что бы просканировать сеть на наличие компьютеров, находящихся в той же рабочей группе. После чего ОС рисует найденные компьютеры в окне «Сетевое окружение» и вы их видите.
Так же стоит заметить, что во время процесса сканирования той или иной программой, ваш компьютер отсылает ни одно широковещательное сообщение, а несколько, к примеру для того, что бы установить с удалёнными компьютерами виртуальные сессии или ещё для каких либо системных нужд, вызванных проблемами программной реализации этого приложения. Таким образом, каждый компьютер в сети для взаимодействия с другими компьютерами вынужден посылать множество различных ШС, тем самым загружая канал связи не нужной конечному пользователю информацией. Как показывает практика, в больших сетях широковещательные сообщения могут составить значительную часть трафика, тем самым замедляя видимую для пользователя работу сети.
Фактически, создание двух VLAN-ов на одном коммутаторе эквивалентно покупке двух коммутаторов, т.е. создание двух VLAN-ов - это всё равно, что один коммутатор разделить на два. Таким образом происходит разбиение сети из ста компьютеров на более маленькие сети, из 5-20 компьютеров - как правило именно такое количество соответствует физическому местонахождению компьютеров по надобности файлообмена.
Как сказано выше, VLAN можно представлять в виде списка принадлежащих сети портов. К примеру, на нашем коммутаторе было три VLAN-а, т.е. три списка, хранящиеся во flash-памяти коммутатора. В одном списке были записаны цифры 1, 2, 3… 17, в другом 18, 19, 20, 21 и в третьем 22, 23 и 24. Лидин компьютер раньше был присоединён к 20-ому порту. И вот она перешла в другой кабинет. Перетащили её старый компьютер в новый кабинет, или она села за новый компьютер - без разницы. Главное, что её компьютер присоединили витой парой, другой конец которой вставлен в порт 23 нашего коммутатора. И для того, что бы она со своего нового места могла по прежнему пересылать файлы своим коллегам, администратор должен удалить из второго списка число 20 и добавить число 23. Замечу, что один порт может принадлежать только одному VLAN-у, но мы нарушим это правило в конце этого пункта.
Замечу так же, что при смене членства порта в VLAN, администратору нет никакой нужды «перетыкать» провода в коммутаторе. Более того, ему даже не надо вставать с места. Потому что компьютер администратора присоединён к 22-ому порту, с помощью чего он может управлять коммутатором удалённо. Конечно, благодаря специальным настройкам, о которых будет рассказано позже, лишь администратор может управлять коммутатором. О том, как настраивать VLAN-ы, читайте в пункте VLAN-ы, практика [в следующей статье].
Как вы, наверное, заметили, изначально (в пункте Построение сетей) я говорил, что компьютеров в нашей сети будет не менее 100. Но к коммутатору можно присоединить лишь 24 компьютера. Конечно, есть коммутаторы с большим количеством портов. Но компьютеров в корпоративной сети/сети предприятия всё равно больше. И для соединения бесконечно большого числа компьютеров в сеть, соединяют между собой коммутаторы по так называемому транк-порту (trunk). При настройки коммутатора, любой из 24-портов можно определить как транк-порт. И транк-портов на коммутаторе может быть любое количество (но разумно делать не более двух). Если один из портов определён как trunk, то коммутатор формирует всю пришедшую на него информацию в особые пакеты, по протоколу ISL или 802.1Q, и отправляет эти пакеты на транк-порт.
Всю пришедшую информацию - имеется в виду, всю информацию, что пришла на него с остальных портов. А протокол 802.1Q вставляется в стек протоколов между Ethernet и тем протоколом, по которому были сформированные данные, что несёт этот кадр.
В данном примере, как вы, наверное, заметили, администратор сидит в одном кабинете вместе с Лидой, т.к. витая пора от портов 22, 23 и 24 ведёт в один и тот же кабинет. 24-ый порт настроен как транк-порт. А сам коммутатор стоит в подсобном помещении, рядом со старым кабинетом бухгалтеров и с аудиторией, в которой 17 компьютеров.
Витая пара, которая идёт от 24-ого порта в кабинет к администратору, подключается к ещё одному коммутатору, который в свою очередь, подключён к роутеру, о котором будет рассказано в следующих главах. Другие коммутаторы, которые соединяют другие 75 компьютеров и стоят в других подсобных помещениях предприятия - все они имеют, как правило, один транк-порт, соединённый витой парой или по оптоволокну с главным коммутатором, что стоит в кабинете с администратором.
Выше было сказано, что иногда разумно делать два транк-порта. Второй транк-порт в таком случае используется для анализа сетевого трафика.
Примерно так выглядело построение сетей больших предприятий во времена коммутатора Cisco Catalyst 1900. Вы, наверное, заметили два больших неудобства таких сетей. Во первых, использование транк-порта вызывает некоторые сложности и создаёт лишнюю работу при конфигурировании оборудования. А во вторых, и в самых главных - предположим, что наши «как бы сети» бухгалтеров, экономистов и диспетчеров хотят иметь одну на троих базу данных. Они хотят, что бы та же бухгалтерша смогла увидеть изменения в базе, которые сделала экономистка или диспетчер пару минут назад. Для этого нам надо сделать сервер, который будет доступен всем трём сетям.
Как говорилось в середине этого пункта, порт может находиться лишь в одном VLAN-е. И это действительно так, однако, лишь для коммутаторов серии Cisco Catalyst 1900 и старше и у некоторых младших моделей, таких как Cisco Catalyst 2950. У остальных коммутаторов, в частности Cisco Catalyst 2900XL это правило можно нарушить. При настройке портов в таких коммутаторах, каждый пор может иметь пять режимов работы: Static Access, Multi-VLAN, Dynamic Access, ISL Trunk и 802.1Q Trunk. Второй режим работы именно то, что нам нужно для выше поставленной задачи - дать доступ к серверу сразу с трёх сетей, т.е. сделать сервер принадлежащим к трём сетям одновременно. Так же это называется пересечением или таггированием VLAN-ов. В таком случае схема подключения может быть такой.
На транспортном уровне работают 2 протокола: TCP и UDP.
UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм. Является ненадежным протоколом передачи данных, потому что он не устанавливает и не поддерживает соединения с удаленными узлами. То есть он просто передает данные на нижестоящий уровень и дальнейшая судьба этих данных его не интересует.
Кроме того, он не исправляет ошибки в принятых данных. Если будут обнаружены ошибки, то данные сегменты будут просто уничтожены и без запроса повторной передачи.
Для чего тогда такой протокол нужен?
Он очень полезен там, где передаваемые данные очень критичны к задержкам. Например, при передаче видео и голоса. Там недопустимы задержки, но можно пожертвовать несколькими пакетами в случае обнаружения ошибок - человеческие ухо и глаз не способны заметить потерю нескольких пакетов (если, конечно, число таких пакетов не слишком велико).
Однако для передачи чувствительных данных он совсем не годится, например, при передаче файлов - в данном случае задержки допустимы, но файл должен быть доставлен целостным.
Протокол добавляет следующий заголовок к передаваемым данным
Порт отправителя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое хочет общаться с таким же или другим приложением по сети. Например, Skype использует порт 80. Хотя может использовать и другие порты в зависимости от настроек. То есть, если Алиса пишет сообщение Кате по Skype, то компьютер Кати, приняв сообщение, сможет по номеру порта отправителя определить какое приложение отправило данное сообщение.
Порт получателя
- идентифицирует приложение прикладного уровня, которое принимает сообщения от удаленных узлов. Иными словами, приложение “слушает” сеть на этом порту. Например, тот же Skype может принимать сообщение на порту 80. То есть, если Алиса отправит сообщение Кате на порт 80, то компьютер Кати его примет (при условии, что Skype будет в это время работать). Однако если, Алиса отправит на порт 100, а Катя слушает на порту 80, то компьютер Кати просто cбросит принятое сообщение.
А сколько всего может быть таких портов?
Всего насчитывается 65535 портов. Из них с 0 по 1023 зарезервированы под стандартные приложения, такие как FTP, SMTP, SNMP и другие. Остальные порты с 1024 и по 65535 могут быть использованы для любых других приложений. Эти порты еще называют динамическими, потому что у них нет жесткой привязки к определенному приложению и могут меняться от сеанса к сеансу.
Длина дейтаграммы
- определяет длину всего сегмента, включая и сам заголовок.
Контрольная сумма
- используется для проверки на наличие ошибок.
Как работает проверка?
Способ довольно примитивный. Передающий компьютер вычисляет контрольную сумму всего сегмента по специальному алгоритму и помещает это значение в поле Checksum. Затем принимающий компьютер вычисляет контрольную сумму данного сегмента и сравнивает с суммой в поле Checksum . Если значения совпадают, то сегмент принимается, в противном случае уничтожается.
Ничего, UDP не заботится о дальнейшей судьбе потерянных данных.
TCP (Transmission Control Protocol) - Протокол Управления Передачей. Надежный протокол передачи данных. С помощью него устанавливается и поддерживается связь с удаленными узлами, управляется скорость передачи данных, контролируются ошибки при передаче данных.
Вот как выглядит заголовок сегмента TCP
С некоторыми полями мы уже знакомы. Опишем новые поля.
Порядковый номер
- каждый байт в отправленном сегменте нумеруется для того, чтобы на приеме правильно собрать все сегменты в единый поток. Кроме того, с помощью номера контролируется весь поток данных и исправляются поврежденные сегменты.
Номер подтверждения
- чтобы убедиться, что все переданные сегменты достигли адресата используются номера подтверждения. Например, узел А отправил сегмент с порядковым номером 45 узлу В. Когда узел В примет сегмент с номером 45, то отправит узлу А пустой сегмент с подтверждающим номером 46. Узел А будет знать, что все в порядке и отправит следующий сегмент под номером 46.
Флаги
- специальные знаки-сигналы, указывающие на состояние сессии. Например, запрос на установление соединения или запрос на разрыв соединения.
Размер окна
- определяет количество байт для отправки за один раз. Принимающий узел отправит подтверждение только для последнего байта в сегменте. Таким образом не нужно отправлять подтверждение за каждый байт, экономя тем самым время и канал связи. Например, если размер окна равен 500, то передающий узел сразу же отправит 500 байт данных в сегменте. Принимающий узел, получив все 500 байт, отправит лишь одно подтверждение. Размер окна может меняться в течении всего сеанса связи для регулирования скорости передачи.
А кто устанавливает размер окна?
Оба участника соединения. Например, принимающий узел сообщает передающему узлу размер окна исходя из того, как быстро принимающий узел справляется с поступающими данными. Если он не успевает обработать данные, то уменьшает размер и окна и передающий узел обязан уменьшить объем передаваемых данных.
Чтобы лучше понять назначение всех этих полей рассмотрим принцип работы протокола на примере установления соединения.
Установление соединения (Трехэтапное квитирование)
Процесс установления связи осуществляется в 3 этапа.
Этап 1
Когда сторона А хочет установить связь со стороной В, то сторона А отправляет запрос с установленным флагом SYN. После этого узел А переходит в состояние SYN SENT. Узел В остается в состоянии LISTEN:
Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP (для упрощения восприятия некоторые данные опущены):
Генерируется порядковый номер ISNa = 1 и формируется запрос на установление соединения. Если по истечении таймаута со стороны В не поступает никакого ответа, то узел А снова отправит запрос узлу В.
Этап 2
Когда сторона В принимает запрос SYN, то тоже генерируется порядковый номер ISNb = 200 (в реальности номер может принимать другие значения) для своего сегмента. Для формирования ответа стороне А, узел В устанавливает 2 флага: SYN и ACK. Причем в качестве номера подтверждения берется порядковый номер сегмента стороны А и увеличивается на 1, то есть 1 + 1. Это означает, что запрос успешно принят и ожидается следующий сегмент с номером 2. После того, как сегмент отправлен, узел В переходит в состояние SYN-RECEIVED, узел А остается в состоянии SYN SENT:
Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:
Если по истечении таймаута от узла А не поступит подтверждения, то узел В снова отправит свой запрос.
Этап 3
После того, как узел А примет сразу 2 флага SYN и ACK, причем ACK будет на 1 больше ISN узла А, то сторона А сразу отправит второй сегмент узлу В. ISN будет увеличен на 1. Флаг будет установлен на ACK со значением ISNb + 1, то есть 200 + 1
Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:
Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:
После этого соединение считается успешно установленным, то есть помечается как ESTABLISHED.
Отказ в установлении соединения
Если сторона В по каким-то причинам не может установить соединение со стороной А, то генерируется ответ с флагом RST, которой информирует о прекращении попыток установления связи:
Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:
Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:
Завершение связи
Когда одна из сторон желает завершить сеанс связи, то формирует запрос FIN и переходит в состояние FIN_WAIT 1
Сторона В подтверждает запрос отправкой ACK и переходит в состояние CLOSE_WAIT. Сразу же вслед посылается запрос FIN. После этого узел В переходит в состояние LAST_ACK:
Сторона А подтверждает отправкой ACK и переходит в состояние CLOSED. Когда узел В примет ACK, то также перейдет в состояние CLOSED. На этом сеанс связи завершен:
Контроль над искаженными и потерянными данными
Концепция TCP такова, что передатчик ожидает от приемника получение подтверждения успешного принятия байта. Пока передатчик не убедится, что данные успешно доставлены получателю он не будет передавать следующую порцию данных.
Однако подтверждать каждый переданный байт слишком дорогое удовольствие - растет нагрузка на сеть, значительно замедляется работа протокола.
Поэтому передатчик отправляет сразу несколько сегментов и ждет подтверждения от приемника. Приемнику в свою очередь достаточно отправить одно подтверждение на последний полученный сегмент.
Передатчик поймет, что все отправленные сегменты успешно получены и сразу же отправит очередной набор сегментов
Для реализации данного механизма и используются порядковые и подтверждающие номера. Каждый сегмент нумеруется первым байтом полезной нагрузки. Затем приемник посылает подтверждающий сегмент, где указывает номер первого байта следующего сегмента. Например, первый сегмент имеет 100 байт полезной нагрузки (заголовок не учитывается), второй сегмент - 200 байт. Первому байту первого сегмента присваивается номер 1, у первого байта второго сегмента номер соответственно равен 101 (100 + 1) и так далее
Теперь посмотрим как будет проходить передача сегментов
Вот как это выглядит в сетевом анализаторе:
Если сложить ISN = 2155299270 первого сегмента с длиной данных Len = 711, то получится ISN = 2155299981 второго сегмента. Таким способом приемник формирует ACK SN для 3-го сегмента.
С этим разобрались. Но что произойдет, если данные потеряны или искажены в процессе передачи?
Представим, что сегмент дошел до получателя, однако содержит ошибки. Это проверяется с помощью контрольной суммы. Тогда приемник сбросит искаженный сегмент и отправит подтверждение только за предпоследний сегмент. Передатчик поймет, что первые 2 сегмента получены без ошибок и снова отправит 3-й сегмент
Теперь посмотрим, что произойдет, если один сегмент не дойдет до получателя. В данном случае приемник вышлет подтверждение только за принятые сегменты. А о 3-ем сегменте он вообще ничего не знает, поэтому ничего не отправит.
Передатчик будет ждать определенное время и не дождавшись подтверждения за 3-й сегмент отправит его снова
Вот так и достигается контроль над ошибками данных.
Контроль за передачей данными (Метод скользящего окна)
Протокол TCP является дуплексным, то есть может одновременно работать на прием и передачу. Для этого на приеме и передаче устанавливаются буферы.
Передающий буфер содержит переданные, но еще не подтвержденные байты, а также байты готовые для передачи.
Приемный буфер содержит принятые байты для последующей обработки.
Но для чего нужны буферы, разве не может приемник сразу же обработать поступивший сегмент?
Буферы необходимы для постановки в очередь принятые и передаваемые данные, так как производительность приёмной и передающей систем, а также самой сети разные, то велика вероятность, что система не сможет на “лету” обработать большой объем данных.
Мы знаем, что передатчик может сразу отправить несколько сегментов данных, не дожидаясь подтверждения на каждый сегмент.
Но что делать, если передатчик передает данные с большой скоростью, а буфер приемника не успевает их всех вместить?
Тогда приемник просто сбросит новые поступающие данные и отправит подтверждения только на полученные и обработанные сегменты.
Передатчику придется повторно отправлять данные, пока не получит подтверждения успешного получения.
В данной ситуации приемник работает на пределе своих возможностей, а сеть постоянно загружена. Поэтому в TCP предусмотрен механизм контроля за передачей данных с помощью метода скользящего окна.
И как работает данный механизм?
В TCP заголовке имеется поле “Размер окна
(Window size
)”, которое указывает на то, сколько байт приемник способен принять. Иными словами это говорит о доступности буфера и наличии в нем свободного пространства для поступающих данных.
После установления соединения приемник сообщает передатчику размер окна. Например, приемник сообщил, что окно равно 5 байтам. Передатчик передаст 5 байт информации и ждет подтверждения:
В буфере передатчика в очереди на отправку стоят следующие байты, но они не будут отправлены, пока не будут подтверждены уже отправленные байты. Приемник посылает подтверждение и уведомляет о размере окна равным 5, то есть говорит: “В моем буфере есть 5 свободных мест. Пришли мне еще 5 байт.”
Окно в передающем буфере сместится на 5 байт и новая порция данных будет передана приемнику:
Теперь посмотрим, что произойдет, если приемник не успевает обработать все полученные данные и в его буфере свободное место только для 2-х байт:
Передатчик готов передать следующие 5 байт информации, так как получил подтверждение от приемника. Однако приемник также уведомил передатчик, что в приемном буфере свободно только для 2-х байт, то есть сообщает следующее: “Снижай скорость передачи. Готов принять пока 2 байта.”
И передатчик уменьшает окно и передает только 2 байта
В процессе передачи данных размер окна может постоянно меняться. Это зависит от загруженности сети и производительности передатчиков/приемников.
Что происходит, когда в буфере приемника совсем нет места?
Тогда приемник установит размер окна равным 0. Это означает прекратить передачу данных.
Как же передатчик узнает, что буфер приемника снова готов к работе?
После получения нулевого размера окна передатчик запускает специальный таймер, по истечении которого передатчик отправит пробный сегмент. Если буфер свободен, то приемник ответит на этот пробный сегмент и укажет новый размер окна, в противном случае снова укажет нулевое окно.
Итак подведем краткие итоги.
В таблице представлены сравнение протоколов UDP и TCP, а также функции, возложенные на транспортный уровень
| Функции | TCP | UDP |
| Управление потоком | Да | Нет |
| Контроль над ошибками | Да | Нет |
| Скорость | Медленный | Быстрый |
| Установление соединения | Да | Нет |
| Использование в приложениях чувствительных к задержкам данных | Нет (иногда допустимо) | Да |
| Использование в приложениях менее чувствительных к задержкам данных | Да | Да (но не всегда) |
| Регулирование скорости передачи данных | Да | Нет |
| Запрос на повторную передачу потерянного или искаженного сегмента | Да | Нет |
| Многоканальный | Да | Да Назад |
