Набор интернет-протоколов обеспечивает сквозную передачу данных, определяющую, как данные должны пакетироваться, обрабатываться, передаваться, маршрутизироваться и приниматься. Эта функциональность организована в четыре слоя абстракции, которые классифицируют все связанные протоколы в соответствии с объемом задействованных сетей. От самого низкого до самого высокого уровня - это уровень связи, содержащий методы связи для данных, которые остаются в пределах одного сегмента сети (ссылка); интернет-уровень, обеспечивающий межсетевое взаимодействие между независимыми сетями; транспортный уровень, обрабатывающий связь между хостами; и прикладной уровень, который обеспечивает обмен данными между процессами для приложений.
Развитием архитектуры Интернета и протоколов в модели TCP/IP занимается открытое международное сообщество проектировщиков IETF .
Стек протоколов TCP/IP был создан на основе NCP (Network Control Protocol) группой разработчиков под руководством Винтона Серфа в 1972 году. В июле 1976 года Винт Серф и Боб Кан впервые продемонстрировали передачу данных с использованием TCP по трём различным сетям. Пакет прошел по следующему маршруту: Сан-Франциско - Лондон - Университет Южной Калифорнии. К концу своего путешествия пакет проделал 150 тысяч км, не потеряв ни одного бита. В 1978 году Серф, Джон Постел и Дэнни Кохэн решили выделить в TCP две отдельные функции: TCP и IP (англ. Internet Protocol , межсетевой протокол). TCP был ответственен за разбивку сообщения на датаграммы (англ. datagram ) и соединение их в конечном пункте отправки. IP отвечал за передачу (с контролем получения) отдельных датаграмм. Вот так родился современный протокол Интернета. А 1 января 1983 года ARPANET перешла на новый протокол. Этот день принято считать официальной датой рождения Интернета.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня :
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI . На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.
| Прикладной
(Application layer) |
напр., HTTP , RTSP , FTP , DNS |
||||||||||||||||||||||||||||||
Транспортный
Транспортный уровеньСетевой (межсетевой) уровеньКанальный уровеньКроме 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). При проектировании стека протоколов на канальном уровне рассматривают помехоустойчивое кодирование - позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки в данных вследствие воздействия шумов и помех на канал связи. Сравнение с моделью OSIТри верхних уровня в модели OSI, то есть уровень приложения, уровень представления и уровень сеанса, отдельно не различаются в модели TCP/IP , которая имеет только прикладной уровень над транспортным уровнем. Хотя некоторые чистые приложения протокола OSI, такие как X.400 , также объединяют их, нет требования, чтобы стек протокола TCP/IP должен накладывать монолитную архитектуру над транспортным уровнем. Например, протокол NFS-приложений работает через протокол представления данных External Data Representation (XDR), который, в свою очередь, работает по протоколу Remote Procedure Call (RPC). RPC обеспечивает надежную передачу данных, поэтому он может безопасно использовать транспорт UDP с максимальным усилием. Различные авторы интерпретировали модель TCP/IP по-разному и не согласны с тем, что уровень связи или вся модель TCP/IP охватывает проблемы уровня OSI уровня 1 (физический уровень) или предполагается, что аппаратный уровень ниже уровня канала. Несколько авторов попытались включить слои 1 и 2 модели OSI в модель TCP/IP, поскольку они обычно упоминаются в современных стандартах (например, IEEE и ITU). Это часто приводит к модели с пятью слоями, где уровень связи или уровень доступа к сети разделяются на слои 1 и 2 модели OSI. Усилия по разработке протокола IETF не касаются строгого расслоения. Некоторые из его протоколов могут не соответствовать чисто модели OSI, хотя RFC иногда ссылаются на нее и часто используют старые номера уровня OSI. IETF неоднократно заявлял, что разработка интернет-протокола и архитектуры не должна соответствовать требованиям OSI. В RFC 3439 , адресованном интернет-архитектуре, содержится раздел, озаглавленный «Слой, считающийся вредным». Например, считается, что уровни сеанса и представления пакета OSI включены в прикладной уровень пакета TCP/IP. Функциональность уровня сеанса можно найти в протоколах, таких как HTTP и SMTP , и более очевидна в таких протоколах, как Telnet и протокол инициации сеанса (SIP). Функциональность уровня сеанса также реализована с нумерацией портов протоколов TCP и UDP, которые охватывают транспортный уровень в наборе TCP/IP. Функции уровня представления реализуются в приложениях TCP/IP со стандартом MIME при обмене данными. Конфликты очевидны также в оригинальной модели OSI, ISO 7498, когда не рассматриваются приложения к этой модели, например, ISO 7498/4 Management Framework или ISO 8648 Internal Organization of the Network layer (IONL). Когда рассматриваются документы IONL и Management Framework, ICMP и IGMP определяются как протоколы управления уровнем для сетевого уровня. Аналогичным образом IONL предоставляет структуру для «зависимых от подсетей объектов конвергенции», таких как ARP и RARP. Протоколы IETF могут быть инкапсулированы рекурсивно, о чем свидетельствуют протоколы туннелирования, такие как Инкапсуляция общей маршрутизации (GRE). GRE использует тот же механизм, который OSI использует для туннелирования на сетевом уровне. Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают. К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень - «Internetworking» - между канальным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP . Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:
Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня модели OSI (прикладной , представления и сеансовый) объединяют в один - прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению. Описание модели TCP/IP в технической литературеПримечания
|
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.
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.
Стек протоколов TCP/IP
Корпоративная сеть - это сложная система, состоящая из большого числа разнообразных устройств: компьютеров, концентраторов, маршрутизаторов , коммутаторов, системного прикладного программного обеспечения и т.д. Основная задача системных интеграторов и администраторов сетей состоит в том, чтобы эта система как можно лучше справлялась с обработкой потоков информации и позволяла получать правильные решения пользовательских задач в корпоративной сети. Прикладное программное обеспечение запрашивает сервис, обеспечивающий связь с другими прикладными программами. Этим сервисом является механизм межсетевого обмена.
Корпоративная информация, интенсивность ее потоков и способы ее обработки постоянно меняются. Примером резкого изменения технологии обработки корпоративной информации стал беспрецедентный рост популярности глобальной сети Internet за последние 2-3 года. Сеть Internet изменила способ представления информации, собрав на своих серверах все ее виды - текст, графику и звук. Транспортная система сети Internet существенно облегчила задачу построения распределенной корпоративной сети.
Соединение и взаимодействие в рамках одной мощной компьютерной сети явилось целью проектирования и создания семейства протоколов, названных в дальнейшем стеком протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol ) . Главной идеей стека является создание механизма межсетевого обмена.
Стек протоколов TCP/IP широко применяется во всем мире для объединения компьютеров в сети Internet . TCP / IP - это общее название, присвоенное семейству протоколов передачи данных, используемых для связи компьютеров и другого оборудования в корпоративной сети.
Основное достоинство стека протоколов TCP/IP в том, что он обеспечивает надежную связь между сетевым оборудованием от различных производителей. Это достоинство обеспечивается включением в состав TCP/IP отработанного в процессе эксплуатации набора коммуникационных протоколов с различными стандартизованными приложениями. Протоколы стека TCP/IP предоставляют механизм передачи сообщений, описывают детали форматов сообщений и указывают, как обрабатывать ошибки. Протоколы позволяют описать и понять процессы передачи данных, не учитывая тип оборудования, на котором эти процессы происходят.
История создания стека протоколов TCP/IP началась с момента, когда Министерство обороны США столкнулось с проблемой объединения большого числа компьютеров с различными операционными системами. Для этого в 1970 году был составлен набор стандартов. Протоколы, разработанные на базе этих стандартов, получили обобщенное название TCP/IP.
Стек протоколов TCP/IP был изначально предназначен для сети Advanced Research Project Agency Network (ARPANET ). ARPANET рассматривалась как экспериментальная распределенная сеть коммутации пакетов. Эксперимент по применению стека протоколов TCP/IP в этой сети закончился с положительными результатами. Поэтому стек протоколов был принят в промышленную эксплуатацию, а в дальнейшем был расширен и усовершенствовался в течение нескольких лет. Позже стек адаптировали для использования в локальных сетях. В начале 1980 года протокол стал использоваться как интегральная часть операционной системы Вег kley UNIX v 4.2. В этом же году появилась объединенная сеть Internet . Переход к технологии Internet был завершен в 1983 году, когда Министерство обороны США установило, что все компьютеры, присоединенные к глобальной сети, используют стек протоколов TCP/IP.
Стек протоколов TCP/IP предоставляет пользователям два основных сервиса , которые используют прикладные программы:
Дейтаграммное средство доставки пакетов . Это означает, что протоколы стека TCP/IP определяют маршрут передачи небольшого сообщения, основываясь только на адресной информации, находящейся в этом сообщении. Доставка осуществляется без установки логического соединения. Такой тип доставки делает протоколы TCP/IP адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования.
Надежное потоковое транспортное средство . Большинство приложений требует от коммуникационного программного обеспечения автоматического восстановления при ошибках передачи, потере пакетов или сбоях в промежуточных маршрутизаторах . Надежное транспортное средство позволяет устанавливать логическое соединение между приложениями, а затем посылать большие объемы данных по этому соединению.
Основными преимуществами стека протоколов TCP/IP являются:
Независимость от сетевой технологии. Стек протоколов TCP/IP не зависит от оборудования конечных пользователей, так как он только определяет элемент передачи - дейтаграмму - и описывает способ ее движения по сети.
Всеобщая связанность. Стек позволяет любой паре компьютеров, которые его поддерживают, взаимодействовать друг с другом. Каждому компьютеру назначается логический адрес, а каждая передаваемая дейтаграмма содержит логические адреса отправителя и получателя. Промежуточные маршрутизаторы используют адрес получателя для принятия решения о маршрутизации.
Межконцевые подтверждения. Протоколы стека TCP/IP обеспечивают подтверждение правильности прохождения информации при обмене между отправителем и получателем.
Стандартные прикладные протоколы. Протоколы TCP/IP включают в свой состав средства для поддержки наиболее часто встречающихся приложений, таких как электронная почта, передача файлов, удаленный доступ и т.д.
Резкий рост сети Internet и, естественно, ускоренное развитие стека протоколов TCP/IP потребовали от разработчиков создания серии документов, которые способствовали бы дальнейшему упорядоченному развитию протоколов. Организация Internet Activities Board (IAB ) разработала серию документов, называемых RFC (Request For Comments ). Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, другие документы описывают условия их применения. В том числе в RFC опубликованы стандарты стека протоколов TCP/IP. При этом следует иметь в виду, что стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC , но не все RFC определяют стандарты.
Документы RFC первоначально публиковались в электронном виде и могли комментироваться теми, кто принимал участие в их обсуждении. Документ мог претерпевать несколько изменений до тех пор, пока не будет достигнуто общее соглашение по его содержанию. Если документ при этом регламентировал новую идею, то ему присваивался номер, и он помещался к другим RFC . При этом каждому новому документу присваивается статус, регламентирующий необходимость его внедрения. Выход в свет нового документа RFC вовсе не означает, что все производители оборудования и программного обеспечения должны внедрять его в своей продукции. В приложении № 2 приведены описания некоторых документов RFC и их статусов.
1.Состояние стандартизации. Протокол может иметь несколько состояний:
стандарт на протокол утвержден;
стандарт на протокол предлагается к рассмотрению;
предлагается экспериментальный протокол;
протокол устарел и в настоящее время не используется.
2.Статус протокола. Протокол может иметь несколько статусов:
протокол требуется для внедрения;
протокол может внедряться производителем по выбору;
При эксплуатации сложной корпоративной сети возникает масса не связанных между собой проблем. Решить их функциональными возможностями одного протокола практически невозможно. Такой протокол должен был бы:
распознавать сбои в сети и восстанавливать ее работоспособность;
распределять пропускную способность сети и знать способы уменьшения потока данных при перегрузке;
распознавать задержки и потери пакетов, знать способ уменьшения ущерба от этого;
распознавать ошибки в данных и информировать о них прикладное программное обеспечение;
производить упорядоченное движение пакетов в сети.
Такое количество функциональных возможностей не под силу одному протоколу. Поэтому был создан набор взаимодействующих протоколов, названный стеком.
Так как стек протоколов TCP/IP был разработан до появления эталонной модели OSI , то соответствие его уровней уровням модели OSI достаточно условно. Структура стека протоколов TCP/IP приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структура стека протоколов TCP/IP .
Рис. 1. 2. Путь передачи сообщений .
Теоретически посылка сообщения от одной прикладной программы к другой означает последовательную передачу сообщения вниз через соседние уровни стека у отправителя, передачу сообщений по уровню сетевого интерфейса (уровню IV ) или, в соответствии с эталонной моделью OSI , по физическому уровню, прием сообщения получателем и передачу его вверх через соседние уровни протокольного программного обеспечения. На практике взаимодействие уровней стека организовано гораздо сложнее. Каждый уровень принимает решение о корректности сообщения и производит определенное действие на основании типа сообщения или адреса назначения. В структуре стека протоколов TCP/IP имеется явный «центр тяжести» - это сетевой уровень и протокол IP в нем. Протокол IP может взаимодействовать с несколькими модулями протоколов более высокого уровня и несколькими сетевыми интерфейсами. То есть на практике процесс передачи сообщений от одной прикладной программы к другой будет выглядеть следующим образом: отправитель передает сообщение, которое на уровне III про токолом IP помещается в дейтаграмму и посылается в сеть (сеть 1). На промежуточных устройствах, например маршрутизаторах , дейтаграмма передается вверх до уровня протокола IP , который отправляет ее обратно вниз, в другую сеть (сеть 2). Когда дейтаграмма достигает получате ля, протокол IP выделяет сообщение и передает его на верхние уровни. Рис. 1.2 иллюстрирует данный процесс.
Структуру стека протоколов TCP/IP можно разделить на четыре уровня . Самый нижний - уровень сетевого интерфейса (уровень IV ) -соответствует физическому и канальному уровню модели OSI . В стеке протоколов TCP/IP этот уровень не регламентирован. Уровень сетево го интерфейса отвечает за прием дейтаграмм и передачу их по конкрет ной сети. Интерфейс с сетью может быть реализован драйвером уст ройства или сложной системой, которая использует свой протокол ка нального уровня (коммутатор, маршрутизатор ). Он поддерживает стан дарты физического и канального уровня популярных локальных сетей: Ethernet , Token Pang , FDDI и т.д. Для распределенных сетей поддержи ваются проколы соединений РРР и SLIP , а для глобальных сетей - протокол Х.25. Предусмотрена поддержка использования развивающейся технологии коммутации ячеек - ATM . Обычной практикой стало вклю чение в стек протоколов TCP/IP новых технологий локальных или рас пределенных сетей и регламентация их новыми документами RFC .
Сетевой уровень (уровень III ) - это уровень межсетевого взаимо действия. Уровень управляет взаимодействием между пользователями в сети. Он принимает от транспортного уровня запрос на посылку пакета от отправителя вместе с указанием адреса получателя. Уровень инкапсулирует пакет в дейтаграмму, заполняет ее заголовок и при необходи мости использует алгоритм маршрутизации. Уровень обрабатывает при ходящие дейтаграммы и проверяет правильность поступившей инфор мации. На стороне получателя программное обеспечение сетевого уровня удаляет заголовок и определяет, какой из транспортных протоколов будет обрабатывать пакет.
В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке TCP/IP используется протокол IP , который и создавался с целью передачи ин формации в распределенных сетях. Достоинством протокола IP является возможность его эффективной работы в сетях со сложной топологи ей. При этом протокол рационально использует пропускную способ ность низкоскоростных линий связи. В основе протокола IP заложен дейтаграммный метод, который не гарантирует доставку пакета, но на правлен на ее осуществление.
К этому уровню относятся все протоколы, которые создают, под держивают и обновляют таблицы маршрутизации. Кроме того, на этом уровне функционирует протокол обмена информацией об ошибках меж ду маршрутизаторами в сети и отправителями.
Следующий уровень - транспортный (уровень II ) . Основной его задачей является обеспечение взаимодействия между прикладными про граммами. Транспортный уровень управляет потоком информации с обес печением надежной передачи. Для этого использован механизм подтвер ждения правильного приема с дублированием передачи утерянных или пришедших с ошибками пакетов. Транспортный уровень принимает дан ные от нескольких прикладных программ и посылает их более низкому уровню. При этом он добавляет дополнительную информацию к каждо му пакету, в том числе и значение вычисленной контрольной суммы.
На этом уровне функционирует протокол управления передачей данных TCP (Transmission Control Protocol ) и протокол передачи при кладных пакетов дейтаграммным методом UDP (User Datagram Protocol ). Протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных за счет образования логических соединений между удаленными прикладными процессами. Работа протокола UDP аналогична работе протокола IP , но основной его задачей является выполнение функций связующего звена между сетевым протоколом и различными приложениями.
Самый верхний уровень (уровень I ) - прикладной . На нем реализованы широко используемые сервисы прикладного уровня. К ним от носятся: протокол передачи файлов между удаленными системами, про токол эмуляции удаленного терминала, почтовые протоколы и т.д. Каж дая прикладная программа выбирает тип транспортировки - либо не прерывный поток сообщений, либо последовательность отдельных со общений. Прикладная программа передает данные транспортному уров ню в требуемой форме.
Рассмотрение принципов функционирования стека протоколов TCP/IP целесообразно проводить, начиная с протоколов третьего уров ня. Это связано с тем, что протоколы более высоких уровней в своей работе опираются на функциональные возможности протоколов нижних уровней. Для понимания проблем маршрутизации в распределен ных сетях изучение протоколов рекомендуется проводить в следующей последовательности: IP , ARP , ICMP , UDP и TCP . Это связано с тем, что для доставки информации между удаленными системами в распределенной сети используется в той или иной степени все семейство сте ка протоколов TCP/IP.
Стек протоколов TCP/IP включает в свой состав большое число протоколов прикладного уровня. Эти протоколы выполняют различные функции, в том числе: управление сетью, передачу файлов, оказание распределенных услуг при использовании файлов, эмуляцию термина лов, доставку электронной почты и т.д. Протокол передачи файлов (File Transfer Protocol - FTP ) обеспечивает перемещение файлов между ком пьютерными системами. Протокол Telnet обеспечивает виртуальную тер минальную эмуляцию. Простой протокол управления сетью (Simple Network Management Protocol - SNMP ) является протоколом управле ния сетью, используемым для сообщений об аномальных условиях в сети и установления значений допустимых порогов в сети. Простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol - SMTP ) обеспечивает механизм передачи электронной почты. Эти протоколы и другие прило жения используют услуги стека TCP/IP для обеспечения пользователей базовыми сетевыми услугами.
Более подробно протоколы прикладного уровня стека протоколов TCP/IP в рамках данного материала не рассматриваются.
Перед рассмотрением протоколов стека TCP/IP введем базовые термины, определяющие названия фрагментов информации, передава емой между уровнями. Название блока данных, передаваемого по сети, зависит от того, на каком уровне стека протоколов он находится. Блок данных, с которым имеет дело сетевой интерфейс, называется кадром . Если блок данных находится между сетевым интерфейсом и сетевым уровнем, то он называется IP -дейтаграммой (или просто дейтаграм мой). Блок данных, циркулирующий между транспортным и сетевым уровнями и выше, называется IP -пакетом . На рис. 1.3 показано соот ветствие обозначений блоков данных уровням стека протоколов TCP/IP.
Рис. 1. 3. Обозначение фрагментов информации на уровнях стека TCP/IP.
Очень важно дополнить описание уровней стека протоколов TCP/IP описанием различия между передачей от отправителя непосредственно к получателю и передачей через несколько сетей. На рис. 4 показано различие между этими видами передач.
Рис. 1.4. Способы передачи информации.
При доставке сообщения через две сети с применением маршрутизатора оно использует два разных сетевых кадра (кадр 1 и кадр 2). Кадр 1 - для передачи от отправителя до маршрутизатора , кадр 2 - от маршрутизатора до получателя.
Прикладной и транспортный уровни могут устанавливать соединения, поэтому принцип разделения на уровни определяет, что пакет, принятый транспортным уровнем получателя, должен быть идентичен пакету, посланному транспортным уровнем отправителя.
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.
