Вы видите, что TCP/IP располагается на третьем и четвертом уровнях модели OSI . Смысл этого состоит в том, чтобы оставить технологию работы LAN разработчикам. Целью TCP/IP является передача сообщений в локальных сетях любого типа и установка связи с помощью любого сетевого приложения.
Протокол TCP/IP функционирует за счет того, что он связан с моделью OSI на двух самых нижних уровнях - на уровне передачи данных и физическом уровне. Это позволяет TCP/IP находить общий язык практически с любой сетевой технологией и, как результат, с любой компьютерной платформой. TCP/IP включает в себя четыре абстрактных уровня, перечисленных ниже.
Рис.
3.1.
- Сетевой интерфейс. Позволяет TCP/IP активно взаимодействовать со всеми современными сетевыми технологиями, основанными на модели OSI.
- Межсетевой. Определяет, как IP управляет пересылкой сообщений через маршрутизаторы сетевого пространства, такого как интернет.
- Транспортный. Определяет механизм обмена информацией между компьютерами.
- Прикладной. Указывает сетевые приложения для выполнения заданий, такие как пересылка, электронная почта и прочие.
Благодаря своему широкому распространению протокол TCP/IP фактически стал интернет -стандартом. Компьютер , на котором реализована сетевая технология , основанная на модели OSI ( Ethernet или Token Ring ), имеет возможность устанавливать связь с другими устройствами. В "Основы организации сети" мы рассматривали уровни 1 и 2 при обсуждении LAN -технологий. Теперь мы перейдем к стеку OSI и посмотрим, каким образом компьютер устанавливает связь в интернете или в частной сети. В этом разделе рассматривается протокол TCP/IP и его конфигурации.
Что такое TCP/IP
То, что компьютеры могут общаться между собой, само по себе представляется чудом. Ведь это компьютеры от разных производителей, работающие с различными операционными системами и протоколами. При отсутствии какой-то общей основы такие устройства не смогли бы обмениваться информацией. При пересылке по сети данные должны иметь такой формат, который был бы понятен как отправляющему устройству, так и принимающему.
TCP/IP удовлетворяет этому условию за счет своего межсетевого уровня. Этот уровень напрямую совпадает с сетевым уровнем эталонной модели OSI и основан на фиксированном формате сообщений, называемом IP-дейтаграммой. Дейтаграмма - это нечто вроде корзины, в которую помещена вся информация сообщения. Например, при загрузке веб-страницы в браузер то, что вы видите на экране, доставлено по частям дейтаграммой.
Легко перепутать дейтаграммы с пакетами. Дейтаграмма - это информационная единица, в то время как пакет - это физический объект сообщения (созданный на третьем и более высоких уровнях), который действительно пересылается в сети. Хотя некоторые считают эти термины взаимозаменяемыми, их различие на самом деле имеет значение в определенном контексте - не здесь, конечно. Важно понять то, что сообщение разбивается на фрагменты, передается по сети и собирается заново на принимающем устройстве.
Положительным в таком подходе является то, что если один-единственный пакет будет испорчен во время передачи, то потребуется повторная передача только этого пакета, а не сообщения целиком. Другой положительный момент состоит в том, что ни одному хосту не приходится ждать неопределенно долгое время, пока не закончится передача на другом хосте, чтобы послать свое собственное сообщение.
TCP и UDР
При пересылке IP-сообщения по сети используется один из протоколов транспортировки: TCP или UDР. TCP (Transmission Control Protocol) составляет первую половину аббревиатуры TCP/IP. Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDР) используется вместо ТСР для транспортировки менее важных сообщений. Оба протокола служат для корректного обмена сообщениями в сетях TCP/IP. Между этими протоколами есть одно существенное различие.
ТСР называют надежным протоколом, так как он связывается с получателем для проверки факта получения сообщения.
UDР называют ненадежным протоколом, так как он даже не пытается устанавливать связь с получателем, чтобы убедиться в доставке.
Важно помнить, что для доставки сообщения можно воспользоваться только одним протоколом. Например, при загрузке веб-страницы доставкой пакетов управляет ТСР без всякого вмешательства UDP. С другой стороны, простой протокол передачи файлов (Trivial File Transfer Protocol, TFTP) загружает или отправляет сообщения под контролем протокола UDP.
Используемый способ транспортировки зависит от приложения - это может быть электронная почта, НТТР, приложение, отвечающее за сетевую работу, и так далее. Разработчики сетевых программ используют UDP везде, где только можно, так как этот протокол снижает избыточный трафик. Протокол ТСР прилагает больше усилий для гарантированной доставки и передает гораздо больше пакетов, чем UDP. На рисунке 3.2 представлен список сетевых приложений, и показано, в каких приложениях применяется ТСР, а в каких - UDP. Например, FTP и TFTP делают практически одно и то же. Однако TFTP, в основном, применяется для загрузки и копирования программ сетевых устройств. TFTP может использовать UDP, потому что при неудачной доставке сообщения ничего страшного не происходит, поскольку сообщение предназначалось не конечному пользователю, а администратору сети, уровень приоритета которого гораздо ниже. Другим примером является сеанс голосовой видеосвязи, в котором могут быть задействованы порты как для ТСР-сессий, так и для UDP. Так, сеанс TCP инициируется для обмена данными при установке телефонной связи, в то время как сам телефонный разговор передается посредством UDP. Это связано со скоростью потоковой передачи голоса и видео. В случае потери пакета не имеет смысла повторно посылать его, так как он уже не будет соответствовать потоку данных.
Рис. 3.2.
Формат IP-дейтаграммы
IP-пакеты можно разбивать на дейтаграммы. Формат дейтаграммы создает поля для полезной нагрузки и для данных управления передачей сообщения. На рисунке 3.3 показана схема дейтаграммы.
Примечание. Пусть вас не вводит в заблуждение величина поля данных в дейтаграмме. Дейтаграмма не перегружена дополнительными данными. Поле данных является на самом деле самым большим полем дейтаграммы.
Рис. 3.3.
Важно помнить, что IP-пакеты могут иметь различную длину. В "Основы организации сети" говорилось о том, что информационные пакеты в сети Ethernet имеют размер от 64 до 1400 байт. В сети Token Ring их длина составляет 4000 байт, в сети ATM - 53 байта.
Примечание. Использование в дейтаграмме байтов может привести вас в недоумение, так как передача данных чаще связана с такими понятиями, как мегабиты и гигабиты в секунду. Однако в связи с тем, что компьютеры предпочитают работать с байтами данных, в дейтаграммах также используются байты.
Если вы еще раз посмотрите на формат дейтаграммы на рисунке 3.3 , то заметите, что крайние поля слева имеют постоянную величину. Так происходит, потому что центральный процессор, работающий с пакетами, должен знать, где начинается каждое поле. Без стандартизации этих полей конечные биты будут представлять собой мешанину из нулей и единиц. В правой части дейтаграммы находятся пакеты переменной длины. Назначение различных полей дейтаграммы состоит в следующем.
- VER . Версия протокола IP, используемого станцией, где появилось исходное сообщение. Текущей версией IP является версия 4. Это поле обеспечивает одновременное существование различных версий в межсетевом пространстве.
- HLEN. Поле информирует получающее устройство о длине заголовка, чтобы центральный процессор знал, где начинается поле данных.
- Service type (Тип сервиса). Код, сообщающий маршрутизатору о типе управления пакетом с точки зрения уровня сервиса (надежность, первоочередность, отсрочка и т. д.).
- Length (Длина). Общее количество байт в пакете, включая поля заголовка и поле данных.
- ID, frags и frags offset. Эти поля указывают маршрутизатору, как следует проводить фрагментацию и сборку пакета и как компенсировать различия в размере кадров, которые могут возникать во время прохождения пакета по сегментам локальной сети с различными сетевыми технологиями (Ethernet, FDDI и т.д.).
- TTL. Аббревиатура для Time to Live (Время жизни) - число, которое уменьшается на единицу при каждой последующей пересылке пакета. Если время жизни становится равным нулю, то пакет прекращает существование. TTL предотвращает возникновение циклов и бесконечное блуждание потерянных пакетов в межсетевом пространстве.
- Protocol. Протокол транспортировки, который следует использовать для передачи пакета. Чаще всего в этом поле указывается протокол TCP, но могут быть использованы и другие протоколы.
- Header checksum . Контрольная сумма - это число, которое используется для проверки целостности сообщения. Если контрольные суммы всех пакетов сообщения не совпадают с правильным значением, то это означает, что сообщение было искажено.
- Source IP address (Адрес отправителя). 32-битный адрес хоста, отправившего сообщение (обычно персональный компьютер или сервер).
- Destination IP address (Адрес получателя). 32-битный адрес хоста, которому отправлено сообщение (обычно персональный компьютер или сервер).
- IP options. Используются для тестирования сети или других специальных целей.
- Padding. Заполняет все неиспользованные (пустые) позиции битов, чтобы процессор мог правильно определить позицию первого бита в поле данных.
- Data. Полезная нагрузка отправленного сообщения. Например, в поле данных пакета может содержаться текст электронного письма.
Как говорилось ранее, пакет состоит из двух основных компонентов: данных об обработке сообщения, размещенных в заголовке, и собственно информации. Информационная часть находится в секторе полезной нагрузки. Можете представить себе этот сектор в виде грузового отсека космического корабля. Заголовок - это все бортовые компьютеры шаттла в кабине управления. Он распоряжается всей информацией, необходимой всевозможным маршрутизаторам и компьютерам на пути следования сообщения, и используется для поддержания определенного порядка сборки сообщения из отдельных пакетов.
Интернет – глобальная система взаимосвязанных компьютерных, локальных и других сетей, которые взаимодействуют друг с другом посредством стека протоколов TCP/IP (рис. 1.).
Рисунок 1 – Обобщенная схема сети Интернет
Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к нему. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.
Основные ячейки Интернета – локальные вычислительные сети (LAN – Local Area network). Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Интернету, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к нему. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету. Они называются хост-компьютерами (host – хозяин).
Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.
Важной особенностью сети Интернет является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны.
Еще одной отличительной особенностью Интернета является высокая надежность. При выходе из строя части компьютеров и линий связи сеть будет продолжать функционировать. Такая надежность обеспечивается тем, что в Интернете нет единого центра управления. Если выходят из строя некоторые линии связи или компьютеры, то сообщения могут быть переданы по другим линиям связи, так как всегда имеется несколько путей передачи информации.
Интернет не является коммерческой организацией и никому не принадлежит. Пользователи Интернета имеются практически во всех странах мира.
Пользователи подключаются к сети через компьютеры специальных организаций, которые называются поставщиками услуг Интернета. Соединение с Интернетом может быть постоянным или временным. Поставщики услуг Интернета имеют множество линий для подключения пользователей и высокоскоростные линии для связи с остальной частью Интернета. Часто мелкие поставщики подключены к более крупным, которые, в свою очередь, подключены к другим поставщикам.
Организации, соединенные друг с другом самыми скоростными линиями связи, образуют базовую часть сети, или хребет Интернета Backbon [Бэкбон]. Если поставщик подключен непосредственно к хребту, то скорость передачи информации будет максимальной.
В действительности разница между пользователями и поставщиками услуг Интернета достаточно условна. Любой человек, подключивший свой компьютер или свою локальную вычислительную сеть к Интернету и установивший необходимые программы, может предоставлять услуги подключения к сети другим пользователям. Одиночный пользователь, в принципе, может подключиться скоростной линией непосредственно к хребту Интернета.
В общем случае, Интернет осуществляет обмен информацией между любыми двумя компьютерами, подключенными к сети. Компьютеры, подключенные к Интернету, часто называютузлами Интернета, или сайтами, от английского слова site, которое переводится как место, местонахождение. Узлы, установленные у поставщиков услуг Интернета, обеспечивают доступ пользователей к Интернету. Существуют также узлы, специализирующиеся на предоставлении информации. Например, многие фирмы создают узлы в Интернете, с помощью которых они распространяют информацию о своих товарах и услугах.
Как же осуществляется передача информации? В Интернете используются два основных понятия: адрес и протокол . Свой уникальный адрес имеет любой компьютер, подключенный к Интернету. Так же, как почтовый адрес однозначно определяет местонахождение человека, адрес в Интернете однозначно определяет местонахождение компьютера в сети. Адреса в Интернете являются важнейшей его частью, и ниже о них будет подробно рассказано.
Данные, пересылаемые с одного компьютера на другой с использованием Интернета, разбивается на пакеты. Они перемещаются между компьютерами, составляющими узлы сети. Пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Каждый пакет имеет свою маркировку, что обеспечивает правильную сборку документа на компьютере, которому адресовано сообщение.
Что такое протокол? Как ранее было сказано, протокол - это правила взаимодействия. Например, дипломатический протокол предписывает, как поступать при встрече зарубежных гостей или при проведении приема. Так же сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Стандартные протоколы заставляют разные компьютеры "говорить на одном языке". Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернету разнотипных компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.
Базовыми протоколами Интернета является стек протоколов TCP/IP. Прежде всего требуется уточнить, что, в техническом понимании TCP/IP - это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях сетевой модели (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP - протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача данных. Протокол IP - адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.
Протокол TCP. Согласно Протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.
Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке, когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество ТСР-пакетов от многочисленных клиентов.
Когда мы работаем в Интернете, то по одной единственной телефонной линии можем одновременно принимать документы из Америки, Австралии и Европы. Пакеты каждого из документов поступают порознь, с разделением во времени, и по мере поступления собираются в разные документы.
Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (Internet Protocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто - четырьмя числами, например: 195.38.46.11. Структуру IP-адреса мы подробнее рассмотрим позже. Она организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа перебросок ТСР-пакет достигает адресата.
Слово «ближе» взято в кавычки не случайно. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства - маршрутизаторы. Роль маршрутизаторов в сети обычно выполняют специализированные компьютеры, но это могут быть и специальные программы, работающие на узловых серверах сети.
Стек протоколов TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP - набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.
Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack , стопка) - это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:
- прикладной уровень (application layer),
- транспортный уровень (transport layer),
- сетевой уровень (internet layer),
- канальный уровень (link layer).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI (таблица 1). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.
Таблица 1 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI
Прикладной уровень
На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений.
Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:
- HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
- FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
- запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.
Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).
TCP (IP идентификатор 6) - «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.
И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.
Сетевой уровень
Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).
ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий - транспортный - уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.
Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число - уникальный IP-номер протокола . ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.
Канальный уровень
Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.
Примеры протоколов канального уровня - Ethernet, Wi-Fi, Frame Relay, Token Ring, ATM и др.
Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.
Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Инкапсуляция
Инкапсуляция – упаковка, или вложение, пакетов высокого уровня (возможно, разного протокола) в пакеты одного протокола (нижнего уровня), включая адрес.
Например, когда приложению требуется послать сообщение с помощью TCP, то производится следующая последовательность действий (рис. 2):
Рисунок 2 – Процесс инкапсуляции
- в первую очередь, приложение заполняет специальную структуру данных, в которой указывает информацию о получателе (сетевой протокол, IP-адрес, порт TCP);
- передаёт сообщение, его длину и структуру с информацией о получателе обработчику протокола TCP (транспортный уровень);
- обработчик TCP формирует сегмент, в котором в качестве данных выступает сообщение, а в заголовках находится TCP-порт получателя (а также другие данные);
- обработчик TCP передаёт сформированный сегмент обработчику IP (сетевой уровень);
- обработчик IP рассматривает переданный TCP сегмент как данные и предваряет их своим заголовком (в котором, в частности, находится IP-адрес получателя, взятый из той же структуры данных приложения, и номер верхнего протокола;
- полученный пакет обработчик IP передаёт на канальный уровень, который опять-таки рассматривает данный пакет как «сырые» данные;
- обработчик канального уровня, аналогично предыдущим обработчикам, добавляет в начало свой заголовок (в котором так же указывается номер протокола верхнего уровня, в нашем случае это 0x0800(IP)) и, в большинстве случаев, добавляет конечную контрольную сумму, тем самым формируя кадр;
- далее полученный кадр передаётся на физический уровень, который осуществляет преобразование битов в электрические или оптические сигналы и посылает их в среду передачи.
На стороне получателя для распаковки данных и предоставления их приложению производится обратный процесс (снизу вверх), называемый декапсуляцией.
Похожая информация.
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
Понятие о стеке протоколов
Задача - передать информацию от пункта А в пункт В. Её можно передавать непрерывно. Но задача усложняется, если надо передавать информацию между пунктами A<-->B и A<-->C по одному и тому же физическому каналу. Если информация будет передаваться непрерывно, то когда С захочет передать информацию в А - ему придётся дождаться, пока В закончит передачу и освободит канал связи. Такой механизм передачи информации очень неудобен и непрактичен. И для решения этой проблемы было решено разделять информацию на порции.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.
ARP: протокол определения адреса
Существуют сети классов A, B, C, D и E. Они различаются по количеству компьютеров и по количеству возможных сетей/подсетей в них. Для простоты, и как наиболее часто встречающийся случай, будем рассматривать лишь сеть класса C, ip-адрес которой начинается на 192.168. Следующее число будет номером подсети, а за ним - номер сетевого оборудования. К примеру, компьютер с ip адресом 192.168.30.110 хочет отправить информацию другому компьютеру с номером 3, находящемуся в той же логической подсети. Это значит, что ip адрес получателя будет такой: 192.168.30.3Важно 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.
Построение сетей
Задача построения сетей
На практике, как правило, требуется построить сети, число компьютеров в которой будет не менее ста. И кроме функций файлообмена, наша сеть должна быть безопасной и простой в управлении. Таким образом, при построении сети, можно выделить три требования:- Простота в управлении. Если бухгалтера Лиду переведут в другой кабинет, ей по-прежнему понадобится доступ к компьютерам бухгалтеров Анны и Юлии. И при неправильном построении своей информационной сети, у администратора могут возникнуть трудности в выдаче Лиде доступа к компьютерам других бухгалтеров на её новом месте.
- Обеспечение безопасности. Для обеспечения безопасности нашей сети, права доступа к информационным ресурсам должны быть разграничены. Так же сеть должна быть защищена от угроз раскрытия, целостности и отказа в обслуживании. Подробнее читайте в книге «Атака на Internet» автора Илья Давидович Медведовский, глава «Основные понятия компьютерной безопасности» .
- Быстродействие сети. При построении сетей есть техническая проблема - зависимость скорости передачи от количества компьютеров в сети. Чем больше компьютеров - тем ниже скорость. При большом количестве компьютеров, быстродействие сети может стать настолько низким, что она станет неприемлемой заказчику.
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.
Виртуальные локальные сети
Для решения первой и третьей проблем, а так же в помощь решения второй проблемы, повсеместно используют механизм разбиения локальной сети на более маленькие сети, как бы отдельные локальные сети (Virtual Local Area Network). Грубо говоря, VLAN - это список портов на коммутаторе, принадлежащих одной сети. «Одной» в том смысле, что другой VLAN будет содержать список портов, принадлежащих другой 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.
- При разбиении сети на VLAN-ы достигается простота управления. Так, при переходе бухгалтера Лиды в другой кабинет, администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой. Подробнее это рассмотрено в пункте VLAN-ы, теория.
- VLAN-ы помогают решить одно из требований к безопасности сети, а именно разграничение сетевых ресурсов. Так, студен из одной аудитории не сможет проникнуть на компьютеры другой аудитории или компьютер ректора, т.к. они находятся в фактически разных сетях.
- Т.к. наша сеть разбита на VLAN-ы, т.е. на маленькие «как бы сети», пропадает проблема с широковещательными сообщениями.
VLAN-ы, теория
Возможно, фраза «администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой» могла оказаться непонятной, поэтому поясню её подробнее. Порт в данном случае - это не номер, выдаваемый ОС приложению, как было рассказано в пункте Стек протоколов, а гнездо (место) куда можно присоединить (вставить) коннектор формата RJ-45. Такой коннектор (т.е. наконечник к проводу) прикрепляется к обоим концам 8-ми жильного провода, называемого «витая пара». На рисунке изображён коммутатор Cisco Catalyst 2950C-24 на 24 порта:Как было сказано в пункте ARP: протокол определения адреса каждый компьютер соединён с сетью одним физическим каналом. Т.е. к коммутатору на 24 порта можно присоединить 24 компьютера. Витая пара физически пронизывает все помещения предприятия - все 24 провода от этого коммутатора тянутся в разные кабинеты. Пусть, к примеру, 17 проводов идут и подсоединяются к 17-ти компьютерам в аудитории, 4 провода идут в кабинет спецотдела и оставшиеся 3 провода идут в только что отремонтированный, новый кабинет бухгалтерии. И бухгалтера Лиду, за особые заслуги, перевели в этот самый кабинет.
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.
Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) представляет собой стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и других подобных сетей (например, данный протокол используется и в ЛВС). Название TCP/IP произошло от двух наиболее важных протоколов:
- IP (интернет протокол) - отвечает за передачу пакета данных от узла к узлу. IP пересылает каждый пакет на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-адрес).
- TCP (протокол управления передачей) - отвечает за проверку корректной доставки данных от клиента к серверу. Данные могут быть потеряны в промежуточной сети. TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных данных и, как следствие, возможность запросить повторную передачу, до тех пор, пока данные корректно и полностью не будут получены.
Основные характеристики TCP/IP:
- Стандартизованные протоколы высокого уровня, используемые для хорошо известных пользовательских сервисов.
- Используются открытые стандарты протоколов, что дает возможность разрабатывать и дорабатывать стандарты независимо от программного и аппаратного обеспечения;
- Система уникальной адресации;
- Независимость от используемого физического канала связи;
Принцип работы стека протоколов TCP/IP такой же как и в модели OSI, данные верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней.
Если пакет продвигается по уровню сверху вниз - на каждом уровне добавляется к пакету служебная информация в виде заголовка и возможно трейлера (информации помещенной в конец сообщения). Этот процесс называется . Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере. Ее формат и интерпретация определяются протоколами данного уровня.
Если пакет продвигается по уровню снизу вверх - он разделяется на заголовок и данные. Анализируется заголовок пакета, выделяется служебная информация и в соответствии с ней данные перенаправляются к одному из объектов вышестоящего уровня. Вышестоящий уровень, в свою очередь, анализирует эти данные и также их разделяет их на заголовок и данные, далее анализируется заголовок и выделяется служебная информация и данные для вышестоящего уровня. Процедура повторяется заново пока пользовательские данные, освобожденные от всей служебной информации, не дойдут до прикладного уровня.
Не исключено, что пакет так и не дойдет до прикладного уровня. В частности, если компьютер работает в роли промежуточной станции на пути между отправителем и получателем, тогда объект, на соответствующем уровне, при анализе служебной информации определит, что пакет на этом уровня адресован не ему, в следствии чего, объект проведет необходимые мероприятия для перенаправления пакета к пункту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке. Но так или иначе не будет осуществлять продвижение данных на верхний уровень.
Пример инкапсуляции можно представить следующим образом:
Рассмотрим каждые функции уровней
Прикладной уровень
Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции представительного уровня и частично сеансового уровня модели OSI.
Распространенными примерами приложений являются программы:
- Telnet
- HTTP
- Протоколы электронной почты (SMTP, POP3)
Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного модуля.
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных меду двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные, с помощью транспортного уровня идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта.
Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняется номером порта. Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя по какому из прикладных процессов направленны данные и передает эти данные к соответствующему прикладному процессу.
Номер порта получателя и отправителя записывается в заголовок транспортным модулем отправляющим данные. Заголовок транспортного уровня содержит также и некоторую другую служебную информацию, и формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.
Средства транспортного уровня представляют собой функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи:
- обеспечение доставки данных между конкретными программами, функционирующими, в общем случае, на разных узлах сети;
- обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера.
В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола – UDP , обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами, и TCP , обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения.
Сетевой (межсетевой) уровень
Основным протоколом этого уровня является протокол IP, который доставляет блоки данных (дейтаграммы) от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-х битным идентификатором компьютера, точнее его сетевого интерфейса. Данные для дейтаграммы передаются IP модулю транспортным уровнем. IP модуль добавляет к этим данным заголовок, содержащий IP-адрес отправителя и получателя, и другую служебную информацию.
Таким образом, сформированная дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи, для отправки по каналу передачи данных.
Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом, часто чтобы передать дейтаграмму по назначению требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или ному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.
Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP адрес назначения, если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня, если же адрес назначения дейтаграммы чужой, то модуль IP может принять два решения:
- Уничтожит дейтаграмму;
- Отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования, так поступают промежуточные станции – маршрутизаторы .
Также может потребоваться на границе сетей, с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать их в единое целое на компьютере получателя. Это также задача протокола IP.
Также протокол IP может отправлять сообщения – уведомления с помощью протокола ICMP , например, в случае уничтожения дейтаграммы. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения или доставки, предварительного соединения в протоколе нет, эти задачи возложены на транспортный уровень.
Уровень доступа к среде
Функции этого уровня следующие:
- Отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол ARP ;
- Инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров, при этом не требуется какого-либо контроля безошибочной передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису SAP, это поле содержащее код протокола;
- Определение метода доступа к среде передачи, т.е. способа, с помощью которого компьютеры устанавливает свое право на передачу данных;
- Определение представления данных в физической среде;
- Пересылка и прием кадра.
Рассмотрим инкапсуляцию на примере перехвата пакета протокола HTTP с помощью сниффера wireshark, который работает на прикладном уровне протокола TCP/IP:
Помимо самого перехваченного протокола HTTP, на основании стека TCP/IP сниффер описывает каждый нижележащий уровень. HTTP инкапсулируется в TCP, протокол TCP в IPv4, IPv4 в Ethernet II.
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.
