Инкапсуляция – это процесс передачи данных с верхнего уровня приложений вниз (по стеку протоколов) к физическому уровню, чтобы быть переданными по сетевой физической среде (витая пара, оптическое волокно, Wi-Fi, и др.). Причём на каждом уровне различные протоколы добавляют к передающимся данным свою информацию.
Напомню, что сетевая модель OSI состоит из 7 уровней (уровень приложений, уровень представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический). Все сетевые устройства работают согласно модели OSI, только некоторые используют все 7 уровней, а другие меньше. Это позволяет обрабатывать поступающие данные в несколько раз быстрее.
Например, Ваш компьютер использует все 7 уровней, маршрутизатор – 3 нижних уровня, коммутатор – только 2 нижних уровня.
На рисунке Вы видите взаимодействие двух компьютеров, между которыми находится маршрутизатор. Компьютерами PC1 и PC2 могут быть как домашние компьютеры, так и сервера. Маршрутизатор, как и говорилось выше, работает только на трех уровнях модели, их (трех уровней) достаточно, чтобы проложить маршрут в любой сети.
Теперь перейдем к самому процессу инкапсуляции, декапсуляции.
Инкапсуляция и декапсуляция
Проще будет разобрать эти процессы инкапсуляции и декапсуляции на примере. Допустим, Вы захотели посмотреть какую-то веб-страничку, ввели в адресную строк браузера адрес сайта и нажали кнопку Enter. После этого браузер должен отправить запрос на сервер (на котором хранится эта веб-страничка), с целью получения данных. Вот как раз на этом этапе, введённый Вами адрес сайта является данными, которые должны передаться на сервер в виде запроса.
Эти данные опускаются с уровня приложений, на уровень представления данных.
На этом уровне Ваш компьютер преобразует строку введенного текста (адреса) в формат удобный для передачи далее на нижний уровень.
Транспортный уровень получает данные и определяет, что дальше они должны быть переданы используя протокол TCP. Перед передачей транспортный уровень разбивает данные на кусочки данных и добавляет к каждому кусочку заголовок, в котором содержится информация о логических портах компьютеров (с какого данные были посланы (например 1223) и для какого предназначаются (в данном случае 80)). На транспортном уровне эти кусочки данных с заголовком называются сегментами. Сегменты передаются дальше вниз к сетевому уровню.
Сетевой уровень, получая каждый сегмент, разделяет его на еще более маленькие части и к каждой части добавляет свой заголовок. В заголовке сетевого уровня указываются логические сетевые адреса отправителя (Ваш компьютер) и получателя (Сервер).
Логические сетевые адреса – это всем известные IP-адреса, еще наверное непонятно что обозначают цифры и точки в них, но вскоре, этот пробел в знаниях заполнит соответствующая информация;)
Эти маленькие кусочки данных уже с несколькими заголовками (на верхних уровнях тоже добавляются специфичные заголовки) на сетевом уровне называются пакетами, которые в свою очередь передаются на канальный уровень.
На канальном уровне пакеты разделяются на еще более маленькие кусочки данных, и к ним помимо опять добавляемого заголовка, только уже канального уровня, добавляется еще и трейлер. На этом уровне в заголовках содержатся физические адреса устройств – передающего и для кого они предназначаются, а в трейлере находится вычисленная контрольная сумма, некий код (информация), который используется для определения целостности данных.
Физические адреса устройств – это MAC-адреса.
Эти очень маленькие кусочки данных именуются кадрами или фреймами (одно и тоже). Далее кадры передаются на физический уровень.
На физический уровень кадры передаются уже в виде сигналов битов и следуют через другие сетевые устройства в пункт назначения.
Весь процесс преобразования данных (с верхнего уровня) в сигналы (на нижний уровень) называется инкапсуляцией. Посмотрите на рисунок ниже, там представлена общая схема инкапсулирования с верхнего уровня на нижний:
Далее сигналы, проходя через несколько сетевых устройств (в нашем случае это маршрутизатор и коммутатор), доходят до получателя, в данном случае до сервера (По всем картинкам можно кликнуть и они увеличится).
Сетевая карта сервера принимает биты (на физическом уровне) и преобразует их в кадры (для канального уровня). Канальный уровень в обратной последовательности должен преобразовать кадры в пакеты (для сетевого уровня), только перед преобразованием уровень сначала смотрит на МАС-адрес (физический адрес) получателя, он должен совпадать с MAC-адресом сетевой карты, иначе кадр будет уничтожен. Затем канальный уровень (в случае совпадения MAC-адреса) высчитывает сумму полученных данных и сравнивает полученное значение со значением трейлера. Напомню, что значение трейлера высчитывалось на Вашем компьютере, а теперь оно, после передачи по проводам, сравнивается с полученным значением на сервере и если они совпадают, кадр преобразуется в пакет. Если проверочный код целостности данных рознится – кадр незамедлительно уничтожается.
На сетевом уровне происходит проверка логического адреса (IP-адреса), в случае успешной проверки пакет преобразуется в сегмент, попадая на транспортный уровень.
На транспортном уровне проверяется информация из заголовка, что это за сегмент, какой используется протокол, для какого логического порта предназначается и т.п. Протокол использовался TCP, поэтому назад на Ваш компьютер посылается уведомление о прибытии сегмента. Как говорилось выше (когда данные упаковывали в сегмент) в том случае использовался 80 порт назначения. Т.к. на веб-сервере как раз открыт этот порт, данные передаются дальше на верхний уровень.
На верхних уровнях запрос (введенный адрес сайта) обрабатывается веб-сервером (проверяется, доступна-ли запрашиваемая веб-страничка).
Этот процесс преобразования сигналов из провода в данные называется процессом декапсуляции .
После того, как страница будет найдена на сервере, она (текст, изображения, музыка) преобразуется в цифровой код, удобный для инкапсулирования. Большой объём данных делится на части и поступает ниже на уровень – транспортный. Там кусочек данных преобразуется в сегмент, только порт назначения теперь будет тот, с которого вы посылали (вспоминайте, 1223). Сегмент преобразуется в пакет, в заголовке которого содержится IP-адрес вашего компьютера и переходит ниже. На канальном уровне пакет в свою очередь преобразуется в кадры и добавляется заголовок и трейлер. В заголовок помещается МАС-адрес назначения (в данном случае это будет адрес шлюза), а в трейлер проверочный код на целостность данных. Далее сетевая карта посылает кадры в виде сигналов по кабелю по направлению к Вашему компьютеру.
Так и происходит сетевой обмен данными, инкапсуляция и декапсуляция.
PDU
Вам обязательно надо запомнить, что те кусочки данных (вместе с заголовками), которые переходят с уровня на уровень (с добавлением заголовков или наоборот) называются Protocol Data Unit или PDU . Если перевести литературно на русский язык, то получается фрагмент данных на каждом уровне модели . В первой части CCNA попадаются вопросы связанные с PDU, так что обязательно запомните что это такое;)
Заключение
Вы познакомились с эталонными сетевыми моделями OSI, TCP/IP (DOD), разобрались с процессами инкапсуляции (encapsulation) и декапсуляции (decapsulation).
Также узнали, что разные сетевые устройства работают на разных уровнях. А вот какие сетевые устройства существуют и чем они отличаются узнаем в следующей статье.
Когда приложение посылает данные с использованием ТСР, данные опускаются вниз по стеку протоколов, проходя через каждый уровень, до тех пор пока они не будут отправлены в виде потока битов по сети. Каждый уровень добавляет свою информацию к данным путем пристыковки заголовков . На рисунке 2 показан этот процесс. Блок данных, который ТСР посылает в IР, называется ТСР сегментом. Блок данных, который IР посылает в сетевой интерфейс, называется IР датаграммой. Поток битов, который передается по Ethernet, называется фреймом (frame).
Рис. 2
Структура стека TCP/IP
Краткая характеристика протоколов
Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.
Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня
Самый нижний (уровень IV) 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 сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.
Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.
В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке 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, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.
К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.
Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.
Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций 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, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.
Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу.
Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.
Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.
Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.
Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.
Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.
Введение
Из рисунка 1.4 видно, что основная задача канального уровня в семействе протоколов TCP/IP - посылать и принимать (1) IP датаграммы для IP модуля, (2) ARP запросы и отклики для ARP модуля, и (3) RARP запросы и отклики для RARP модуля. TCP/IP поддерживает различные канальные уровни, в зависимости от того какой тип сетевого аппаратного обеспечения используется: Ethernet, Token ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), последовательные линии RS-232, и так далее.
В этой главе мы подробно рассмотрим канальный уровень Ethernet, два специализированных канальных уровня для последовательных интерфейсов (SLIP и PPP) и драйвер loopback, который присутствует практически во всех реализациях. Ethernet и SLIP это канальные уровни, используемые для большинства примеров в данной книге. Также мы рассмотрим максимальный блок передачи (MTU - Maximum Transmission Unit), который является характеристикой канального уровня и к которой мы обращаемся много раз в этой главе и в следующих. Также мы покажем некоторые расчеты, с помощью которых можно выбрать MTU для последовательной линии.
Ethernet и IEEE 802 инкапсуляция
Термин Ethernet обычно означает стандарт, опубликованный в 1982 году компаниями Digital Equipment Corp., Intel Corp., и Xerox Corp. В настоящее время это основная технология применяемая в локальных сетях использующих TCP/IP. В Ethernet используется метод доступа, называемый CSMA/CD, что обозначает наличие несущей (Carrier Sense), множественный доступ (Multiple Access) с определением коллизий (Collision Detection). Обмен осуществляется со скоростью 10 Мбит/сек, с использованием 48-битных адресов.
Несколько лет спустя Комитет 802 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике ( IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers) опубликовал отличающийся набор стандартов. 802.3 описывает полный набор сетей CSMA/CD, 802.4 описывает сети с передачей маркера и 802.5 описывает сети Token ring. Общим для всех них является стандарт 802.2, который определяет управление логическим каналом ( LLC - Logical link control) и который является общим для большинства сетей 802. К сожалению, комбинация 802.2 и 802.3 определяет форматы фрейма отличные от Ethernet ( описывает все детали стандартов IEEE 802).
В мире TCP/IP инкапсуляция IP датаграмм определена в RFC 894 для сетей Ethernet и в RFC 1042 для сетей IEEE 802. В Host Requirements RFC к каждому компьютеру, подключенному к Internet через кабель Ethernet 10 Мбит/сек, предъявляются следующие требования:
- Компьютер должен иметь возможность посылать и получать пакеты, инкапсулированные с использованием RFC 894 (Ethernet).
- У компьютера должна быть возможность получать пакеты RFC 1042 (IEEE 802), перемешанные с пакетами RFC 894.
- Компьютер должен иметь возможность посылать пакеты с использованием инкапсуляции RFC 1042. Если компьютер может посылать оба типа пакетов, то тип пакета должен быть конфигурируемым, а конфигурация по умолчанию должна быть настроена на пакеты RFC 894.
Наиболее широко используется инкапсуляция RFC 894. На рисунке 2.1 показаны два различных метода инкапсуляции. Цифры под каждым квадратиком на рисунке это размер в байтах.
В обоих форматах фрейма используется 48-битовый (6-байтовый) формат представления адресов источника и назначения (802.3 позволяет использование 16-битных адресов, однако обычно используются 48-битные). Это как раз то, что мы называем по тексту аппаратными адресами (hardware addresses). Протоколы ARP и RARP (см. и ) устанавливают соответствие между 32-битными IP адресами и 48-битными аппаратными адресами.
Следующие 2 байта в этих форматах фрейма различаются. Поле длины (length) 802 содержит количество следующих за ним байтов, однако не содержит в конце контрольной суммы. Поле тип (type) в Ethernet определяет тип данных, которые следуют за ним. Во фрейме 802 то же поле типа (type) появляется позже в заголовке протокола доступа к подсети (SNAP - Sub-Network Access Protocol). К счастью, величины, находящиеся в поле длины (length) 802, никогда не совпадают с величинами, находящимися в поле типа (type) Ethernet, поэтому эти два формата фрейма легко различимы.
Во фрейме Ethernet данные следуют сразу после поля тип (type), тогда как во фрейме 802 за ним следуют 3 байта LLC 802.2 и 5 байт SNAP 802.2. Поля DSAP (точка доступа к сервису назначения - Destination Service Access Point) и SSAP (точка доступа к сервису источника - Source Service Access Point) оба установлены в 0xAA. Поле ctrl установлено в 3. Следующие 3 байта, org code установлены в 0. Затем идет 2-байтовое поле тип (type), такое же, как мы видели в формате фрейма Ethernet (дополнительные значения, которые могут появиться в поле типа, описаны в RFC 1340 ).
Поле контрольной суммы ( CRC) определяет ошибки, возникшие при транспортировке фрейма (также оно иногда называется FCS или последовательность контроля фрейма - frame check sequence).
Минимальный размер фреймов 802.3 и Ethernet требует, чтобы размер данных был хотя бы 38 байт для 802.3 или 46 байт для Ethernet. Чтобы удовлетворить этому требованию, иногда вставляются байты заполнения, для того чтобы фрейм был соответствующей длины.
Мы еще столкнемся с минимальным размером, когда будем рассматривать движение пакетов по кабелям. Также мы еще не раз обратимся к инкапсуляции Ethernet, потому что это, пожалуй, самая широко распространенная форма инкапсуляции.
Рисунок 2.1 Инкапсуляция IEEE 802.2/802.3 (RFC 1042) и инкапсуляция Ethernet (RFC 894).
Инкапсуляция завершителей
На рисунке 2.5 приведен список некоторых типичных значений MTU, взятых из RFC 1191 . Здесь приведены MTU для каналов точка-точка (таких как SLIP или PPP), однако они не являются физической характеристикой среды передачи. Это логическое ограничение, при соблюдении которого обеспечивается адекватное время отклика при диалоговом использовании. В разделе главы 2 мы рассмотрим, откуда берется это ограничение.
В разделе главы 3 мы воспользуемся командой netstat, чтобы определить MTU для определенного интерфейса.
|
Network |
MTU (байты) |
| Hyperchannel | |
| 16 Мбит/сек Token ring (IBM) | |
| 4 Мбит/сек Token ring (IEEE 802.5) | |
| FDDI | |
| Ethernet | |
| IEEE 802.3/802.2 | |
| X.25 | |
| Точка-точка (с маленькой задержкой) |
Рисунок 2.5 Типичные значения максимальных блоков передачи (MTU).
Транспортный MTU
Когда общаются два компьютера в одной и той же сети, важным является MTU для этой сети. Однако, когда общаются два компьютера в разных сетях, каждый промежуточный канал может иметь различные MTU. В данном случае важным является не MTU двух сетей, к которым подключены компьютеры, а наименьший MTU любого канала данных, находящегося между двумя компьютерами. Он называется транспортным MTU (path MTU).
Транспортный MTU между любыми двумя хостами может быть не постоянным. MTU зависит от загруженности канала на настоящий момент. Также он зависит от маршрута. Маршрут может быть несимметричным (маршрут от A до B может быть совсем не тем, что маршрут от B к A), поэтому MTU может быть неодинаков для этих двух направлений.
RFC 1191 описывает механизм определения транспортного MTU (path MTU discovery mechanism). Мы рассмотрим как функционирует этот механизм после того, как опишем фрагментацию ICMP и IP. В разделе главы 11 мы подробно рассмотрим ошибку недоступности ICMP, которая используется в этом механизме, а в разделе главы 11 мы покажем версию программы traceroute, которая использует механизм определения транспортного MTU до пункта назначения. В разделах главы 11 и главы 24 показано, как функционируют UDP и TCP, когда реализация поддерживает определение MTU.
Вычисление загруженности последовательной линии
Если скорость в линии составляет 9600 бит/сек, при этом 1 байт составляет 8 бит плюс 1 старт-бит и 1 стоп-бит, скорость линии будет 960 байт/сек. Передача пакета размером 1024 байта с этой скоростью займет 1066 мс. Если мы используем SLIP канал для диалогового приложения и одновременно с ним работает такое приложение как FTP, которое посылает или принимает пакеты по 1024 байт, мы должны ждать, так как среднее время задержки нашего интерактивного пакета составит 533 мс.
Это означает, что наш диалоговый пакет будет послан по каналу перед любым другим "большим" пакетом. Большинство SLIP приложений предоставляют разделение пакетов по типу сервиса, отправляя диалоговый трафик перед трафиком передачи данных. Диалоговый трафик это, как правило, Telnet, Rlogin и управляющая часть (пользовательские команды, но не данные) FTP.
Естественно, что такое разделение по сервисам несовершенно. Оно не оказывает никакого воздействия на неинтерактивный трафик, который уже поставлен в очередь на передачу (например, последовательным драйвером). Новые модели модемов, которые имеют большие буферы и позволяют сбуферизировать неинтерактивный трафик в буфере модема, что также сказывается на задержке диалогового трафика.Ожидание в 533 мс неприемлемо для диалогового ответа. С точки зрения человеческого фактора мы знаем, что неприемлемой является задержка дольше чем 100-200 мс [ Jacobson 1990a]. Под задержкой подразумевается время между отправкой пакета и возвращением отклика (как правило, эхо символа).
Уменьшение MTU в канале SLIP до 256 означает, что максимальное время, в течение которого канал может быть занят одним фреймом, составляет 266 мс, и половина от этого (наше среднее время ожидания) составляет 133 мс. Это лучше, однако до сих пор не идеально. Причина, по которой мы выбрали это значение (как сравниваются 64 и 128), заключается в том, чтобы обеспечить лучшее использование канала для передачи данных (как, например, при передаче большого файла). В случае CSLIP фрейма размером 261 байт с заголовком размером в 5 байт (256 байт данных), 98,1% линии используются для передачи данных и 1,9% на заголовки. Уменьшение MTU меньше чем 256 уменьшает максимальное значение пропускной способности линии, которую мы можем получить при передаче данных.
Значение MTU равное 296 для канала точка-точка (рисунок 2.5), подразумевает 256 байт данных и 40 байт TCP и IP заголовков. Так как MTU это величина, о которой IP узнает от канального уровня, это значение должно включать в себя стандартные заголовки TCP и IP. Именно таким образом IP принимает решение о фрагментации. IP ничего не знает о сжатии заголовков, которое осуществляются CSLIP.
Наш расчет средней задержки (половина того времени, которое требуется на передачу фрейма максимального размера) имеет отношение только к каналу SLIP (или каналу PPP), который используется для передачи интерактивного трафика и трафика данных. Когда идет обмен только интерактивным трафиком, время передачи одного байта данных в каждом направлении (в случае сжатого 5-байтового заголовка) составляет примерно 12,5 мс, при скорости 9600 бит/сек. Это хорошо укладывается в диапазон 100-200 мс, о котором мы упоминали ранее. Также заметьте, что сжатие заголовков с 40 до 5 байт уменьшает время задержки для одного байта с 85 до 12,5 мс.
К сожалению, эти расчеты становятся не совсем верными, когда используется коррекция ошибок и сжатие в модемах. Сжатие в модемах уменьшает количество байт, которые посылаются по линии, однако исправление ошибок может увеличить время передачи этих байт. Однако эти расчеты дают нам исходную точку, для того чтобы принять разумное решение.
В следующих главах мы будем использовать эти расчеты для последовательных линий, чтобы определить некоторые величины таймеров, которые используются при передаче пакетов по последовательным линиям.
Краткие выводы
В этой главе рассматривался самый нижний уровень из семейства протоколов Internet, канальный уровень. Мы рассмотрели различие между Ethernet и IEEE 802.2/802.3 инкапсуляциями, и инкапсуляцию, которая используется в SLIP и PPP. Так как оба SLIP и PPP часто используются на медленных каналах, они предоставляют методы, для сжатия общих полей (которые практически всегда неизменны). При этом улучшается время отклика.
Интерфейс loopback существует в большинстве разработок. Доступ к этому интерфейсу может быть получен через специальный адрес, обычно 127.0.0.1, или путем посылки IP датаграмм на один из собственных IP адресов хоста. Данные, отправленные в loopback интерфейс, полностью обрабатываются транспортным уровнем и IP, когда они проходят по петле по стеку протоколов.
Мы описали важную характеристику большинства канальных уровней, MTU и соответствующую концепцию транспортного MTU. Используя стандартный MTU для последовательных линий, мы вычислили временную задержку, которая существует в каналах SLIP и CSLIP.
В этой главе рассматривается только несколько общих канальных технологий, используемых сегодня в TCP/IP. Одна из причин, по которой TCP/IP успешно используется, это возможность работать поверх практически любых канальных технологий.
Упражнения
Если Ваша система поддерживает команду netstat(1) (см. главу 3, раздел ), используйте ее, чтобы определить интерфейсы в Вашей системе и их MTU.Стек протоколов TCP/IP располагает средствами поддержки целого ряда физических сетей и транспортных систем, включая технологии IZERNET, DSL, Wi-Fi и т. д.
Управление хостами, а именно аппаратной частью хостов осуществляется на канальном уровне архитектуры TCP/IP. Протоколам более высоких уровней неизвестно как именно используются аппаратные средства. Данные передаются по сети в виде пакетов, пакеты имеют максимальный размер определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого. Заголовок содержит информацию о том откуда прибыл пакет и куда он направляется, также в заголовке может быть контрольная сумма, информация характерная для конкретного протокола и другие инструкции касающиеся обработки содержимого пакета. Полезное содержимое пакета – это данные подлежащие пересылке. Название базового блока передаваемых данных зависит от уровня протокола архитектуры стека TCP/IP. На канальном уровне используется термин кадр или фрейм, на уровне IP используется термин пакет, а на транспортном уровне используется термин сегмент. Готовый к отправке пакет передается по стеку протоколов и каждый протокол добавляет собственный заголовок. Таким образом сформированный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета генерируемого следующим протоколом. Эта операция называется инкапсуляция (запечатывание). На принимаемой стороне инкапсулированные пакеты восстанавливаются в обратном порядке при прохождении вверх по стеку.
ARP – протокол преобразования адресов.
Протоколы ARP аппаратно-независимы. Для фактической передачи данных на канальном уровне должны применяться аппаратные адреса (MAC-адреса). Протокол ARP определяет какой именно аппаратный адрес связан с тем или иным IP-адресом. ARP можно применять в любых сетях, которые поддерживают широковещательный режим на канальном уровне. Когда ПК А хочет послать пакет ПК Б он использует протокол ARP для нахождения аппаратного адреса ПК Б. Исход. запрос протокола ARP включает IP-адрес и MAC-адрес запрашивающей стороны, благодаря чему разыскивающее устройство может ответить не посылая собственный ARP-запрос, это позволяет обоим компьютерам узнать адреса друг друга за один сеанс обмена пакетами. Другие компьютеры, слышавшие исходный широковещательный запрос могут записать IP-адрес запрашивающего к себе в свою таблицу. Каждый компьютер, подключенный к сети создает в памяти специальную таблицу, которая называется КЭШем ARP. В этой таблице хранятся результаты последних ARP-запросов.
Формат ip-пакета
Имеется прямая связь между количеством полей заголовка пакета и функциональной сложностью протокола. Чем проще заголовок, тем проще протокол. Большая часть действий протокола перенесена в поле заголовка пакета, изучая название каждого поля заголовка IP-пакета мы получаем не только функциональные знания, но и знакомимся с основными функциями протокола. IP-пакет состоит из заголовка и данных.
Маршрутизация в сетях tcp/ip
Термин маршрутизация используется в 2 случаях:
Процедура поиска сетевого адреса в специальных таблицах для передачи пакета в узел назначения.
Процесс построения такой таблицы.
Таблица маршрутизации
Хосты посылают пакеты только тем шлюзам, которые физически подключены к той же сети. Локальные хосты могут перемещать пакеты только на 1 шаг в направлении узла назначения. Поэтому в них не включается информация о шлюзах не являющихся смежными в таблице локальной маршрутизации. Каждый шлюз через который проходит пакет принимает решение о его перемещении, анализируя собственную таблицу маршрутизации.
Таблицы маршрутизации ведутся (бывают) статическими, динамическими или комбинированным способом.
Статический способ – в шлюзе формируется таблица маршрутизации, которая остается неизменной в течении всего времени системы. Статическая маршрутизация является эффективным решением для относительно стабильной локальной сети. Она проста в управлении, надежна в эксплуатации, но требует знания топологии сети на момент формирования этой таблицы. Большинство компьютеров такой локальной вычислительной сети имеют единственный выход к другим сетям, поэтому маршрутизация осуществляется по стандартному маршруту. В сетях с более сложной топологией требуется динамическая маршрутизация, которая осуществляется специальным процессом ведущим и маршрутизирующим таблицы маршрутизации. Процесс маршрутизации фиксируется на различных хостах взаимодействующих друг с другом с целью определения топологии сети и решения вопроса о доставке пакета в удаленный узел.
Инкапсуляция пакетов и промежуточные узлы
При продвижении пакета с данными прикладного процесса по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, окончания (трейлера) - информации, помещаемой в конец сообщения.
Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакет нижнего уровня. Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня.
Данные, приходящие с верхнего уровня, могут представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более верхнего уровня.
При получении пакета от нижнего уровня он разделяется на заголовок, трейлер и данные. Служебная информация из заголовка и трейлера анализируется, и в соответствии с ней принимается решение, что делать с данными, содержащимися в полученном пакете.
Одним из вариантов является направление данных одному из объектов верхнего уровня (какому именно - должно быть указано в проанализированной служебной информации). Тот, в свою очередь, рассматривает эти данные как пакет со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей служебной информации, не достигнут прикладного процесса.
Но есть возможность, что пакет не будет проведен до самого верхнего уровня (например, если данный компьютер представляет собой промежуточную станцию на пути между отправителем и получателем). В этом случае объект соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет на этом уровне адресован не ему. Тогда объект выполнит необходимые действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать данные на верхний уровень.
Протоколы, основанные на модели OSI используются редко:
В силу своей не всегда оправданной сложности;
Поэтому модель OSI - опорная база для классификации и сопоставления протокольных стеков.
Модель и четыре уровня стеков TCP/IP
Сеть Internet отличается от других сетей своими протоколами и в первую очередь протоколами TCP/IP.
Протокол - это набор правил, определяющий характер взаимодействия пользователей, последовательность выполнения ими действий при обмене информацией.
Термин TCP/IP означает все, что связано с протоколами взаимодействия между компьютерами в сети. Данный протокол представляет собой совокупность нескольких протоколов, прикладные программы и даже саму сеть.
Свое название протокол TCP/IP получил от двух типов протоколов связи:
Transmission Control Protocol (TCP);
Internet Protocol (IP).
Таким образом, TCP/IP - собирательное название для стека сетевых протоколов разных уровней, используемых в Internet.
Особенности TCP/IP.
Открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;
Независимость от физической среды передачи;
Система уникальной адресации;
Стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.
Стек протоколов TCP/IP делится на четыре уровня :
I.Прикладной (application ). Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI.
Распространенными примерами приложений являются программы telnet, ftp, WWW-серверы и клиенты (Интернет-браузеры), программы работы с электронной почтой. Для пересылки данных через сеть другому приложению оно обращается к тому или иному модулю транспортного уровня;
II.Транспортный (transport). Протоколы данного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных между двумя прикладными процессами. Для передачи и получения данных, отправляемых друг другу, они используют межсетевой уровень. На транспортном уровне работают два основных протокола:
1. TCP (Transmission Control Protocol) - надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом свя зи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу;
Таким образом, протокол TCP обеспечивает надежную доставку, безошибочность и правильный порядок приема передаваемых данных.
Протокол TCP (Transmission Control Protocol , Протокол контроля передачи) обеспечивает сквозную доставку данных между прикладными процессами, запущенными на узлах, взаимодействующих по сети.
Модуль TCP выполняет передачу непрерывных потоков данных между своими клиентами в обоих направлениях . Клиентами TCP являются прикладные процессы, вызывающие модуль TCP при необходимости получить или отправить данные процессу-клиенту на другом узле.
Протокол TCP рассматривает данные клиента как непрерывный неинтерпретируемый поток пакетов. TCP разделяет этот поток на части для пересылки на другой узел в TCP -сегментах некоторого размера. Для отправки или получения сегмента модуль TCP вызывает модуль IP .
Таким образом, TCP делит информацию, которую надо переслать, на несколько частей . Нумерует каждую часть, чтобы позже восстановить порядок. Чтобы пересылать эту нумерацию вместе с данными, он обкладывает каждый кусочек информации своей обложкой - конвертом, который содержит соответствующую информацию. Это и есть TCP-конверт. Получившийся TCP-пакет помещается в отдельный IP-конверт и получается IP-пакет, с которым сеть уже умеет обращаться.
Получатель (TCP-модуль (процесс)) по получении распаковывает IP-конверты и видит TCP-конверты, распаковывает и их и помещает данные в последовательность частей в соответствующее место. Если чего-то не достает, он требует переслать этот кусочек снова. В конце концов информация собирается в нужном порядке и полностью восстанавливается. Вот теперь этот массив пересылается выше к пользователю (на диск, на экран, на печать).
В сети Internet используется большое число и других протоколов, однако эту сеть часто называют TCP/IP сетью, так как эти два протокола являются важнейшими.
2. UDP (User Datagram Protocol ) - протокол дейтаграмм пользователя - является ненадежным протоколом без установления соединения: это значит, что ни логический сеанс связи , ни надежная доставка прикладных данных этим протоколом не обеспечиваются. Фактически UDP не предоставляет никаких услуг, кроме мультиплексирования пакетов с прикладными данными - то есть направления данных тому или иному приложению в зависимости от номера порта. Услугами UDP пользуются, например, доменная система имен (DNS), сетевая файловая система NFS;
III. Сетевой (межсетевой, или Internet ). Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол является центром, вокруг которого строится весь стек TCP/IP.
Протокол IP отвечает за поиск маршрута (или маршрутов) в Internet от одного компьютера к другому через множество промежуточных сетей, шлюзов и маршрутизаторов и передачу блоков данных по этим маршрутам.
Протокол IP является ненадежным протоколом без установления соединения . Это означает, что протокол IP не подтверждает доставку данных, не контролирует целостность полученных данных и не производит операцию квитирования (handshaking) - обмена служебными сообщениями, подтверждающими установку соединения с узлом назначения и его готовность к приему данных.
Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами в Internet. После того, как дейтаграмма отправляется в сеть, ее дальнейшая судьба никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP ). Если дейтаграмма не может быть доставлена, она уничтожается. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адресу ICMP-сообщение , о причине сбоя.
Одна из основных задач, решаемых протоколом IP , - маршрутизация дейтаграмм, т.е. определение пути следования дейтаграммы от одного узла сети к другому на основании адреса получателя.
Таким образом, протокол IP доставляет блоки данных, называемые дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому через компьютерную сеть. IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данными для дейтаграммы является блок данных, передаваемых IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом дейтаграмма передается на уровень доступа к сети для отправки по каналу передачи данных;
IV. Уровень доступа к сети (network access ), который выполняет следующие функции:
· отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol);
· инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение;
· определение метода доступа к среде передачи, то есть способа, с помощью которого компьютер устанавливает свое право на произведение передачи данных;
· определение представления (кодирования) данных в физической среде;
· пересылка и прием кадра.
Часто в качестве уровня доступа к сети выступают целые протокольные стеки; тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX и т. д.
