Стек TCP / IP .

Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.

В операционной системе Microsoft Windows Server 2003 стек TCP/IP выбран в качестве основного, хотя поддерживаются и другие протоколы (например, стек IPX/SPX, протокол NetBIOS).

Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:

    платформонезависимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных системах и процессорах;

    открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.

История создания TCP / IP .

В 1967 году Агентство по перспективным исследовательским проектам министерства обороны США (ARPA – Advanced Research Projects Agency) инициировало разработку компьютерной сети, которая должна была связать ряд университетов и научно-исследовательских центров, выполнявших заказы Агентства. Проект получил название ARPANET. К 1972 году сеть соединяла 30 узлов.

В рамках проекта ARPANET были разработаны и в 1980–1981 годах опубликованы основные протоколы стека TCP/IP – IP, TCP и UDP. Важным фактором распространения TCP/IP стала реализация этого стека в операционной системе UNIX 4.2 BSD (1983).

К концу 80-х годов значительно расширившаяся сеть ARPANET стала называться Интернет (Interconnected networks – связанные сети) и объединяла университеты и научные центры США, Канады и Европы.

В 1992 году появился новый сервис Интернет – WWW (World Wide Web – всемирная паутина), основанный на протоколе HTTP. Во многом благодаря WWW Интернет, а с ним и протоколы TCP/IP, получил в 90-е годы бурное развитие.

В начале XXI века стек TCP/IP приобретает ведущую роль в средствах коммуникации не только глобальных, но и локальных сетей.

Модель OSI .

Модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open Systems Interconnection) была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) для единообразного подхода к построению и объединению сетей. Разработка модели OSI началась в 1977 году и закончилась в 1984 году утверждением стандарта. С тех пор модель является эталонной для разработки, описания и сравнения различных стеков протоколов.

Рассмотрим кратко функции каждого уровня.


Модель OSI включает семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления и прикладной.

    Физический уровень (physical layer) описывает принципы передачи сигналов, скорость передачи, спецификации каналов связи. Уровень реализуется аппаратными средствами (сетевой адаптер, порт концентратора, сетевой кабель).

    Канальный уровень (data link layer) решает две основные задачи – проверяет доступность среды передачи (среда передачи чаще всего оказывается разделена между несколькими сетевыми узлами), а также обнаруживает и исправляет ошибки, возникающие в процессе передачи. Реализация уровня является программно-аппаратной (например, сетевой адаптер и его драйвер).

    Сетевой уровень (network layer) обеспечивает объединение сетей, работающих по разным протоколам канального и физического уровней, в составную сеть. При этом каждая из сетей, входящих в единую сеть, называется подсетью (subnet). На сетевом уровне приходится решать две основные задачи – маршрутизации (routing, выбор оптимального пути передачи сообщения) и адресации (addressing, каждый узел в составной сети должен иметь уникальное имя). Обычно функции сетевого уровня реализует специальное устройство – маршрутизатор (router) и его программное обеспечение.

    Транспортный уровень (transport layer) решает задачу надежной передачи сообщений в составной сети с помощью подтверждения доставки и повторной отправки пакетов. Этот уровень и все следующие реализуются программно.

    Сеансовый уровень (session layer) позволяет запоминать информацию о текущем состоянии сеанса связи и в случае разрыва соединения возобновлять сеанс с этого состояния.

    Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование передаваемой информации из одной кодировки в другую (например, из ASCII в EBCDIC).

    Прикладной уровень (application layer) реализует интерфейс между остальными уровнями модели и пользовательскими приложениями.

Структура TCP / IP . В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD (Department of Defense – Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2.2.

Следует заметить, что нижний уровень модели DARPA – уровень сетевых интерфейсов – строго говоря, не выполняет функции канального и физического уровней, а лишь обеспечивает связь (интерфейс) верхних уровней DARPA с технологиями сетей, входящих в составную сеть (например, Ethernet, FDDI, ATM).

Все протоколы, входящие в стек TCP/IP, стандартизованы в документах RFC.

Документы RFC .

Утвержденные официальные стандарты Интернета и TCP/IP публикуются в виде документов RFC (Request for Comments – рабочее предложение). Стандарты разрабатываются всем сообществом ISOC (Internet Society – Сообщество Интернет, международная общественная организация). Любой член ISOC может представить на рассмотрение документ для его публикации в RFC. Далее документ рассматривается техническими экспертами, группами разработчиков и редактором RFC и проходит в соответствии с RFC 2026 следующие этапы, называемые уровнями готовности (maturity levels):

    черновик (Internet Draft) – на этом этапе с документом знакомятся эксперты, вносятся дополнения и изменения;

    предложенный стандарт (Proposed Standard) – документу присваивается номер RFC, эксперты подтвердили жизнеспособность предлагаемых решений, документ считается перспективным, желательно, чтобы он был опробован на практике;

    черновой стандарт (Draft Standard) – документ становится черновым стандартом, если не менее двух независимых разработчиков реализовали и успешно применили предлагаемые спецификации. На этом этапе ещё допускаются незначительные исправления и усовершенствования;

    стандарт Интернета (Internet Standard) – наивысший этап утверждения стандарта, спецификации документа получили широкое распространение и хорошо зарекомендовали себя на практике. Список стандартов Интернета приведен в RFC 3700. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета».

Кроме стандартов документами RFC могут быть также описания новых сетевых концепций и идей, руководства, результаты экспериментальных исследований, представленных для информации и т. д. Таким документам RFC может быть присвоен один из следующих статусов:

    экспериментальный (Experimental) – документ, содержащий сведения о научных исследованиях и разработках, которые могут заинтересовать членов ISOC;

    информационный (Informational) – документ, опубликованный для предоставления информации и не требующий одобрения сообщества ISOC;

    лучший современный опыт (Best Current Practice) – документ, предназначенный для передачи опыта конкретных разработок, например реализаций протоколов.

Статус указывается в заголовке документа RFC после слова Category (Категория). Для документов в статусе стандартов (Proposed Standard, Draft Standard, Internet Standard) указывается название Standards Track , так как уровень готовности может меняться.

Номера RFC присваиваются последовательно и никогда не выдаются повторно. Первоначальный вариант RFC никогда не обновляется. Обновленная версия публикуется под новым номером. Устаревший и замененный документ RFC получает статус исторический (Historic).

Все существующие на сегодня документы RFC можно посмотреть, например, на сайте www.rfc-editor.org . В августе 2007 года их насчитывалось более 5000. Документы RFC, упоминаемые в этом курсе, приведены в Приложении I.

Обзор основных протоколов.

Протокол IP (Internet Protocol ) – это основной протокол сетевого уровня, отвечающий за адресацию в составных сетях и передачу пакета между сетями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т. е. не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Обеспечением гарантий занимается протокол транспортного уровня TCP.

Протоколы RIP (Routing Information Protocol – протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First – « первыми открываются кратчайшие маршруты») – протоколы маршрутизации в IP-сетях.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol – протокол управляющих сообщений в составных сетях) предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов сообщает о невозможности доставки пакета, о продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol – протокол преобразования адресов) преобразует IP-адреса в аппаратные адреса локальных сетей. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RAPR (Reverse ARP).

TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными узлами сети за счет образования логических соединений. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт на любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части – сегменты и передает их сетевому уровню. После того как эти сегменты будут доставлены в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя) обеспечивает передачу данных дейтаграммным способом.

HTTP (HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) – протокол доставки web-документов, основной протокол службы WWW.

FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) – протокол для пересылки информации, хранящейся в файлах.

POP 3 (Post Office Protocol version 3 – протокол почтового офиса) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) – протоколы для доставки входящей электронной почты (POP3) и отправки исходящей (SMTP).

Telnet – протокол эмуляции терминала 1 , позволяющий пользователю подключаться к другим удалённым станциям и работать с ними со своей машины, как если бы она была их удалённым терминалом.

SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью) предназначен для диагностики работоспособности различных устройств сети.

Стек протоколов TCP/IP – это альфа и омега Интернета, и нужно не только знать, но также понимать модель и принцип работы стека.

Мы разобрались с классификацией, стандартами сетей и моделью OSI. Теперь поговорим о стеке, на базе которого построена всемирная система объединенных компьютерных сетей Интернет.

Модель TCP/IP

Изначально данный стек создавался для объединения больших компьютеров в университетах по телефонным линиям связи соединения «точка-точка». Но когда появились новые технологии, широковещательные (Ethernet) и спутниковые, возникла необходимость адаптировать TCP/IP, что оказалось непростой задачей. Именно поэтому наряду с OSI появилась модель TCP/IP.

Через модель описывается, как необходимо строить сети на базе различных технологий, чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.

В таблице представлено сравнение моделей OSI и TCP/IP. Последняя включает в себя 4 уровня:

  1. Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов , обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
  2. Уровень интернет стоит выше, и по задачам перекликается с сетевым уровнем модели OSI. Он обеспечивает поиск оптимального маршрута, включая выявление неполадок в сети. Именно на этом уровне работает маршрутизатор.
  3. Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
  4. Прикладной объединил в себе 3 уровня модели OSI: сеансовый, представления и прикладной. То есть он выполняет такие функции, как поддержка сеанса связи, преобразование протоколов и информации, а также взаимодействие пользователя и сети.

Иногда специалисты пытаются объединить обе модели в нечто общее. Например, ниже приведено пятиуровневое представление симбиоза от авторов «Компьютерные сети» Э. Таненбаума и Д. Уэзеролла:

Модель OSI обладает хорошей теоретической проработкой, но протоколы не используются. С моделью TCP/IP все иначе: протоколы широко используются, но модель подходит исключительно для описания сетей на базе TCP/IP.

Не путайте их:

  • TCP/IP – это стек протоколов, представляющий собой основу Интернета.
  • Модель OSI (Базовая Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем) подходит для описания самых разных сетей.

Стек протоколов TCP/IP

Рассмотрим каждый уровень более подробно.

Нижний уровень сетевых интерфейсов включает в себя Ethernet, Wi-Fi и DSL (модем). Данные сетевые технологии формально не входят в состав стека, но крайне важны в работе интернета в целом.

Основной протокол сетевого уровня – IP (Internet Protocol). Это маршрутизированный протокол, частью которого является адресация сети (IP-адрес). Здесь также работают такие дополнительные протоколы, как ICMP, ARRP и DHCP. Они обеспечивают работу сетей.

На транспортной уровне расположились TCP – протокол, обеспечивающий передачу данных с гарантией доставки, и UDP – протокол для быстрой передачи данных, но уже без гарантии.

Прикладной уровень – это HTTP (для web), SMTP (передача почты), DNS (назначение IP-адресам понятных доменных имен), FTP (передача файлов). Протоколов на прикладном уровне стека TCP/IP больше, но приведенные можно назвать самыми значимыми для рассмотрения.

Помните, что стек протоколов TCP/IP задает стандарты связи между устройствами и содержит соглашения о межсетевом взаимодействии и маршрутизации.

Сегодня стек TCP/IP широко используется как в глобальных, так и в локальных сетях. Этот стек имеет иерархическую структуру, в которой определено 4 уровня (таб. 1).

Таб. 1. Иерархическая структура стека TCP/IP

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала telnet, простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах.

Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

  • гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);
  • оставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на хосте-отправителе и хосте-получателе могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов на любой другой компьютер, входящий в составную сеть.

Второй протокол этого уровня, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется тогда, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня - прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к транспортному уровню прикладным и сетевым уровнями. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню-получателю. Нижележащий сетевой уровень протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.
Сетевой уровень, называемый также уровнем Интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением нескольких подсетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов, о функциях которого мы расскажем далее.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней, протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах (шлюзах). Протокол IP - это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями. Такой тип сетевого сервиса называют также «ненадежным».

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, предназначенные для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакета, и некоторые другие протоколы.

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой архитектуры других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов.

Напомним, что нижцие уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют множество функций доступа к среде передачи, формированию кадров, согласованию величин электрических сигналов, кодированию и синхронизации, а также некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, РРР и многих других.

У нижнего уровня стека TCP/IP задача существенно проще - он отвечает только за организацию взаимодействия с подсетями разных технологий, входящими в составную сеть. TCP/IP рассматривает любую подсеть, входящую в составную сеть, как средство транспортировки пакетов между двумя соседними маршрутизаторами.

Задачу организации интерфейса между технологией TCP/IP и любой другой технологией промежуточной сети упрощенно можно свести к двум задачам:

  • упаковка (инкапсуляция) IP-пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;
  • преобразование сетевых адресов в адреса технологии данной промежуточной сети.

Такой гибкий подход упрощает решение проблемы расширения набора поддерживаемых технологий. При появлении новой популярной технологии она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующего стандарта, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (например, спецификация RFC 1577, определяющая работу протокола IP через сети ATM, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов ATM). Так как для каждой вновь появляющейся технологии разрабатываются собственные интерфейсные средства, функции этого уровня нельзя определить раз и навсегда, и именно поэтому нижний уровень стека TCP/IP не регламентируется.
Каждый коммуникационный протокол оперирует некоторой единицей передаваемых данных. Названия этих единиц иногда закрепляются стандартом, а чаще просто определяются традицией. В стеке TCP/IP за многие годы его существования образовалась устоявшаяся терминология в этой области (рис. 1).

Рис. 1. Названия протокольных единиц данных в TCP/IP

Потоком данных, информационным потоком, или просто потоком, называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня - TCP и UDP.

Протокол TCP «нарезает» из потока данных сегменты.

Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграммой, или датаграммой. Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол IP, поэтому его единицу данных иногда тоже называют дейтаграммой, хотя достаточно часто используется и другой термин - пакет.

В стеке TCP/IP единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для их последующей передачи через сети составной сети, принято называть также кадрами, или фреймам. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в технологии составляющей сети. Для TCP/IP фреймом является и кадр Ethernet, и ячейка ATM, и пакет Х.25 в тех случаях, когда они выступают в качестве контейнера, в котором IP-пакет переносится через составную сеть.

Лекция 3. Стек TCP/IP. Базовые протоколы TCP/IP

Протокол TCP/IP является базовым транспортным сетевым прото- колом. Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие.

Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных пакетных подсетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут обмениваться пакетами.

Стек протоколов TCP/IP имеет четыре уровня (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Стек TCP/IP

Уровень IV соответствует уровню доступа к сети, который работает на основе стандартных протоколах физического и канального уровня, таких, как Ethernet, Token Ring, SLIP, PPP и других. Протоколы этого уровня отвечают за пакетную передачу данных в сети на уровне аппаратных средств.

Уровень III обеспечивает межсетевое взаимодействие при передаче пакетов данных из одной подсети в другую. При этом работает протокол IP.

Уровень II является основным и работает на базе протокола управления передачей TCP. Этот протокол необходим для надежной передачи сообщений между размещенными на разных машинах прикладными программами за счет образования виртуальных соединений между ними.

Уровень I – прикладной. Стек TCP/IP существует давно и он включает в себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня (протокол передачи файлов FTP, протокол Telnet, протокол Gopher для доступа к ресурсам всемирного пространства GopherSpace, самый известный протокол HTTP для доступа к удаленным гипертекстовым базам данных во всемирный паутине и др.).

Все протоколы стека можно разделить на две группы: протоколы передачи данных, передающие полезные данные между двумя сторонами; служебные протоколы, необходимые для корректной работы сети.

Служебные протоколы обязательно используют какой-либо протокол передачи данных. Например, служебный протокол ICMP использует протокол IP. Интернет – совокупность всех связных компьютерных сетей, использующих протоколы стека TCP/IP.

Функции транспортного уровня. Протоколы TCP, UDP.

Четвертый уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Транспортным уровнем предоставляются следующие виды услуг:

– установление транспортного соединения;

– передача данных;

– разрыв транспортного соединения.

Функции, выполняемые транспортным уровнем:

– преобразование транспортного адреса в сетевой;

– мультиплексирование транспортных соединений в сетевые;

– установление и разрыв транспортных соединений;

– упорядочивание блоков данных по отдельным соединениям;

– обнаружение ошибок и необходимый контроль за качеством услуг;

– восстановление после ошибок;

– сегментирование, объединение и сцепление;

– управление потоком данных по отдельным соединениям;

– супервизорные функции;

– передача срочных транспортных блоков данных.

Протокол управления передачей TCP предоставляет надежную службу доставки пакетов, ориентированную на установление соединения.

Протокол TCP:

– гарантирует доставку IP-датаграмм;

– выполняет разбиение на сегменты и сборку больших блоков данных, отправляемых программами;

– обеспечивает доставку сегментов данных в нужном порядке;

– выполняет проверку целостности переданных данных с помощью контрольной суммы;

– посылает положительные подтверждения, если данные получены успешно. Используя избирательные подтверждения, можно также посылать отрицательные подтверждения для данных, которые не были получены;

– предлагает предпочтительный транспорт для программ, которым требуется надежная передача данных с установлением сеанса связи, например для баз данных «клиент-сервер» и программ электронной почты.

TCP основан на связи «точка – точка» между двумя узлами сети. TCP получает данные от программ и обрабатывает их как поток байтов. Байты группируются в сегменты, которым TCP присваивает последовательные номера, необходимые для правильной сборки сегментов на узле-приемнике.

Чтобы два узла TCP могли обмениваться данными, им нужно сначала установить сеанс связи друг с другом. Сеанс TCP инициализируется с помощью процесса, называемого трехэтапным установлением связи, котором синхронизируются номера последовательности и передается управляющая информация, необходимая для установления виртуального соединения между узлами. По завершении этого процесса установления связи начинается пересылка и подтверждение пакетов в последовательном порядке между этими узлами. Аналогичный процесс используется TCP перед прекращением соединения для того, чтобы убедиться, что оба узла закончили передачу и прием данных (рисунок 3.2).


Рисунок 3.2 – Формат заголовка сегмента TCP

Поля порт источника и порт получателя занимают по 2 байта и идентифицируют процесс-отправитель процесс-получатель. Поля порядковый номер и номер подтверждения (длины по 4 байта) нумеруют каждый отправленный или полученный байт данных. Реализуются как целые числа без знака, которые сбрасываются, когда достигают максимального значения. Каждая сторона ведет собственную порядковую нумерацию. Поле длина заголовка занимает 4 бита и представляет собой длину заголовка TCP-сегмента, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле параметры. Поле резерв занимает 6 бит. Поле флаги занимает 6 бит и содержит шесть 1-битовых флагов:

– флаг URG (Urgent Pointer – указатель точности) устанавливается в 1 в случае использования поля указатель на срочные данные;

– флаг ACK (Acknowledgment – подтверждение) устанавливается в 1 в случае, если поле номер подтверждения содержит данные. В противном случае это поле игнорируется;



– флаг PSH (Push – выталкивание) означает, что принимающий стек TCP должен немедленно информировать приложение о поступивших данных, а не ждать пока буфер заполнится;

– флаг RST (Reset – сброс) используется для отмены соединения: из-за ошибки приложения, отказа от неверного сегмента, попытки создать соединение при отсутствии затребованного сервиса;

– флаг SYN (Synchronize – синхронизация) устанавливается при инициировании соединения и синхронизации порядкового номера;

– флаг FIN (Finished – завершение) используется для разрыва соединения. Он указывает, что отправитель закончил передачу данных.

Поле размер окна (длина 2 байта) содержит количество байт, которое может быть послано после байта, получение которого уже подтверждено. Поле контрольная сумма (длина 2 байта) служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений поле контрольная сумма устанавливается равным нулю, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы.

Протокол UDP, являясь дейтаграммным протоколом, реализует сервис по возможности, то есть не гарантирует доставку своих сообщений, а, следовательно, никоим образом не компенсирует ненадежность дейтаграммного протокола IP. Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой. Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользовательское сообщение. Это приводит к ограничению: длина дейтаграммы UDP не может превышать длины поля данных протокола IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если UDP-буфер переполняется, то данные приложения отбрасываются. Заголовок UDP-пакета, состоящий из четырех 2-байтовых полей, содержит поля порт источника, порт получателя, длина UDP и контрольная сумма (рисунок 3.3).

Поля порт источника и порт получателя идентифицируют передающий и получающий процессы. Поле длина UDP содержит длину пакета UDP в байтах. Поле контрольная сумма содержит контрольную сумму пакета UDP, вычисляемую по всему пакету UDP с добавленным псевдозаголовком.

Рисунок 3.3 – Формат заголовка пакета UDP

Основная литература: 2

Дополнительная литература: 7

Контрольные вопросы:

1. Каким протоколом в OSI является TCP/IP?

2. Для чего предназначена архитектура протоколов TCP/IP?

3. Какие уровни имеет стек TCP/IP?

4. Какие функции выполняет протокол управления передачей TCP?

5. Какие отличия существуют между протоколами TCP и UDP?

Стек 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.