Стек протоколов - это иерархически организованный набор сетевых протоколов , достаточный для организации взаимодействия узлов в сети. Протоколы работают в сети одновременно, значит работа протоколов должна быть организована так, чтобы не возникало конфликтов или незавершённых операций. Поэтому стек протоколов разбивается на иерархически построенные уровни, каждый из которых выполняет конкретную задачу - подготовку, приём, передачу данных и последующие действия с ними.

Количество уровней в стеке меняется в соответствии с конкретным стеком протоколов. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, программными средствами.

Существует достаточное количество стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Наиболее популярные стеки протоколов: OSI международной организации по стандартизации , TCP/IP , используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX , IPX/SPX фирмы Novell, NetBIOS/SMB, разработанный фирмами Microsoft и IBM , DECnet корпорации Digital Equipment , SNA фирмы IBM и некоторые другие.

Энциклопедичный YouTube

    1 / 3

    Основы сетей передачи данных. Модель OSI и стек протоколов TCP IP. Основы Ethernet.

    Стек протоколов

    Информатика. Сетевые технологии: Стек протоколов OSI. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

    Субтитры

Стандартные стеки коммуникационных протоколов

OSI

Важно различать модель OSI и стек протоколов OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор спецификаций конкретных протоколов.

В отличие от других стеков протоколов, стек OSI полностью соответствует модели OSI, включая спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определённых в этой модели:

  • На физическом и канальном уровнях стек OSI поддерживает протоколы Ethernet , Token ring , FDDI , а также протоколы LLC , X.25 и ISDN , то есть использует все разработанные вне стека популярные протоколы нижних уровней, как и большинство других стеков.
  • Сетевой уровень включает сравнительно редко используемые протоколы Connection-oriented Network Protocol (CONP) и Connectionless Network Protocol (CLNP). Как следует из названий, первый из них ориентирован на соединение (connection-oriented), второй - нет (connectionless). Более популярны протоколы маршрутизации стека OSI: ES-IS (End System - Intermediate System) между конечной и промежуточной системами и IS-IS (Intermediate System - Intermediate System) между промежуточными системами.
  • Транспортный уровень стека OSI в соответствии с функциями, определёнными для него в модели OSI, скрывает различия между сетевыми сервисами с установлением соединения и без установления соединения, так что пользователи получают требуемое качество обслуживания независимо от нижележащего сетевого уровня. Чтобы обеспечить это, транспортный уровень требует, чтобы пользователь задал нужное количество обслуживания.
  • Службы прикладного уровня обеспечивают передачу файлов, эмуляцию терминала , службу каталогов и почту . Из них наиболее популярными являются служба каталогов (стандарт X.500), электронная почта (стандарт X.400), протокол виртуального терминала (VTP), протокол передачи, доступа и управления файлами (FTAM), протокол пересылки и управления работами (JTM).

TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP - набор сетевых протоколов, на которых базируется Интернет . Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной , представления и сеансовый) модели OSI объединяют в один - прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению.

Уровни стека TCP/IP:

  1. Канальный уровень описывает каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности битов, определяющих начало и конец пакета данных).
  2. Сетевой уровень изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET . 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.
  3. Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных.
  4. На прикладном уровне 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-адресa) и многие другие.

Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают. Упрощённо интерпретацию стека TCP/IP можно представить так:

OSI TCP/IP
7. Прикладной HTTP, FTP, Telnet , SMTP, DNS (RIP , работающий поверх UDP , и BGP , работающий поверх TCP , являются частью сетевого уровня), LDAP Прикладной
6. Представления
5. Сеансовый
4. Транспортный TCP, UDP, RTP , NCP) и протокол объявления о сервисах Service Advertising Protocol (SAP).

NetBIOS/SMB

На физическом и канальном уровнях этого стека также задействованы уже получившие распространение протоколы, такие как Ethernet, Token Ring, FDDI, а на верхних уровнях - специфические протоколы NetBEUI (протокол расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI - NetBIOS Extended User Interface) и SMB . NetBEUI разрабатывался как эффективный протокол, потребляющий немного ресурсов и предназначенный для сетей, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Этот протокол содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к транспортному и сеансовому уровням модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов. Это ограничивает применение протокола NetBEUI локальными сетями, не разделёнными на подсети, и делает невозможным его использование в составных сетях.

Протокол Server Message Block (SMB) поддерживает функции сеансового уровня, уровня представления и прикладного уровня. На основе SMB реализуется файловая служба. а также службы печати и передачи сообщений между приложениями.

От сокетов до драйверов устройств

Введение в протоколы

В то время как формальное введение в работу в сети отсылает нас к модели взаимодействия открытых систем (OSI - Open Systems Interconnection), это введение в основной сетевой стек в Linux использует четырехуровневую модель, известную как модель Интернет (Internet model) (смотрите рисунок 1).

Рисунок 1. Интернет-модель сетевого стека

Внизу стека располагается канальный уровень. Канальный уровень относится к драйверам устройств, обеспечивающим доступ к физическому уровню, который может состоять из многочисленных сред, таких как последовательные каналы или устройства Ethernet. Над канальным находится сетевой уровень , который отвечает за направление пакетов по назначению. Следующий уровень под названием транспортный отвечает за одноранговые (peer-to-peer) коммуникации (например, в пределах хоста). Сетевой уровень управляет связью между хостами, а транспортный - взаимодействием между конечными точками внутри этих хостов. Наконец, существует прикладной уровень , который обычно является семантическим и понимает перемещенные данные. К примеру, протокол передачи гипертекста (HTTP - Hypertext Transfer Protocol) перемещает запросы и ответы для содержимого Web между сервером и клиентом.

В сущности, уровни сетевого стека проходят под более узнаваемыми названиями. На канальном уровне вы найдете Ethernet, наиболее распространенную высокоскоростную среду. К более старым протоколам канального уровня относятся такие последовательные протоколы, как Internet-протокол для последовательной линии (SLIP - Serial Line Internet Protocol), Compressed SLIP (CSLIP) и Point-to-Point Protocol (PPP). Наиболее распространенным протоколом сетевого уровня является Internet Protocol (IP), но существуют и другие, которые удовлетворяют другим нуждам, такие как Протокол управляющих сообщений Internet (ICMP - Internet Control Message Protocol) и Протокол разрешения адресов (ARP - Address Resolution Protocol). На транспортном уровне это Протокол управления передачей (TCP - Transmission Control Protocol) и Протокол пользовательских датаграмм (UDP - User Datagram Protocol). Наконец, прикладной уровень включает в себя множество привычных нам протоколов, в том числе HTTP, стандартный Web-протокол, и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), протокол передачи электронной почты.

Архитектура базовой сети

Теперь перейдем к архитектуре сетевого стека Linux и посмотрим, как он реализует модель Internet. На рисунке 2 представлен высокоуровневый вид сетевого стека Linux. Наверху располагается уровень пользовательского пространства или прикладной уровень , который определяет пользователей сетевого стека. Внизу находятся физические устройства , которые обеспечивают возможность соединения с сетями (последовательные или высокоскоростные сети, как Ethernet). В центре, или в пространстве ядра , - сетевая подсистема, которая находится в центре внимания данной статьи. Через внутреннюю часть сетевого стека проходят буферы сокетов (sk_buffs), которые перемещают данные пакета между источниками и получателями. Кратко будет показана структура sk_buff .

Рисунок 2. Высокоуровневая архитектура сетевого стека Linux

Во-первых, вам предлагается краткий обзор основных элементов сетевой подсистемы Linux с подробностями в следующих разделах. Наверху (смотрите рисунок 2) находится система под названием интерфейс системного вызова. Она просто дает способ приложениям из пользовательского пространства получать доступ к сетевой подсистеме ядра. Следующим идет протоколо-независимый (protocol agnostic) уровень, который предоставляет общий способ работы с нижестоящими протоколами транспортного уровня. Дальше следуют фактические протоколы, к которым в системе Linux относятся встроенные протоколы TCP, UDP и, конечно же, IP. Следующий - еще один независимый уровень, который обеспечивает общий интерфейс к отдельным доступным драйверам устройств и от них, сопровождаемый в конце самими этими драйверами.

Интерфейс системного вызова

Интерфейс системного вызова может быть описан в двух ракурсах. Когда сетевой вызов производится пользователем, он мультиплексируется через системный вызов в ядро. Это заканчивается как вызов sys_socketcall в./net/socket.c, который потом демультиплексирует вызов намеченной цели. Другой ракурс интерфейса системного вызова - использование нормальных файловых операций для сетевого ввода/вывода (I/O). Например, обычные операции чтения и записи могут быть выполнены на сетевом сокете (который представляется файловым дескриптором как нормальный файл). Поэтому пока существуют операции, специфичные для работы в сети (создание сокета вызовом socket , связывание его с дескриптором вызовом connect и так далее), есть также и некоторое количество стандартных файловых операций, которые применяются к сетевым объектам, как к обычным файлам. Наконец, интерфейс системного вызова предоставляет средства для передачи управления между приложением в пользовательском пространстве и ядром.

Протоколо-независимый интерфейс (Protocol agnostic interface)

Уровень сокетов является протоколо-независимым (protocol agnostic) интерфейсом, который предоставляет набор стандартных функций для поддержки ряда различных протоколов. Этот уровень не только поддерживает обычные TCP- и UDP-протоколы, но также и IP, raw Ethernet и другие транспортные протоколы, такие как Протокол управления передачей потоков данных (SCTP - Stream Control Transmission Protocol).

Взаимодействие через сетевой стек происходит посредством сокета. Структура сокета в Linux - struct sock , определенная в linux/include/net/sock.h. Эта большая структура содержит все необходимые состояния отдельного сокета, включая определенный протокол, используемый сокетом, и операции, которые можно над ним совершать.

Сетевая подсистема знает о доступных протоколах из специальной структуры, которая определяет ее возможности. Каждый протокол содержит структуру под названием proto (она находится в linux/include/net/sock.h). Эта структура определяет отдельные операции сокета, которые могут выполняться из уровня сокетов на транспортный уровень (например, как создать сокет, как установить соединение с сокетом, как закрыть сокет и т.д.).

Сетевые протоколы

Раздел сетевых протоколов определяет отдельные доступные сетевые протоколы (такие как TCP, UDP и так далее). Они инициализируются в начале дня в функции inet_init в linux/net/ipv4/af_inet.c (так как TCP и UDP относятся к семейству протоколов inet). Функция inet_init регистрирует каждый из встроенных протоколов, использующих функцию proto_register . Эта функция определена в linux/net/core/sock.c, и кроме добавления протокола в список действующих, если требуется, может выделять один или более slab-кэшей.

Можно увидеть, как отдельные протоколы идентифицируют сами себя посредством структуры proto в файлах tcp_ipv4.c, udp.c и raw.c, в linux/net/ipv4/. Каждая из этих структур протоколов отображается в виде типа и протокола в inetsw_array , который приписывает встроенные протоколы их операциям. Структура inetsw_array и его связи показаны на рисунке 3. Каждый из протоколов в этом массиве инициализируется в начале дня в inetsw вызовом inet_register_protosw из inet_init . Функция inet_init также инициализирует различные модули inet , такие как ARP, ICMP, IP-модули и TCP и UDP-модули.

Рисунок 3. Структура массива Internet-протокола

Корреляция сокета и протокола

Вспомните, что когда сокет создается, он определяет тип и протокол, например, my_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) . AF_INET указывает семейство Internet-адресов с потоковым сокетом, определенным как SOCK_STREAM (как показано здесь, в inetsw_array).

Перемещение данных для сокетов происходит при помощи основной структуры под названием буфер сокета (sk_buff). В sk_buff содержатся данные пакета и данные о состоянии, которые охватывают несколько уровней стека протокола. Каждый отправленный или полученный пакет представлен в sk_buff . Структура sk_buff определяется в linux/include/linux/skbuff.h и показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Буфер сокета и его связи с другими структурами

Как можно заметить, несколько структур sk_buff для данного соединения могут быть связаны вместе. Каждая из них идентифицирует структуру устройства (net_device), которому пакет посылается или от которого получен. Так как каждый пакет представлен в sk_buff , заголовки пакетов удобно определены набором указателей (th , iph и mac для Управления доступом к среде (заголовок Media Access Control или MAC). Поскольку структуры sk_buff являются центральными в организации данных сокета, для управления ими был создан ряд функций поддержки. Существуют функции для создания, разрушения, клонирования и управления очередностью sk_buff .

Буферы сокетов разработаны таким образом, чтобы связываться друг с другом для данного сокета и включать большой объем информации, в том числе ссылки на заголовки протоколов, временные метки (когда пакет был отправлен или получен) и соответствующее устройство.

Устройство-независимый интерфейс (Device agnostic interface)

Под уровнем протоколов располагается другой независимый уровень интерфейса, который связывает протоколы с различными драйверами физических устройств с разными возможностями. Этот уровень предоставляет стандартный набор функций, которые используются низко-уровневыми сетевыми устройствами, чтобы иметь возможность взаимодействовать с высоко-уровневым стеком протокола.

Прежде всего, драйверы устройств могут регистрировать и разрегистрировать себя в ядре вызовом register_netdevice или unregister_netdevice . Вызывающая команда сначала заполняет структуру net_device , а затем передает ее для регистрации. Ядро вызывает свою функцию init (если она определена), выполняет несколько проверок исправности, создает запись sysfs и потом добавляет новое устройство в список устройств (связанный список устройств, активных в ядре). Структуру net_device можно найти в linux/include/linux/netdevice.h. Некоторые функции находятся в linux/net/core/dev.c.

Для отправления sk_buff из уровня протокола устройству используется функция dev_queue_xmit . Она ставит в очередь sk_buff для возможной пересылки соответствующим драйвером устройства (устройством, определенным при помощи net_device или указателя sk_buff->dev в sk_buff). Структура dev содержит метод под названием hard_start_xmit , который хранит функцию драйвера для инициализации передачи sk_buff .

Получение пакета выполняется традиционно при помощи netif_rx . Когда драйвер устройства более низкого уровня получает пакет (содержащийся внутри выделенного sk_buff), sk_buff идет выше, на сетевой уровень, с помощью вызова netif_rx . Эта функция затем ставит sk_buff в очередь на более высокий уровень протоколов для дальнейшей обработки при помощи netif_rx_schedule . Функции dev_queue_xmit и netif_rx находятся в linux/net/core/dev.c.

Наконец, для взаимодействия с устройство-независимым уровнем (dev) в ядро был введен новый интерфейс прикладных программ (NAPI). Его используют некоторые драйверы, но подавляющее большинство все еще пользуется более старым интерфейсом получения кадров (по грубой оценке шесть из семи). NAPI может давать лучшую производительность при больших нагрузках, избегая при этом прерываний при каждом входящем кадре.

Драйверы устройств

Внизу сетевого стека находятся драйверы устройств, которые управляют физическими сетевыми устройствами. Примерами устройств этого уровня могут служить драйвер SLIP над последовательным интерфейсом или драйвер Ethernet над устройством Ethernet.

Во время инициализации драйвер устройства выделяет место для структуры net_device , а затем инициализирует ее необходимыми подпрограммами. Одна из них, с названием dev->hard_start_xmit , определяет, как верхний уровень должен поставить в очередь sk_buff для передачи. Ей передается sk_buff . Работа этой функции зависит от оборудования, но обычно пакет, описываемый в sk_buff , перемещается в так называемое "аппаратное кольцо" (hardware ring) или "очередь" (queue). Поступление кадра, как описано на устройство-независимом уровне, использует интерфейс netif_rx или netif_receive_skb для NAPI-совместимого сетевого драйвера. Драйвер NAPI накладывает ограничения на возможности базового оборудования. Подробности смотрите в разделе.

После того как драйвер устройства настроил свои интерфейсы в структуре dev , вызов register_netdevice делает ее доступной для использования. В linux/drivers/net можно найти драйверы, характерные для сетевых устройств.

Идем дальше

Исходный код Linux - прекрасный способ узнать о конструкции драйверов для множества типов устройств, включая драйверы сетевых устройств. Вы обнаружите различия в конструкции и использовании доступных API ядра, но каждый будет полезен либо инструкциями, либо как отправная точка для нового драйвера. Остальной код в сетевом стеке стандартен и используется, пока не потребуется новый протокол. Но даже тогда реализации TCP (для потокового протокола) или UDP (для протокола на основе передачи сообщений) служат полезными моделями для начала новой разработки.

В этой статье будут рассказаны основы модели TCP/IP. Для лучшего понимания описаны основные протоколы и службы. Главное - не торопиться и стараться понимать каждую вещь поэтапно. Все они взаимосвязаны и без понимания одной, трудно будет понять другую. Здесь скомпонована весьма поверхностная информация, так что эту статью смело можно назвать «стеком протоколов TCP/IP для чайников». Однако, многие вещи здесь не так трудны для понимания, как может показаться на первый взгляд.

TCP/IP

Стек TCP/IP - сетевая модель передачи данных в сети, она определяет порядок взаимодействия устройств. Данные поступают на канальный уровень и обрабатываются поочередно каждым уровнем выше. Стек представлен в виде абстракции, которая объясняет принципы обработки и приема данных.

Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:

  1. Канальный (Link).
  2. Сетевой (Internet).
  3. Транспортный (Transport).
  4. Прикладной (Application).

Прикладной уровень

Прикладной уровень обеспечивает возможность взаимодействия между приложением и другими уровнями стека протоколов, анализирует и преобразовывает поступающую информацию в формат, подходящий для программного обеспечения. Является ближайшим к пользователю и взаимодействует с ним напрямую.

  • HTTP;
  • SMTP;

Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.

HTTP (HyperText Transfer Protocol) предназначен для передачи данных. По нему отправляются, например, документы в формате HTML, которые служат основой веб-страницы. Упрощенно схема работы представляется как «клиент - сервер». Клиент отправляет запрос, сервер его принимает, должным образом обрабатывает и возвращает конечный результат.

Служит стандартом передачи файлов в сети. Клиент посылает запрос на некий файл, сервер ищет этот файл в своей базе и при успешном обнаружении отправляет его как ответ.

Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:

  1. Определение адреса отправителя. Это необходимо для возвращения писем.
  2. Определение получателя. Этот шаг может повторяться некоторое количество раз при указании нескольких адресатов.
  3. Определение содержимого сообщения и отправка. В качестве служебной информации передаются данные о типе сообщения. Если сервер подтверждает готовность принять пакет, то совершается сама транзакция.

Заголовок (Header)

В заголовке содержатся служебные данные. Важно понимать, что они предназначаются только для конкретного уровня. Это значит, что как только пакет отправится к получателю, то будет обработан там по такой же модели, но в обратном порядке. Вложенный заголовок будет нести специальную информацию, которая может быть обработана только определенным образом.

Например, заголовок, вложенный на транспортном уровне, на другой стороне может быть обработан только транспортным уровнем. Другие просто его проигнорируют.

Транспортный уровень

На транспортном уровне полученная информация обрабатывается как единый блок, вне зависимости от содержимого. Полученные сообщения делятся на сегменты, к ним добавляется заголовок, и все это отправляется ниже.

Протоколы передачи данных:

Самый распространенный протокол. Он отвечает за гарантированную передачу данных. При отправке пакетов контролируется их контрольная сумма, процесс транзакции. Это значит, что информация дойдет «в целости и сохранности» независимо от условий.

UDP (User Datagram Protocol) - второй по популярности протокол. Он также отвечает за передачу данных. Отличительное свойство кроется в его простоте. Пакеты просто отправляются, не создавая особенной связи.

TCP или UDP?

У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.

Основное преимущество UDP заключается в скорости передачи. TCP является сложным протоколом с множеством проверок, в то время как UDP представляется более упрощенным, а значит, и более быстрым.

Недостаток кроется в простоте. Ввиду отсутствия проверок не гарантируется целостность данных. Таким образом, информация просто отправляется, а все проверки и подобные манипуляции остаются за приложением.

UDP используется, например, для просмотра видео. Для видеофайла не критична потеря небольшого количества сегментов, в то время как скорость загрузки - важнейший фактор.

Однако если необходимо отправить пароли или реквизиты банковской карты, то необходимость использования TCP очевидна. Потеря даже самой мизерной части данных может повлечь за собой катастрофические последствия. Скорость в этом случае не так важна, как безопасность.

Сетевой уровень

Сетевой уровень из полученной информации образует пакеты и добавляет заголовок. Наиболее важной частью данных являются IP и MAC-адреса отправителей и получателей.

IP-адрес (Internet Protocol address) - логический адрес устройства. Содержит информацию о местоположении устройства в сети. Пример записи: .

MAC-адрес (Media Access Control address) - физический адрес устройства. Используется для идентификации. Присваивается сетевому оборудованию на этапе изготовления. Представлен как шестибайтный номер. Например: .

Сетевой уровень отвечает за:

  • Определение маршрутов доставки.
  • Передачу пакетов между сетями.
  • Присвоение уникальных адресов.

Маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Они прокладывают путь между компьютером и сервером на основе полученных данных.

Самый популярный протокол этого уровня - IP.

IP (Internet Protocol) - интернет-протокол, предназначенный для адресации в сети. Используется для построения маршрутов, по которым происходит обмен пакетами. Не обладает никакими средствами проверки и подтверждения целостности. Для обеспечения гарантий доставки используется TCP, который использует IP в качестве транспортного протокола. Понимание принципов этой транзакции во многом объясняет основу того, как работает стек протоколов TCP/IP.

Виды IP-адресов

В сетях используются два вида IP-адресов:

  1. Публичные.
  2. Приватные.

Публичные (Public) используются в Интернете. Главное правило - абсолютная уникальность. Пример их использования - маршрутизаторы, каждый из которых имеет свой IP-адрес для взаимодействия с сетью Интернет. Такой адрес называется публичным.

Приватные (Private) не используются в Интернете. В глобальной сети такие адреса не являются уникальными. Пример - локальная сеть. Каждому устройству присваивается уникальный в пределах данной сети IP-адрес.

Взаимодействие с сетью Интернет ведется через маршрутизатор, который, как уже было сказано выше, имеет свой публичный IP-адрес. Таким образом, все компьютеры, подключенные к маршрутизатору, представляются в сети Интернет от имени одного публичного IP-адреса.

IPv4

Самая распространенная версия интернет-протокола. Предшествует IPv6. Формат записи - четыре восьмибитных числа, разделенные точками. Через знак дроби указывается маска подсети. Длина адреса - 32 бита. В подавляющем большинстве случаев, когда речь идет об IP-адресе, имеется в виду именно IPv4.

Формат записи: .

IPv6

Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.

Основная проблема, которую решает IPv6 - это исчерпание адресов IPv4. Предпосылки начали проявляться уже в начале 80-х годов. Несмотря на то, что эта проблема вступила в острую стадию уже в 2007-2009 годах, внедрение IPv6 очень медленно «набирает обороты».

Главное преимущество IPv6 - более быстрое интернет-соединение. Это происходит из-за того, что для этой версии протокола не требуется трансляции адресов. Выполняется простая маршрутизация. Это является менее затратным и, следовательно, доступ к интернет-ресурсам предоставляется быстрее, чем в IPv4.

Пример записи: .

Существует три типа IPv6-адресов:

  1. Unicast.
  2. Anycast.
  3. Multicast.

Unicast - тип одноадресных IPv6. При отправке пакет достигает только интерфейса, расположенного на соответствующем адресе.

Anycast относится к групповым IPv6-адресам. Отправленный пакет попадет в ближайший сетевой интерфейс. Используется только маршрутизаторами.

Multicast являются многоадресными. Это значит, что отправленный пакет достигнет всех интерфейсов, находящихся группе мультивещания. В отличие от broadcast, который является «вещанием для всех», multicast вещает лишь определенной группе.

Маска подсети

Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.

Например, IP-адрес имеет маску. В таком случае формат записи будет выглядеть так. Число «24» - это количество бит в маске. Восемь бит равняется одному октету, который также может называться байтом.

Если подробнее, то маску подсети можно представить в двоичной системе счисления таким образом: . В ней имеется четыре октета, и запись состоит из «1» и «0». Если сложить количество единиц, то получим в сумме «24». К счастью, считать по единице не обязательно, ведь в одном октете - 8 значений. Видим, что три из них заполнены единицами, складываем и получаем «24».

Если говорить именно о маске подсети, то в двоичном представлении она имеет в одном октете либо единицы, либо нули. При этом последовательность такова, что сначала идут байты с единицами, а только потом с нулями.

Рассмотрим небольшой пример. Есть IP-адрес и маска подсети. Считаем и записываем: . Теперь сопоставляем маску с IP-адресом. Те октеты маски, в которых все значения равны единице (255) оставляют соответствующие им октеты в IP-адресе без изменения. Если же в значении нули (0), то октеты в IP-адресе также становятся нулями. Таким образом, в значении адреса подсети получаем.

Подсеть и хост

Подсеть отвечает за логическое разделение. По сути, это устройства, использующие одну локальную сеть. Определяется диапазоном IP-адресов.

Хост - это адрес сетевого интерфейса (сетевой карты). Определяется из IP-адреса с помощью маски. Например: . Так как первые три октета - подсеть, то остается. Это и есть номер хоста.

Диапазон адресов хоста - от 0 до 255. Хост под номером «0» является, собственно, адресом самой подсети. А хост под номером «255» является широковещательным.

Адресация

Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

  1. Локальные.
  2. Сетевые.
  3. Доменные имена.

Локальными называются MAC-адреса. Они используются для адресации в таких технологиях локальной сети как, например, Ethernet. В контексте TCP/IP слово «локальные» означает, что они действуют лишь в пределах подсети.

Сетевым адресом в стеке протоколов TCP/IP является IP-адрес. При отправке файла из его заголовка считывается адрес получателя. С его помощью маршрутизатор узнает номер хоста и подсеть и, основываясь на этой информации, прокладывает маршрут к конечному узлу.

Доменные имена - это удобочитаемые адреса веб-сайтов в Интернете. Веб-сервера в сети Интернет доступны по публичному IP-адресу. Он успешно обрабатывается компьютерами, однако для людей представляется слишком неудобным. Для того чтобы избежать подобных сложностей, используются доменные имена, которые состоят из областей, называемых «доменами». Они располагаются в порядке строгой иерархии, от верхнего уровня к нижнему.

Домен первого уровня представляет конкретную информацию. Общие (.org, .net) не ограничены какими-либо строгими границами. Обратная ситуация - с локальными (.us, .ru). Они, как правило, привязаны территориально.

Домены низших уровней - это все остальное. Он может быть любого размера и содержать любое количество значений.

Например, "www.test.quiz.sg" - корректное доменное имя, где «sg» - локальный домен первого (верхнего) уровня, «quiz.sg» - домен второго уровня, «test.quiz.sg» - домен третьего уровня. Доменные имена также могут называться DNS-именами.

DNS (Domain Name System) устанавливает соответствие между доменными именами и публичным IP-адресом. При наборе доменного имени в строке браузера DNS обнаружит соответствующий IP-адрес и сообщит устройству. Устройство обработает этот и вернет его в виде веб-страницы.

Канальный уровень

На канальном уровне определяется взаимосвязь между устройством и физической средой передачи, добавляется заголовок. Отвечает за кодировку данных и подготовку фреймов для передачи по физической среде. На этом уровне работают сетевые коммутаторы.

Самые распространенные протоколы:

  1. Ethernet.
  2. WLAN.

Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.

WLAN - локальная сеть на основе беспроводных технологий. Взаимодействие устройств происходит без физических кабельных соединений. Пример самого распространенного метода - Wi-Fi.

Настройка TCP/IP для использования статического IPv4-адреса

Статический IPv4-адрес назначается напрямую в настройках устройства или автоматически при подключении к сети и является постоянным.

Для настройки стека протоколов TCP/IP на использование постоянного IPv4-адреса необходимо ввести в консоль команду ipconfig/all и найти следующие данные.

Настройка TCP/IP для использования динамического IPv4-адреса

Динамический IPv4-адрес используется какое-то время, сдается в аренду, после чего меняется. Присваивается устройству автоматически при подключении к сети.

Чтобы настроить стек протоколов TCP/IP на использование непостоянного IP-адреса необходимо зайти в свойства нужного соединения, открыть свойства IPv4 и поставить отметки так, как указано.

Способы передачи данных

Данные передаются через физическую среду тремя способами:

  • Simplex.
  • Half-duplex.
  • Full Duplex.

Simplex - это односторонняя связь. Передача ведется только одним устройством, в то время как другое только принимает сигнал. Можно сказать, что информация транслируется только в одном направлении.

Примеры симплексной связи:

  • Телевещание.
  • Сигнал от спутников GPS.

Half-duplex - это двусторонняя связь. Однако только один узел может передавать сигнал в определенный момент времени. При такой связи два устройства не могут одновременно использовать один канал. Полноценная двусторонняя связь может быть невозможна физически или приводить к коллизиям. Говорится, что они конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании коаксиального кабеля.

Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.

Full Duplex - полноценная двусторонняя связь. Устройства могут одновременно транслировать сигнал и производить прием. Они не конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании технологии Fast Ethernet и соединении с помощью витой пары.

Пример - общение по телефону через мобильную сеть.

TCP/IP vs OSI

Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:

  1. Физический (Physical).
  2. Канальный (Data Link).
  3. Сетевой (Network).
  4. Транспортный (Transport).
  5. Сеансовый (Session).
  6. Представительский (Presentation).
  7. Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.

Физический представляет собой собственно физическую связь - электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов . Для каждого уровня определяется набор функций–запросов для взаимодействия с выше лежащим уровнем, который называетсяинтерфейсом . Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней, которые называютсяпротоколами .

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сетиInternetи во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорацииDigitalEquipmentи некоторые другие.

Стеки протоколов разбиваются на три уровня:

    транспортные;

    прикладные.

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы предоставляют следующие услуги: адресацию и маршрутизацию информации, проверку на наличие ошибок, запрос повторной передачи и установление правил взаимодействия в конкретной сетевой среде. Ниже приведены наиболее популярные сетевые протоколы.

    DDP (DatagramDeliveryProtocol– Протокол доставки дейтаграмм).Протокол передачи данныхApple, используемый вAppleTalk.

    IP (Internet Protocol – Протокол Internet). Протокол стека TCP/IP, обеспечивающий адресную информацию и информацию о маршрутизации.

    IPX (InternetworkPacketeXchange– Межсетевой обмен пакетами) в NWLink.ПротоколNovelNetWare, используемый для маршрутизации и направления пакетов.

    NetBEUI (NetBIOSExtendedUserInterface– расширенный пользовательский интерфейс базовой сетевой системы ввода вывода). Разработанный совместно IBM иMicrosoft, этот протокол обеспечивает транспортные услуги дляNetBIOS.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы предоставляют следующие услуги надежной транспортировки данных между компьютерами. Ниже приведены наиболее популярные транспортные протоколы.

    ATP (AppleTalkProtocol– Транзакционный протоколAppleTalk) и NBP (NameBindingProtocol– Протокол связывания имен). Сеансовый и транспортный протоколыAppleTalk.

    NetBIOS (Базовая сетевая система ввода вывода). NetBIOS Устанавливает соединение между компьютерами, аNetBEUI предоставляет услуги передачи данных для этого соединения.

    SPX (SequencedPacketeXchange– Последовательный обмен пакетами) в NWLink.ПротоколNovelNetWare, используемый для обеспечения доставки данных.

    TCP (TransmissionControlProtocol– Протокол управления передачей).Протокол стека TCP/IP, отвечающий за надежную доставку данных.

Прикладные протоколы

Прикладные протоколы отвечают за взаимодействие приложений. Ниже приведены наиболее популярные прикладные протоколы.

    AFP (Apple Talk File Protocol – Файловый протокол Apple Talk).Протокол удаленного управления файламиMacintosh.

    FTP (File Transfer Protocol – Протокол передачи файлов). Протокол стека TCP/IP,используемый для обеспечения услуг по передачи файлов.

    NCP (NetWare Core Protocol – Базовый протокол NetWare). Оболочка и редиректоры клиентаNovelNetWare.

    SNMP (SimpleNetworkManagementProtocol– Простой протокол управления сетью).Протокол стека TCP/IP, используемый дляуправления и наблюдения за сетевыми устройствами.

    HTTP (HyperTextTransferProtocol) – протокол передачи гипертекста и другие протоколы.

Набор интернет-протоколов обеспечивает сквозную передачу данных, определяющую, как данные должны пакетироваться, обрабатываться, передаваться, маршрутизироваться и приниматься. Эта функциональность организована в четыре слоя абстракции, которые классифицируют все связанные протоколы в соответствии с объемом задействованных сетей. От самого низкого до самого высокого уровня - это уровень связи, содержащий методы связи для данных, которые остаются в пределах одного сегмента сети (ссылка); интернет-уровень, обеспечивающий межсетевое взаимодействие между независимыми сетями; транспортный уровень, обрабатывающий связь между хостами; и прикладной уровень, который обеспечивает обмен данными между процессами для приложений.

Развитием архитектуры Интернета и протоколов в модели TCP/IP занимается открытое международное сообщество проектировщиков IETF .

История

Стек протоколов TCP/IP был создан на основе NCP (Network Control Protocol) группой разработчиков под руководством Винтона Серфа в 1972 году. В июле 1976 года Винт Серф и Боб Кан впервые продемонстрировали передачу данных с использованием TCP по трём различным сетям. Пакет прошел по следующему маршруту: Сан-Франциско - Лондон - Университет Южной Калифорнии. К концу своего путешествия пакет проделал 150 тысяч км, не потеряв ни одного бита. В 1978 году Серф, Джон Постел и Дэнни Кохэн решили выделить в TCP две отдельные функции: TCP и IP (англ. Internet Protocol , межсетевой протокол). TCP был ответственен за разбивку сообщения на датаграммы (англ. datagram) и соединение их в конечном пункте отправки. IP отвечал за передачу (с контролем получения) отдельных датаграмм. Вот так родился современный протокол Интернета. А 1 января 1983 года ARPANET перешла на новый протокол. Этот день принято считать официальной датой рождения Интернета.

Уровни стека TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI . На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.

Распределение протоколов по уровням модели TCP/IP
Прикладной
(Application layer) 		напр., HTTP , RTSP , FTP , DNS
Транспортный

Транспортный уровень

Сетевой (межсетевой) уровень

Канальный уровень

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).

При проектировании стека протоколов на канальном уровне рассматривают помехоустойчивое кодирование - позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки в данных вследствие воздействия шумов и помех на канал связи.

Сравнение с моделью OSI

Три верхних уровня в модели OSI, то есть уровень приложения, уровень представления и уровень сеанса, отдельно не различаются в модели TCP/IP , которая имеет только прикладной уровень над транспортным уровнем. Хотя некоторые чистые приложения протокола OSI, такие как X.400 , также объединяют их, нет требования, чтобы стек протокола TCP/IP должен накладывать монолитную архитектуру над транспортным уровнем. Например, протокол NFS-приложений работает через протокол представления данных External Data Representation (XDR), который, в свою очередь, работает по протоколу Remote Procedure Call (RPC). RPC обеспечивает надежную передачу данных, поэтому он может безопасно использовать транспорт UDP с максимальным усилием.

Различные авторы интерпретировали модель TCP/IP по-разному и не согласны с тем, что уровень связи или вся модель TCP/IP охватывает проблемы уровня OSI уровня 1 (физический уровень) или предполагается, что аппаратный уровень ниже уровня канала.

Несколько авторов попытались включить слои 1 и 2 модели OSI в модель TCP/IP, поскольку они обычно упоминаются в современных стандартах (например, IEEE и ITU). Это часто приводит к модели с пятью слоями, где уровень связи или уровень доступа к сети разделяются на слои 1 и 2 модели OSI.

Усилия по разработке протокола IETF не касаются строгого расслоения. Некоторые из его протоколов могут не соответствовать чисто модели OSI, хотя RFC иногда ссылаются на нее и часто используют старые номера уровня OSI. IETF неоднократно заявлял, что разработка интернет-протокола и архитектуры не должна соответствовать требованиям OSI. В RFC 3439 , адресованном интернет-архитектуре, содержится раздел, озаглавленный «Слой, считающийся вредным».

Например, считается, что уровни сеанса и представления пакета OSI включены в прикладной уровень пакета TCP/IP. Функциональность уровня сеанса можно найти в протоколах, таких как HTTP и SMTP , и более очевидна в таких протоколах, как Telnet и протокол инициации сеанса (SIP). Функциональность уровня сеанса также реализована с нумерацией портов протоколов TCP и UDP, которые охватывают транспортный уровень в наборе TCP/IP. Функции уровня представления реализуются в приложениях TCP/IP со стандартом MIME при обмене данными.

Конфликты очевидны также в оригинальной модели OSI, ISO 7498, когда не рассматриваются приложения к этой модели, например, ISO 7498/4 Management Framework или ISO 8648 Internal Organization of the Network layer (IONL). Когда рассматриваются документы IONL и Management Framework, ICMP и IGMP определяются как протоколы управления уровнем для сетевого уровня. Аналогичным образом IONL предоставляет структуру для «зависимых от подсетей объектов конвергенции», таких как ARP и RARP.

Протоколы IETF могут быть инкапсулированы рекурсивно, о чем свидетельствуют протоколы туннелирования, такие как Инкапсуляция общей маршрутизации (GRE). GRE использует тот же механизм, который OSI использует для туннелирования на сетевом уровне. Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.

К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень - «Internetworking» - между канальным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP .

Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:

Распределение протоколов по уровням модели OSI
TCP/IP OSI
7 Прикладной Прикладной напр., HTTP , SMTP , SNMP , FTP , Telnet , SSH , SCP , SMB , NFS , RTSP , BGP
6 Представления напр., XDR , AFP , TLS , SSL
5 Сеансовый напр., ISO 8327 / CCITT X.225, RPC , NetBIOS , PPTP , L2TP , ASP
4 Транспортный Транспортный напр., TCP , UDP , SCTP , SPX , ATP , DCCP , GRE
3 Сетевой Сетевой напр., ICMP , IGMP , CLNP , OSPF , RIP , IPX , DDP , ARP
2 Канальный Канальный напр., Ethernet , Token ring , HDLC , PPP , X.25 , Frame relay , ISDN , ATM , SPB , MPLS
1 Физический напр., электрические провода, радиосвязь, волоконно-оптические провода, инфракрасное излучение

Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня модели OSI (прикладной, представления и сеансовый) объединяют в один - прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению.

Описание модели TCP/IP в технической литературе

Примечания

  1. Модели OSI и TCP/IP . База знаний osLogic.ru
  2. Сетевые модели TCP/IP и OSI . Cisco Learning
  3. Васильев А. А. , Телина И. С. , Избачков Ю. С. , Петров В. Н. Информационные системы: Учебник для вузов. - СПб. : Питер, 2010. - 544 с. - ISBN 978-5-49807-158-9 .
  4. Эндрю Кровчик, Винод Кумар, Номан Лагари и др. .NET сетевое программирование для профессионалов / пер. с англ. В. Стрельцов. - М. : Лори, 2005. - 400 с. - ISBN 1-86100-735-3 . - ISBN 5-85582-170-2 .

Транспортный уровень (Transport Layer - TL) определяет правила транспортировки пакетов по сети. Транспортный уровень наблюдает за доставкой из конца в конец индивидуальных пакетов, он не учитывает никаких зависимостей между этими пакетами (даже принадлежащими к одному сообщению). Он обрабатывает каждый пакет как если бы каждая часть принадлежала отдельному сообщению, независимо от того, так это на самом деле или нет. Протоколы транспортного уровня гарантируют, что все сообщения прибывают в конечный пункт неповрежденными и пакеты располагаются в первоначальном порядке. На транспортном уровне осуществляется контроль нарушения информации и контроль ошибок, а также управление потоком по всему тракту "источник - пункт назначения".

Транспортный уровень выполняет следующие задачи:

  • Адресация точки сервиса . Компьютеры часто выполняют несколько программ в одно и то же время. По этой причине доставка "источник - пункт назначения" означает доставку не только от одного компьютера до следующего, но также и от заданного процесса (функционирующей программы) на одном компьютере к заданному процессу (функционирующей программе) на другом. Поэтому заголовок транспортного уровня должен включать тип адреса, называемый адрес сервисной точки (или адрес порта). Сетевой уровень доставляет каждый пакет на корректный адрес компьютера; транспортный уровень доставляет полное сообщение к корректному процессу на этом компьютере.
  • Сегментация и повторная сборка . Сообщение разделено на транспортируемые сегменты, каждый сегмент содержит порядковый номер. Эти номера дают возможность транспортному уровню после достижения пункта назначения правильно повторно собрать сообщение и заменять пакеты, которые были потеряны в передаче.
  • Управление подключением . Транспортный уровень может быть ориентирован на работу без установления соединения (connectionless transfer) или ориентирован на подключение (connection-oriented transfer) - дейтаграммный режим. Транспортный уровень без установления соединения (по предварительно установленному виртуальному соединению) обрабатывает каждый сегмент как независимый пакет и поставляет его транспортному уровню в машине пункта назначения. Ориентированный на подключение транспортный уровень сначала перед поставкой пакетов устанавливает соединение с транспортным уровнем в компьютере пункта назначения. После того как все данные переданы, подключение заканчивается.

    В режиме, не ориентированном на соединение, транспортный уровень используется для передачи одиночных дейтаграмм, не гарантируя их надежную доставку. Режим, ориентированный на соединение, применяется для надежной доставки данных.

  • Управление потоком . Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за управление потоком. Однако управление потоком на этом уровне выполняется от "конца концу".
  • Контроль ошибок . Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за контроль ошибок. Транспортный уровень передачи удостоверяется, что полное сообщение достигло транспортного уровня приема без ошибки (повреждения, потери или дублирования). Исправление ошибки обычно происходит с помощью повторной передачи.

Уровень сеанса (Session Layer SL) - сетевой контроллер диалога. Он устанавливает, поддерживает и синхронизирует взаимодействие между связывающимися системами.

При помощи сеансового уровня (Session Layer) организуется диалог между сторонами, фиксируется, какая из сторон является инициатором, какая из сторон активна и каким образом завершается диалог.

Задачи сеансового уровня следующие:

  • Управление диалогом . Сеансовый уровень дает возможность двум системам вступать в диалог. Он позволяет обмен сообщениями между двумя процессами. При этом возможны режимы: либо полудуплексный (один путь одновременно), либо дуплексный (два пути одновременно). Например, диалог между терминалом и универсальной ЭВМ может быть полудуплексным.
  • Синхронизация . Сеансовый уровень позволяет процессу добавлять контрольные точки (точки синхронизации) в поток данных. Например, если система посылает файл из 2 000 страниц, желательно вставить контрольные точки после каждых 100 страниц, чтобы гарантировать, что каждый модуль со 100 страницами получен и опознается независимо. В этом случае, если случается нарушение в течение передачи страницы 523, единственная страница, которую требуется и которая будет снова послана после системного восстановления - страница 501 (первая страница пятой сотни)

Уровень представления (Presentation Layer) занимается формой предоставления информации нижележащим уровням, например, перекодировкой или шифрованием информации.

Задачи уровня представления следующие:

  • Перекодировка информации . Процессы (функционирующие программы) в двух системах обычно меняют информацию в форме символьных строк, чисел и так далее. Информация, прежде чем быть переданной, должна быть изменена на потоки бит. Поскольку различные компьютеры используют различные системы кодирования, уровень представления несет ответственность за способность к взаимодействию между этими различными методами кодирования. Уровень представления в передатчике изменяет информацию от формы, зависящей от передатчика, в общую форму. Уровень представления в компьютере приема заменяет общий формат в формат его приемника.
  • Шифрование . Чтобы доставлять конфиденциальную информацию, система должна обеспечить секретность. Шифрование означает, что передатчик преобразовывает первоначальную информацию к другой форме и посылает результирующее сообщение по сети. Расшифровка должна быть полностью противоположна первоначальному процессу, чтобы преобразовать сообщение назад к его первоначальной форме.
  • Сжатие . Сжатие данных уменьшает число битов, содержавшихся в информации. Сжатие данных становится особенно важным в передаче мультимедиа, таких как текст, аудио и видео.

Прикладной уровень (Application Layer - AL) - это набор протоколов, которыми обмениваются удаленные узлы, реализующие одну и ту же задачу (программу). Прикладной уровень дает возможность пользователю (человеку либо программному обеспечению) обращаться к сети. Он обеспечивает интерфейсы пользователя и поддержку услуг - электронной почты, удаленного доступа и перевода средств, общедоступного управления базы данных и других типов распределенных информационных служб.

Примеры услуг, оказываемых прикладным уровнем:

  • Сетевой виртуальный терминал . Сетевой виртуальный терминал - программная версия физического терминала, он позволяет пользователю войти в удаленный хост. Чтобы сделать это, приложение создает программную имитацию терминала в удаленном хосте. Компьютер пользователя общается с программным терминалом, который, в свою очередь, общается с хостом, и наоборот. Удаленный хост определяет эту связь как связь с одним из его собственных терминалов и позволяет вход.
  • Передача файлов, доступ и управление . Это приложение позволяет пользователю обращаться к файлам в удаленном хосте, чтобы изменять или читать данные, извлекать файлы из удаленного компьютера для использования в местном компьютере и администрировать или управлять файлами на удаленном компьютере.
  • Услуги почты . Это приложение обеспечивает базу для передачи и хранения электронной почты.
  • Услуги каталога . Это приложение обеспечивает распределенные источники базы данных и доступ к глобальной информации о различных объектах и услугах.

Стек протоколов Интернета

Стек протоколов сети Интернет2 был разработан до модели OSI . Поэтому уровни в стеке протоколов Интернета не соответствуют аналогичным уровням в модели OSI . Стек протоколов Интернета состоит из пяти уровней: физического, звена передачи данных, сети, транспортного и прикладного. Первые четыре уровня обеспечивают физические стандарты, сетевой интерфейс, межсетевое взаимодействие и транспортные функции, которые соответствуют первым четырем уровням модели OSI . Три самых верхних уровня в модели OSI представлены в стеке протоколов Интернета единственным уровнем, называемым прикладным уровнем рис. 1.3.

Рис. 1.3.

ARP Address Resolution Protocol Протокол нахождения адреса
ATM Asynchronous Transfer Mode Режим асинхронной передачи
BGP Border Gateway Protocol Протокол пограничной маршрутизации
DNS Domain Name System Система доменных имен
Ethernet Ethernet Network Сеть Ethernet
FDDI Fiber Distributed Data Interface Волоконно-оптический распределенный интерфейс данных
HTTP Hyper Text Transfer Protocol Протокол передачи гипертекста
FTP File transfer Protocol Протокол передачи файлов
ICMP Internet Control Message Protocol Протокол управляющих сообщений
IGMP Internet Group Management Protocol Протокол управления группами (пользователей) в Интернете
IP Internet Protocol Межсетевой протокол
NFS Network File System Протокол сетевого доступа к файловым системам
OSPF Open Shortest Path First Открытый протокол предпочтения кратчайшего канала
PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Плезиохронная цифровая иерархия
PPP Point-to- Point Protocol Протокол связи "точка-точка"

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США (DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPANET с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС Unix. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров в Интернете, а также в огромном числе корпоративных сетей.

Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для Интернета, он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментироватъ пакеты. Действительно, большая составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая проще, чем другие протоколы аналогичного назначения включать в составную сеть сети разных технологий. Это свойство также способствует применению стека TCP/IP для построения больших гетерогенных сетей. В стеке TCP/IP очень экономно используются широковещательные рассылки. Это свойство совершенно необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Однако, как и всегда, за получаемые преимущества надо платить, и платой здесь оказываются высокие требования к ресурсам и сложность администрирования IP-сетей. Мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для своей реализации больших вычислительных затрат. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети разнообразных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п. Каждая из этих служб направлена на облегчение администрирования сети, но в то же время сама требует пристального внимания со стороны администраторов.

В стеке TCP/IP определены 4 уровня.

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет службы, предо­ставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования 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 Proocol, FTP), протокол эмуляции терминала (telnet), простой протокол передачи электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи Ипертекста (HyperText Transfer Protocol, HTTP} и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах.

Архитектура стека TCP/IP

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

□ гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);

□ доставку 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. Этот протокол позволяет объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байтов на фрагменты и передает их нижележащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти фрагменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байтов.

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

В функции протоколов транспортного уровня TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к ним прикладным уровнем и уровнем межсетевого взаимодействия. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством, а после выполнения рапортует ему об этом. Нижележащий уровень межсетевого взаимодействия 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 множества сетей. 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 до другого 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 шлюзах. Протокол IP - это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями.

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, занимающиеся изучением топологии сети, определением маршрутов и составлением таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены еще два протокола: протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику информации об ошибках, возникших при передаче пакета, и протокол групповой адресации (Internet Group Management Protocol, IGMP), использующийся для направления пакета сразу по нескольким адресам.

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

Нижние уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют большое количество функций доступа к среде передачи, формированию кадров и согласованию уровней электрических сигналов, кодированию и синхронизации и некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, Token Ring, PPP, HDLC и многих других.

У нижнего уровня стека TCP/IP задача существенно проще - он отвечает только за организацию взаимодействия с технологиями сетей, входящих в составную сеть. TCP/IP рассматривает любую сеть, входящую в составную сеть, как средство транспортировки пакетов до следующего на пути маршрутизатора.

Задачу обеспечения интерфейса между технологией TCP/IP и любой другой технологией промежуточной сети упрощенно можно свести:

    к определению способа упаковки (инкапсуляции) IP-пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;

    к определению способа преобразования сетевых адресов в адреса технологии данной промежуточной сети.

Такой подход делает составную сеть TCP/IP открытой для включения любой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Для каждой новой технологии должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. Следовательно, функции этого уровня нельзя определить раз и навсегда.

Уровень сетевых интерфейсов в стеке TCP/IP не регламентируется. Он поддерживает все популярные технологии; для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, для глобальных сетей - протоколы двухточечных соединений SLIP и РРР, технологии Х.25, Frame Relay, ATM.

Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующего документа RFC, 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).

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. 4.15).

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

Протокол TCP «нарезает» из потока данных сегменты.

Рис. 4.15. Названия PDU в TCP/IP

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 также называют дейтаграммой. Однако очень часто используется и другой термин - пакет.

В стеке TCP/IP принято называть кадрами, или фреймами, единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для последующей переноски их через сети составной сети. 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, так как все они выступают в качестве контейнера, в котором IP-пакет переносится через составную сеть.

Сетевой стек протокола и TCP хакинг

Alexander Antipov

Сетевой стек протоколов, формирующий конвейеризацию и передачу данных между хостами, разработан для наилучшего взаимодействия между различными сетевыми уровнями. В этой статье мы попытаемся описать перемещение данных через расположенные в стеке уровни и попробуем внедрить модуль ядра Linux, помогающий нам захватывать и отображать данные, проходящие через уровень TCP. Ниже представлена программа, показывающая как установить новый элемент в файловой системе proc. И что наиболее важно, эта программа взламывает TCP протокол, отслеживает все данные, проходящие через tcp уровень, и отображает их в /proc/TCPdata.


Шямитх, перевод Алексей Антипов

Сетевой стек протоколов, формирующий конвейеризацию и передачу данных между хостами, разработан для наилучшего взаимодействия между различными сетевыми уровнями. В этой статье мы попытаемся описать перемещение данных через расположенные в стеке уровни и попробуем внедрить модуль ядра Linux, помогающий нам захватывать и отображать данные, проходящие через уровень TCP. Так как обсуждение всех видов сетевых соединений выходит за рамки данной статьи, то мы остановимся на TCP/IP соединениях.

Сетевой стек протоколов

Сетевые устройства формируют базовый уровень стека протоколов. Для связи с другими устройствами и приема-передачи трафика они используют протокол канала передачи данных (обычно Ethernet). Интерфейс, организуемый драйверами сетевых устройств, копирует пакеты с физической среды, выполняя некоторые проверки ошибок, после чего помещает пакеты в сетевой уровень. Интерфейсы вывода принимают пакеты из сетевого уровня, выполняют некоторые проверки ошибок и пересылают их в физическую среду. Мы будем обсуждать IP (протокол Интернет) являющийся стандартным протоколом сетевого уровня. Главными функциями IP являются маршрутизация, проверка входящих пакетов, определяющая направлены ли эти пакеты на данный хост или они нуждаются в дальнейшей пересылке. При этом, в случае необходимости, пакеты дефрагментируются и доставляются на транспортные протоколы. Такие протоколы имеют динамическую базу данных маршрутов для исходящих пакетов, адресуют и фрагментируют их перед посылкой на уровень связи.

TCP и UDP являются наиболее часто используемыми протоколами транспортного уровня. UDP создает структуру для адресации пакетов в пределах хоста, в то время как TCP поддерживает более комплексные операции подключения типа восстановления потерянных пакетов и управления трафиком.

Продвигаясь по транспортному уровню, мы можем найти INET уровень, формирующий промежуточный уровень между транспортным уровнем и сокетами приложений. С помощью INET уровня поддерживаются принадлежащие приложениям сокеты. В этом уровне осуществлены все специфические операции сокетов.

BSD - абстрактная структура данных, содержащая INET сокеты. Запрос приложения на подключение, чтение или запись через сокет, преобразовывается в INET операции с помощью BSD.

Общая структура пакетов. Данные заключаются в общую структуру данных, называемую sk_buff. Все уровни используют эту структуру данных. Сразу после копирования данных из пространства пользователя в пространство ядра, они помещаются в sk_buff и перемещаются на различные уровни. В свою очередь уровень добавляют к этой структуре свои заголовки. Sk_buff содержит ссылки на всю информацию о пакете, его сокете, устройстве, маршруте, расположении данных и т.д.

Сетевые функции Linux

Для нормального сетевого программиста, интерфейсная часть сетевых служб доступна с помощью следующих подпрограмм библиотеки С.

socket(), bind(), listen(), connect(), accept(), send(), sendto(), recv(), recvfrom(), getsockopt(), and setsockopt().

Функция socket() используется для создания нового сокета. Все операции с различными протоколами происходят с помощью сокетов. Поскольку функция socket() возвращает значение дескриптора файла, то к нему могут обращаться стандартные операции работы с файлами типа read(), write().

Фунция bind() используется для связи созданного сокета с портом. Порт, наряду с IP адресом сетевого интерфейса, используется для уникальной идентификации сокета.

Функция listen() используется для программирования сервера. После создания сокета и связи его с портом функция listen() устанавливает сокет в состояние прослушивания. Это означает, что сокет ожидает подключения со стороны других хостов.

При вызове на сервере функции accept() происходит непрерывный опрос сокета происходящий до получения запроса на подключение от другого хоста. После установления соединения серверная программа пробуждается и дает процессу возможность обрабатывать запрос от чужого хоста. Со стороны клиента используется функция connect(), показывающая серверу, что клиент желает открыть подключение на сокете и послать запрос.

Необходимые структуры данных

Эта структура является основой для выполнения интерфейса BSD сокетов. Установка и инициализация этой структуры происходит при помощи системного вызова socket().

sk_buff:

Эта структура управляет индивидуальными пакетами соединений приходящими и отсылаемыми с хоста. При этом происходит буферизация ввода-вывода.

Эта структура управляет различными частями сокетов, зависящими от конкретной сети. Она необходима для TCP, UDP и RAW сокетов.

Эта структура содержит ряд операций, одинаковых для всех протоколов.

Sockaddr (sockaddr_in):

Такая структура необходима для поддержки различных форматов адресов.

Модули ядра Linux

Ядра Linux ядра состоят из модулей. Некоторые части ядра находятся в памяти постоянно (типа планировщика), а некоторые загружаются при необходимости. Например, файловая система VFAT для чтения дисков, загружается только при необходимости. Такая особенность linux ядра позволяет пространству ядра занимать немного места.

Таким образом, существенным является проектирование вашего протокола, драйверов и любых видов программного обеспечения ядра как модулей ядра и вставлять их в ядро из пространства пользователя. После вставки, модуль становиться неперемещаемым до его удаления из пространства ядра. Единственно вы должны быть привилегированным пользователем, чтобы вставлять или удалять модули. Это является общим форматом записи модуля ядра.

#define MODULE #include /* ... other required header files ... */ /* * ... module declarations and functions ... */ int init_module() { /* code kernel will call when installing module */ } void cleanup_module() { /* code kernel will call when removing module */}

Проект хакерского модуля для TCP протокола.

Наш модуль ядра является очень простым, он виртуально размещен между интерфейсом операций сокетов для пересылки TCP пакетов и TCP уровнем. Теперь все пакеты данных, проходящие через сокет, зарегистрированный с TCP протоколом, будут перехвачены нашим модулем ядра. Эти данные будут переданы в /proc/TCPdata.

Используемые структуры данных

tcp_prot -> Содержит указатели на все осуществленные TCP операции

struct msghdr -> Содержит данные, посылаемые приложением, а также другими полями для идентификации адреса сокета

Struct msg_iov -> находится в msghdr, в нем содержатся указатели на данные

Перед началом кодирования давайте поймем значение файловой системы /proc. Файловая система proc называется так, из-за того что она находиться в каталоге /proc на большинстве Linux машин. Система является мощным инструментом, часто используемым приложениями. Это часть механизма при помощи которого ядро связывается с пространством пользователя и наоборот. Хотя она разработана как файловая система со структурой каталогов и inodes, в тоже время это фактически компонент зарегистрированных функций, обеспечивающих информацией важные переменные.

При создании файла в /proc, он сразу регистрируется с набором функций, сообщающих ядру, что необходимо делать при открытии этого файла или записи в него. Большинство файлов поддерживают только чтение, и лишь некоторые поддерживают запись.

Теперь мы начнем кодирование

/* tcpdata.c. Ниже представлена программа, показывающая как установить новый элемент в файловой системе proc. И что наиболее важно, эта программа взламывает TCP протокол, отслеживает все данные, проходящие через tcp уровень, и отображает их в /proc/TCPdata. */ #define MODULE #define __KERNEL__ /*we are doing kernel work*/ #include #include #include /*for registering proc entry*/ #include #include #include #include #include #include #include static struct proc_dir_entry *test_entry; struct msghdr *msg_moniter; struct iovec *iovec_moniter; static char *tcp="Tcp monitered data"; int (*orginalSend)(struct sock *, struct msghdr *,int); /* show_tcp_stats This function is what the /proc FS will call when anything tries to read /proc/TCPstat you could see last 200 bytes move out of the sockets through tcp connections */ static int show_tcp_stats(char *buf,char **start,off_t offset,int len,int unused) { len += sprintf(buf+len,"%s\n",tcp); return len; } /* Это функция обработчика, захватывающая tcp sendmsg запросы */ int moniter_tcp(struct sock *sk, struct msghdr *msg,int len) { int size; char *temp; printk("I am dangerously monitoring your tcp data \n"); msg_moniter=(struct msghdr *)kmalloc(sizeof(struct msghdr),GFP_KERNEL); memcpy(msg_moniter,msg,sizeof(struct msghdr)); orginalSend(sk,msg,len); iovec_moniter=msg_moniter->msg_iov; size=sizeof(tcp); printk("sizeof of TCPdat is %d \n",size); (sizeiov_base):strcpy(tcp,"Tcp monitered data"); kfree(msg_moniter); return len; } /* init_module Данная функция устанавливает модуль; она просто регистрирует новый каталог в /proc и создает указатель. */ int init_module() { test_entry=create_proc_entry("TCPdata",S_IRUGO,NULL); test_entry->read_proc=show_tcp_stats; orginalSend=tcp_prot.sendmsg; /* printk("the address of send send mes is %x \n",tcp_prot.sendmsg); printk("the address of hack mes is %x \n",orginalSend); */ tcp_prot.sendmsg=moniter_tcp; /* printk("the address of send send mes after hacking %x \n",tcp_prot.sendmsg); printk("the address of send send mes after hacking %x \n",moniter_tcp); */ return 0; } /* init_module */ /* cleanup_module Данная функция удаляет модуль; Она удаляет регистрацию записи директории из /proc FS */ void cleanup_module() { /* put the pointer back to tcp"s orginal message sender */ tcp_prot.sendmsg=orginalSend; /* unregister the function from the proc FS */ remove_proc_entry("TCPdata",NULL); } /* cleanup_module */ MODULE_AUTHOR("shyamjithe.c.s "); /*macros*/ MODULE_DESCRIPTION("moniter tcp data"); MODULE_LICENSE("GPL");

Данная программа была протестирована на ядре 2.4, так что вы можете откомпилировать её используя:

Gcc -O6 -Wall -c tcpdata.c -I /usr/src/linux-2.4.20-8/include/ this will produce tcpdata.o now insmod tcpdata.o open some tcp applications cat /proc/TCPdata to remove the module use rmmod tcpdata Теперь для того, чтобы понять этот код, я дам некоторые пояснения. Вся программа - это только хитрый путь для использования функциональных указателей. Но необходимо быть внимательным при использовании ваших собственных обработчиков, потому что неправильное размещение функционального указателя может привести к зависанию системы. Как было сказано, это является минимальным путем для взлома TCP. Вы можете сформировать новый уровень над уровнем TCP подобно этому, который будет вмешиваться во все типы заданий, сделанных TCP. Тоже может быть проделано и с UDP.

Заключение

Наиболее важным выводом, получаемым их описанной выше программы, является то, что не всегда необходимо изменять исходный код ядра, когда мы проделываем любую связанную с протоколом модификацию. Это объектно-ориентированная реализация Linux ядра, позволяющая нам манипулировать объектами данных внутри ядра.