Основные протоколы транспортного уровня модели tcp ip. Пример переноса данных в IP-сети

В современном мире информация распространяется за считанные секунды. Вот только что появилась новость, а через секунду она уже доступна на каком-либо сайте в сети интернет. Интернет считается одной из самых полезных разработок человеческого разума. Чтобы пользоваться всеми благами, которые предоставляет интернет, необходимо подключиться к этой сети.

Мало кто знает, что простой процесс посещения веб-страничек подразумевает незаметную для пользователя, сложную систему действий. Каждый переход по ссылке активирует сотни различных вычислительных операций в сердце компьютера. В их числе передачи запросов, прием ответов и многое другое. За каждое действие в сети отвечают так называемые протоколы TCP/IP. Что они собой представляют?

Любой протокол интернета TCP/IP работает на своем уровне. Иными словами, каждый занимается своим делом. Все семейство TCP/IP протоколов одновременно выполняет колоссальную работу. А пользователь в это время видит только яркие картинки и длинные строки текста.

Понятие стека протоколов

Стек протоколов TCP/IP - это организованный набор основных сетевых протоколов, который иерархическим способом разделен на четыре уровня и представляет собой систему транспортного распределения пакетов по компьютерной сети.

TCP/IP - это наиболее известный стек сетевых протоколов, который используется на данный момент. Принципы стека TCP/IP применяются как в локальных, так и в глобальных сетях.

Принципы использования адресов в стеке протоколов

Стек сетевых протоколов TCP/IP описывает пути и направления отправки пакетов. Это основная задача всего стека, выполняющаяся на четырех уровнях, которые взаимодействуют между собой протоколированным алгоритмом. Для правильной отправки пакета и его доставки ровно в ту точку, которая его запросила, была введена и стандартизирована адресация IP. Этому послужило наличие следующих задач:

• Адреса различного типа, должны быть согласованы. Например преобразование домена сайта в IP адрес сервера и обратно, или преобразование имени узла в адрес и обратно. Таки образом становится возможен доступ к точке не только с помощью IP адреса, но и по интуитивному названию.
• Адреса должны быть уникальны. Это вызвано тем, что в некоторых частных случаях пакет должен попасть только в одну конкретную точку.
• Необходимость конфигурирования локальных вычислительных сетей.

В малых сетях, где используется несколько десятков узлов, все эти задачи выполняются элементарно, с помощью простейших решений: составление таблицы с описанием принадлежности машины и соответствующего ей IP адреса, или можно вручную раздать всем сетевым адаптерам IP адреса. Однако для крупных сетей на тысячу или две тысячи машин задача ручной выдачи адресов не кажется такой выполнимой.

Именно поэтому для сетей TCP/IP был изобретен специальный подход, который и стал отличительной чертой стека протоколов. Было введено понятие - масштабируемость.

Уровни стека протоколов TCP/IP

Здесь существует определенная иерархия. Стек протоколов TCP/IP предусматривает четыре уровня, каждый из которых обрабатывает свой набор протоколов:

Прикладной уровень : создан для обеспечения работы пользователя с сетью На этом уровне обрабатывается все то, что видит и делает пользователь. Уровень позволяет пользователю получить доступ к различным сетевым службам, например: доступ к базам данных, возможность прочитать список файлов и открыть их, отправить электронное сообщение или открыть веб-страницу. Вместе с пользовательскими данными и действиям, на этом уровне передается служебная информация.

Транспортный уровень: это механизм передачи пакетов в чистом виде. На этом уровне совершенно не имеет значения ни содержимое пакета, ни его принадлежность к какому бы то ни было действию. На этом уровне имеет значение только адрес узла отправки пакета и адрес узла, на который пакет должен быть доставлен. Как правило, размер фрагментов, передаваемых с использованием разных протоколов, может изменяться, потому на этом уровне блоки информации могут дробиться на выходе и собираться в единое целое в точке назначения. Этим обусловлена возможная потеря данных, если в момент передачи очередного фрагмента произойдет кратковременный разрыв соединения.

Транспортный уровень включает в себя много протоколов, которые делятся на классы, от простейших, которые просто передают данные, до сложных, которые оснащены функционалом подтверждения приема, или повторного запроса недополученного блока данных.

Данный уровень, предоставляет вышестоящему (прикладному) два типа сервиса:

• Осуществляет гарантированную доставку, с помощью протокола ТСР.
  
• Осуществляет доставку по возможности по протоколу UDP.

Чтобы обеспечить гарантированную доставку, согласно протоколу TCP устанавливается соединение, которое позволяет выставлять на пакетах нумерацию на выходе и подтверждать их прием на входе. Нумерация пакетов и подтверждение приема - это так называемая служебная информация. Этот протокол поддерживает передачу в режиме "Дуплекс". Кроме того, благодаря продуманному регламенту протокола, он считается очень надежным.

Протокол UDP предназначен для моментов, когда невозможно настроить передачу по протоколу TCP, либо приходится экономить на сегменте сетевой передачи данных. Также протокол UDP может взаимодействовать с протоколами более высокого уровня, для повышения надежности передачи пакетов.

Сетевой уровень или "уровень интернета": базовый уровень для всей модели TCP/IP. Основной функционал этого уровня идентичен одноименному уровню модели OSI и описывает перемещение пакетов в составной сети, состоящей из нескольких, более мелких подсетей. Он связывает соседние уровни протокола TCP/IP.

Сетевой уровень является связующим между вышестоящим транспортным уровнем и нижестоящим уровнем сетевых интерфейсов. Сетевой уровень использует протоколы, которые получают запрос от транспортного уровня, и посредством регламентированной адресации передают обработанный запрос на протокол сетевых интерфейсов, указывая, по какому адресу направить данные.

На этом уровне используются следующие сетевые протоколы TCP/IP: ICMP, IP, RIP, OSPF. Основным, и наиболее популярным на сетевом уровне, конечно же является протокол IP (Internet Protocol). Основной его задачей является передача пакетов от одного роутера к другому до тех пор, пока единица данных не попадет на сетевой интерфейс узла назначения. Протокол IP разворачивается не только на хостах, но и на сетевом оборудовании: маршрутизаторах и управляемых коммутаторах. Протокол IP работает по принципу негарантированной доставки с максимальными усилиями. Т. е., для отправки пакета нет необходимости заранее устанавливать соединение. Такой вариант приводит к экономии трафика и времени на движении лишних служебных пакетов. Пакет направляется в сторону назначения, и вполне возможно, что узел останется недоступным. В таком случае возвращается сообщение об ошибке.

Уровень сетевых интерфейсов: отвечает за то, чтобы подсети с разными технологиями могли взаимодействовать друг с другом и передавать информацию в том же режиме. Реализовано это двумя простыми шагами:

• Кодирование пакета в единицу данных промежуточной сети.
• Преобразование информации о месте назначения в стандарты необходимой подсети и отправка единицы данных.

Этот подход позволяет постоянно расширять количество поддерживаемых технологий построения сетей. Как только появляется новая технология, она сразу попадает в стек проколов TCP/IP и позволяет сетям со старыми технологиями передавать данные в сети, построенные с применением более современных стандартов и способов.

Единицы передаваемых данных

За время существования такого явления, как протоколы TCP/IP, установились стандартные термины по части единиц передаваемых данных. Данные при передаче могут дробиться по-разному, в зависимости от технологий, используемых сетью назначения.

Чтобы иметь представление о том, что и в какой момент времени происходит с данными, нужно было придумать следующую терминологию:

• Поток данных - данные, которые поступают на транспортный уровень от протоколов вышестоящего прикладного уровня.
• Сегмент - фрагмент данных, на которые дробится поток по стандартам протокола TCP.
• Датаграмма (особо безграмотные произносят как "Дейтаграмма") - единицы данных, которые получаются путем дробления потока с помощью протоколов, работающих без установления соединения (UDP).
• Пакет - единица данных, производимая посредством протокола IP.
• Протоколы TCP/IP упаковывают IP-пакеты в передаваемые по составным сетям блоки данных, которые называются кадрами или фреймами .

Типы адресов стека протоколов TCP/IP

Любой протокол передачи данных TCP/IP для идентификации узлов использует один из следующих типов адресов:

• Локальные (аппаратные) адреса.
• Сетевые адреса (IP адреса).
• Доменные имена.

Локальные адреса (MAC-адреса) - используются в большинстве технологий локальных вычислительных сетей, для идентификации сетевых интерфейсов. Под словом локальный, говоря о TCP/IP, следует понимать интерфейс, который действует не в составной сети, а в пределах отдельно взятой подсети. Например, подсеть интерфейса, подключенного к интернет - будет локальной, а сеть интернет - составной. Локальная сеть может быть построена на любой технологии, и независимо от этого, с точки зрения составной сети машина, находящаяся в отдельно выделенной подсети, будет называться локальной. Таким образом, когда пакет попадает в локальную сеть, дальше его IP адрес ассоциируется с локальным адресом, и пакет направляется уже на MAC-адрес сетевого интерфейса.

Сетевые адреса (IP-адреса). В технологии TCP/IP предусмотрена собственная глобальная адресация узлов, для решения простой задачи - объединения сетей с разной технологией в одну большую структуру передачи данных. IP-адресация совершенно не зависит от технологии, которая используется в локальной сети, однако IP адрес позволяет сетевому интерфейсу представлять машину в составной сети.

В итоге была разработана система, при которой узлам назначается IP адрес и маска подсети. Маска подсети показывает, какое количество бит отводится под номер сети, а какое количество под номер узла. IP адрес состоит из 32 бит, разделенных на блоки по 8 бит.

При передаче пакета ему назначается информация о номере сети и номере узла, в который пакет должен быть направлен. Сначала маршрутизатор направляет пакет в нужную подсеть, а потом выбирается узел, который его ждет. Этот процесс осуществляется протоколом разрешения адресов (ARP).

Доменные адреса в сетях TCP/IP управляются специально разработанной системой доменных имен (DNS). Для этого существуют серверы, которые сопоставляют доменное имя, представленное в виде строки текста, с IP адресом, и отправляет пакет уже в соответствии с глобальной адресацией. Между именем компьютера и IP адресом не предусмотрено соответствий, поэтому, чтобы преобразовать доменное имя в IP адрес, передающему устройству необходимо обратиться к таблице маршрутизации, которая создается на DNS сервере. Например, мы пишем в браузере адрес сайта, DNS сервер сопоставляет его с IP адресом сервера, на котором сайт расположен, и браузер считывает информацию, получая ответ.

Кроме сети интернет, есть возможность выдавать компьютерам доменные имена. Таким образом, упрощается процесс работы в локальной сети. Пропадает необходимость запоминать все IP-адреса. Вместо них можно придумать каждому компьютеру любое имя и использовать его.

IP-адрес. Формат. Составляющие. Маска подсети

IP адрес - 32-битное число, которое в традиционном представлении записывается в виде чисел, от 1 до 255, разделенных между собой точками.

Вид IP адреса в различных форматах записи:

• Десятичный вид IP адреса: 192.168.0.10.
• Двоичный вид того же IP адреса: 11000000.10101000.00000000.00001010.
• Запись адреса в шестнадцатеричной системе счисления: C0.A8.00.0A.

Между ID сети и номером точки в записи нет разделительного знака, но компьютер способен их разделять. Для этого существует три способа:

1. Фиксированная граница. При этом способе весь адрес условно делится на две части фиксированной длины побайтно. Таким образом, если под номер сети отдать один байт, тогда мы получим 2 8 сетей по 2 24 узлов. Если границу сдвинуть еще на байт вправо, тогда сетей станет больше - 2 16 , а узлов станет меньше - 2 16 . На сегодняшний день подход считается устаревшим и не используется.
2. Маска подсети. Маска идет в паре с IP адресом. Маска имеет последовательность значений "1" в тех разрядах, которые отведены под номер сети, и определенное количество нулей в тех местах IP адреса, которые отведены на номер узла. Граница между единицами и нулями в маске - это граница между идентификатором сети и ID узла в IP-адресе.
3. Метод классов адресов. Компромиссный метод. При его использовании размеры сетей не могут быть выбраны пользователем, однако есть пять классов - А, В, С, D, Е. Три класса - А, В и С - предназначены для различных сетей, а D и Е - зарезервированы для сетей специального назначения. В классовой системе каждый класс имеет свою границу номера сети и ID узла.

Классы IP адресов

К классу А относятся сети, в которых сеть идентифицируется по первому байту, а три оставшихся являются номером узла. Все IP адреса, которые имеют в своем диапазоне значение первого байта от 1 до 126 - это сети класса А. Количественно сетей класса А получается совсем мало, зато в каждой из них может быть до 2 24 точек.

Класс В - сети, в которых два высших бита равны 10. В них под номер сети и идентификатор точки отводится по 16 бит. В результате получается, что количество сетей класса В в большую сторону отличается от количества сетей класса А количественно, но они имеют меньшее количество узлов - до 65 536 (2 16) шт.

В сетях класса С - совсем мало узлов - 2 8 в каждой, но количество сетей огромно, благодаря тому, что идентификатор сети в таких структурах занимает целых три байта.

Сети класса D - уже относятся к особым сетям. Он начинается с последовательности 1110 и называется групповым адресом (Multicast adress). Интерфейсы, имеющие адреса класса А, В и С, могут входить в группу и получать вдобавок к индивидуальному еще и групповой адрес.

Адреса класса Е - в резерве на будущее. Такие адреса начинаются с последовательности 11110. Скорее всего, эти адреса будут применяться в качестве групповых, когда наступит нехватка IP адресов в глобальной сети.

Настройка протокола TCP/IP

Настройка протокола TCP/IP доступна на всех операционных системах. Это - Linux, CentOS, Mac OS X, Free BSD, Windows 7. Протокол TCP/IP требует только наличия сетевого адаптера. Разумеется, серверные операционные системы способны на большее. Очень широко, с помощью серверных служб, настраивается протокол TCP/IP. IP адреса в в обычных настольных компьютерах задаются в настройках сетевых подключений. Там настраивается сетевой адрес, шлюз - IP адрес точки, имеющий выход в глобальную сеть, и адреса точек, на которых располагается DNS сервер.

Протокол интернета TCP/IP может настраиваться в ручном режиме. Хотя не всегда в этом есть необходимость. Можно получать параметры протокола TCP/IP с динамически-раздающего адреса сервера в автоматическом режиме. Такой способ используют в больших корпоративных сетях. На DHCP сервер можно сопоставить локальный адрес к сетевому, и как только в сети появится машина с заданным IP адресом, сервер сразу даст ему заранее подготовленный IP адрес. Этот процесс называется резервирование.

TCP/IP Протокол разрешения адресов

Единственный способ установить связь между MAC-адресом и IP адресом - ведение таблицы. При наличии таблицы маршрутизации каждый сетевой интерфейс осведомлен о своих адресах (локальном и сетевом), однако встает вопрос, как правильно организовать обмен пакетами между узлами, применяя протокол TCP/IP 4.

Для чего был придуман протокол разрешения адресов (ARP)? Для того, чтобы связывать семейство TCP/IP протоколов и других систем адресации. На каждом узле создается таблица соответствия ARP, которая заполняется путем опроса всей сети. Происходит это после каждого выключения компьютера.

ARP таблица

Так выглядит пример составленной ARP таблицы.

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.

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:49, 28 января 2017.

NUMBEREDHEADINGS__

Стек протоколов ТСР/IP

IP-сеть

IP-сеть (какой является Интернет) отличается от глобальных сетей тем, что является составной сетью из подсетей, число которых измеряется тысячами. Для Интернета характерно использование стека протоколов не эталонной модели OSI, а эталонной модели TCP/IP . На рис. 1 представлен стек протоколов TCP/IP и его соответствие уровням модели OSI. Отличительной особенностью TCP/IP является также то, что IP-пакеты могут передаваться с использованием различных технологий составных сетей, в том числе посредством уже рассмотренных глобальных сетей Х.25, FR и ATM, которые являются самостоятельными со своими протоколами, адресацией и др. Другой особенностью является то, что эталонная модель TCP/IP в отличие от эталонной модели OSI была разработана под конкретную составную сеть (интерсеть или internet). Подсети, составляющую эту составную сеть, соединяются между собой маршрутизаторами. Такими подсетями могут быть как локальные, так и глобальные сети различных технологий.

Прикладной уровень стека TCP/IP (уровень 4) соответствует трём верхним уровням модели OSI. К протоколам прикладного уровня относятся протокол переноса файлов (FTP); протокол электронной почты (SMTP); протокол, используемый для создания страниц во всемирной паутине WWW (HTTP) - основа для доступа к связанным между собой документам; протокол преобразования (DNS) текстовых имен в сетевые IP-адреса, простой протокол сетевого управления (SNMP), протоколы соответственно сигнализации и передачи данных (SIP, RTP/RTCP) в IP-телефонии или речь поверх IP (VoIP-Voice over IP) и др. К протоколам прикладного уровня относятся также протоколы информационной безопасности Kerberos, PGP, SET и др.

Рис. 1. Стек протоколов TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP (уровень 3) обеспечивает передачу данных между прикладными процессами. Транспортный уровень включает два протокола TCP и UDP. Протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) является надёжным протоколом с установлением соединения, позволяющим управлять потоком, т.е. без ошибок доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину составной сети. Для того чтобы обеспечить надёжную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения. Это позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню в том порядке, в котором они были отправлены. Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются в виде множества очередей к точкам входа прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие очереди, однозначно определяющие приложение в пределах хоста, называется портами. За портами каждого стандартного приложения определён номер например, порт TCP № 21 - за протоколом передачи файла FTP (File Transport Protocol). Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного узла имеет название сокет (socket). Каждое логическое соединение идентифицируется парой сокетов взаимодействующих процессов. Второй протокол транспортного уровня -протокол пользователей дейтаграмм UDP (User Data Protocol) является простейшим дейтаграммным протоколом (т.е. без установления соединения). К протоколу транспортного уровня относится протокол информационной безопасности SSL/TLS. Протоколы прикладного и транспортного уровней стека уровней TCP/IP устанавливаются на оконечных станциях (хостах) сети.

Межсетевой уровень стека TCP/IP

Межсетевой уровень стека TCP/IP (уровень 2) , называемый также сетевым уровнем (по модели OSI), является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перенос пакетов данных в пределах всей составной сети. Протоколы межсетевого уровня поддерживают интерфейсы с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети. Основным протоколом межсетевого уровня является межсетевой протокол IP (Internet Protocol). Он обеспечивает продвижение пакета между подсетями - от одного пограничного маршрутизатора до другого, до тех пор, пока пакет не попадёт в сеть назначения. Протокол IP так же, как и протоколы функций коммутации глобальных сетей связи (FR, ATM и др.), устанавливается не только на оконечных пунктах (хостах), но и на всех маршрутизаторах сети. Маршрутизатор представляет собой процессор, который связывает между собой две сети (подсети). Протокол межсетевого уровня работает в режиме без установления соединения (дейтаграммный режим), в соответствии с которым он не отвечает за доставку пакета до узла назначения. При потере пакета в сети протокол IP не пытается восстановить его.

В заголовке IP-пакета содержится IP-адрес отправителя и получателя - по 4 байта каждый. К межсетевому уровню относятся также протоколы, выполняющие функции составления и коррекции таблиц маршрутизации RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). К протоколу сетевого уровня относится протокол информационной безопасности IPSec. Уровень сетевого доступа стека TCP/IP (уровень 1) отвечает за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей составной сети. Перемещение пакета можно рассматривать как последовательность «прыжков» от одного маршрутизатора к другому. На очередном маршрутизаторе на сетевом уровне определяется сетевой адрес следующего по маршруту маршрутизатора. Чтобы передать пакет IP этому маршрутизатору, надо перенести его через некоторую подсеть. Для этого необходимо использовать транспортные средства этой подсети. Задача уровня сетевого доступа сводится к инкапсуляции (вложению) пакета в блок данных этой промежуточной сети и в преобразовании сетевых адресов граничных маршрутизаторов этой подсети в новый тип адреса, принятой в технологии промежуточной сети.

Пример переноса данных в IP-сети

На примере IP-сети (рис. 2) покажем перенос данных оконечной станции А локальной вычислительной сети (подсети) Ethernet в оконечную станцию В сети (подсети) АТМ. Как видно из рисунка в эту составную сеть еще входит сеть (подсеть) Frame Relay. В основу приведенного упрощенного описания положен пример межсетевого взаимодействия сетей Ethernet и АТМ, приведенный в работе . Дополнительно в эту составную сеть введена сеть (подсеть) Frame Relay. Принцип маршрутизации и краткое описание протоколов маршрутизации в сети Интернет приведены в следующей главе. Для того, чтобы технология TCP/IP могла решать задачу объединения сетей, ей необходима собственная глобальная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях. Таким адресом является IP-адрес, состоящий из адреса подсети (префикса) и адреса оконечного устройства (хоста). Приведем пример адресации подсети и хоста. IP-адрес 200.15.45.126/25 означает, что 25 старших бит из выделенных 4-х байт под адресацию являются адресом подсети, а оставшиеся 7 бит означают адрес хоста в этой сети.

Как видно из предыдущих глав, глобальные сети Frame Relay и АТМ имеют различные системы нумерации, которые отличаются от системы нумерации локальной вычислительной сети (ЛВС) технологии Ethernet. Каждый компьютер Ethernet имеет уникальный физический адрес, состоящий из 48 бит. Этот адрес называется МАС-адресом и относится к канальному уровню - управлению доступом к среде MAC (Media Access Control). Для организации межсетевого взаимодействия подсетей различной технологии и адресации используются маршрутизаторы, включающие IP-пакеты. В состав этих пакетов входят глобальные IP-адреса. Каждый интерфейс маршрутизатора IP-сети и оконечного устройства включает два адреса – локальный адрес оконечного устройства подсети и IP-адрес.

Рис. 2. Пример взаимодействия двух устройств

Рассмотрим продвижение IP-пакета в сети (рис. 2).

Протоколы TCP/IP

Ниже приводится краткое описание протокола прикладного уровня SNMP и протокола транспортного уровня TCP архитектуры TCP/IP.

Протокол прикладного уровня SNMP

Большие сети не могут быть настроены и управляться вручную в плане изменения конфигурации сети, устранения неисправности в сети, сбора параметров о качестве обслуживания. Если в сети используется оборудование разных производителей, необходимость таких средств становится особенно необходимой. В связи с этим были разработаны стандарты сетевого управления. Одним из наиболее широко используемых является простой протокол управления сетью SNMP (Simple Network Management Protocol) . Приведем краткие сведения об архитектуре сетевого управления. Система сетевого управления включает инструментальные средства для решения задач управления. При этом необходимо использование уже имеющегося оборудования путем внедрения в него дополнительных аппаратных и программных средств для управления сетью. Это программное обеспечение размещается в хостах, коммуникационных процессорах и других устройствах сети. Модель сетевого управления, используемая для SNMP состоит из следующих элементов:

• станция управления, выполняющая роль интерфейса между сетевым администратором и системой сетевого управления. Станция управления позволяет осуществить мониторинг сети и управление сетью. В этой станции имеется база данных с информацией, полученной из информационных баз всех управляемых объектов сети;
• агент управления (хосты, коммутаторы и др.), которые отвечают на запросы от станции управления. Агент обеспечивает информацией станцию и без запроса;
• агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств.

Станция управления и агенты взаимодействуют по протоколу SNMP. Так как управление сетью задача многоцелевая, приведем некоторые возможности использования протокола SNMP в сети Frame Relay . Агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств. Форум Frame Relay стандартизировал MIB для устройств Frame Relay. В большинстве служб Frame Relay провайдер собирает информации от агентов SNMP в каждом коммутаторе FR и записывает ее в центральную базу MIB для общего пользования. Тем самым пользователю предоставляется единый источник статистической информации обо всех соединениях виртуальных каналов сети. Это дает возможность отследить свои потоки данных в сети провайдера от коммутатора к коммутатору. Можно использовать SNMP для сбора статистики и аварийных сообщений от собственного оборудования, подключенного к сети FR. Для этого приходится работать с множеством MIB. Для сбора данных на основе SNMP можно использовать виртуальный канал FR.

SNMP может управлять конфигурацией сети. Для сети FR это касается как физической, так и логической конфигурации сети, включая установление адресации, определение DLCI, назначение полосы пропускания для PVC. SNMP может управлять устранением неисправностей в сети при получении системой управления аварийных сообщений от агента сетевого устройства.

В документе RFC 2574 определяется модель USM (User Security Model – модель защиты пользователя) при использовании протокола SNMP. USM разрабатывалась с целью защиты от угроз следующих типов.

1. Модификация информации. По пути следования сообщения, сгенерированного авторизованным объектом, некоторый другой объект может изменить это сообщение, чтобы выполнить несанкционированные операции управления (например, установив соответствующие значения объекта управления). Суть угрозы заключается в том, что несанкционированный объект может изменить любые параметры управления, включая параметры конфигурации, выполняемых действий и контроля.
2. Имитация. Объект может пытаться выполнить не разрешенные для него операции управления, отождествляя данный объект с некоторым авторизованным объектом.
3. Модификация потока сообщений. Протокол SNMP предназначен для работы над транспортным протоколом, не предполагающим установку соединений. Существует угроза переупорядочения, задержки или воспроизведения (дублирования) сообщений SNMP для несанкционированного управления. Например, можно скопировать и впоследствии воспроизвести сообщение, вызывающее перезапуск устройства.
4. Разглашение информации. Наблюдая за потоком обмена данными между администратором и агентом, объект может выяснить значения управляемых объектов и распознать подлежащие регистрации события. Например, наблюдение за набором команд, изменяющих пароли, может позволить атакующему узнать новые пароли.

Протокол транспортного уровня TCP

Протокол транспортного уровня TCP выполняет функцию управления потоками между оконечными пунктами, так как уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм. Дейтаграммы с уровня IP могут прибывать в неправильном порядке. Восстанавливает сообщения из таких дейтаграмм протокол TCP, обеспечивая этим надежный режим установленного соединения с низкой вероятностью потери пакета. Механизм управления потоками, используемый ТСP, отличается от механизма восстановления правильной последовательности кадров в Х.25 и называется схемой кредитов. В этой схеме считается, что каждый передаваемый байт данных имеет порядковый номер. Границы между сообщениями не сохраняются. Например, если отправляющий прикладной процесс записывает в ТСP-поток четыре 512-байтовые порции данных, эти данные могут быть доставлены получающему процессу в виде четырех 512-байтовых порций, либо двух 1024-байтовых порций, либо одной 2048-байтовой порции. Каждая протокольная единица PDU TCP называется сегментом TCP и включает в заголовок сегмента порт источника данных и порт получателя. Значения портов идентифицируют соответствующих пользователей (приложения) двух объектов TCP.

Логическая связь относится именно к данной паре значения портов. В процессе связи каждый объект отслеживает сегменты TCP, получаемые от другой стороны или отправленные другой стороне, для того, чтобы регулировать поток сегментов и восстанавливать утерянные или поврежденные сегменты. Стандартный номер порта однозначно идентифицирует тип приложения, однако он не может однозначно идентифицировать прикладной процесс этого приложения. Одно приложение может одновременно осуществлять несколько процессов. Поэтому прикладной процесс однозначно определяется в пределах сети и в пределах отдельного компьютера парой (IP-адрес, номер порта) и называется сокетом (socket). Логическое TCP-соединение однозначно идентифицируется парой сокетов, определенных для этого соединения двумя взаимодействующими сокетами.

При работе на хост-отправителе протокол TCP рассматривает информацию, поступающую к нему от уровня приложений, как неструктурированный поток байтов. Эти данные буферируются средствами TCP. На уровень IP из буфера «вырезаются» сегменты, к которым добавляются заголовки. В состав заголовка входят сегменты SYN и ACK, служащие для установления TCP-соединения.

Для передачи сегмента данных имеются три поля, связанные с управлением потоком (восстановлением целостности принятого сообщения): порядковый номер (SN), номер подтверждения (AN) и окно (W) .Когда транспортный объект отправляет сегмент, он помещает в поле данных сегмента порядковый номер первого байта. Принимающий объект подтверждает получение сегмента с помощью обратного сегмента, в котором (АN=i, W=j), что означает:

• все байты до SN=i-1 подтверждены. Следующий ожидаемый байт имеет номер АN=i.
• разрешается отправить дополнительное окно из W=j байт данных, т.е. байты от I до i+j-1.

Таким образом, протокол TCP обеспечивает надежную доставку сообщений, поступающих из сети от ненадежного дейтаграммного протокола на межсетевом уровне. В сети Х.25 функцию надежной доставки выполняет канальный уровень модели OSI, который был подробно рассмотрен в предыдущих главах, а в сети Frame Relay эту функцию выполняет протокол ITU-T Q.921.

TCP/IP представлено целым семейством протоколов, среди которых находятся протоколы UDP и TCP. В этом разделе описывается стек протоколов TCP/IP, а также протоколы UDP и TCP.

Протокол TCP обеспечивает прозрачный обмен данными между конечными системами, используя нижележащие службы сетевого уровня (Network layer) для перемещения пакетов между двумя системами, между которыми установлена связь. TCP является примером протокола транспортного уровня (Transport layer). IP — протоколом сетевого уровня.

Так же как и в эталонной модели OSI (см. рисунок), TCP/IP разбивает по группам все протоколы, работающие в сети, в соответствии с теми задачами, что они выполняют, и относит их к соответствующему уровню. Каждый уровень относится к различным аспектам передачи данных. Идеологически удобно представить TCP/IP как стек протоколов.

Стек протоколов организован таким образом, что верхние коммуникационные уровни располагаются на вершине модели. Например, верхний уровень может работать с приложениями для потокового аудио или видео, в то время как нижний уровень имеет дело с напряжениями или радиосигналами. Каждый уровень в стеке опирается на службы, которые обеспечиваются уровнем лежащим ниже рассматриваемого.

Функции UDP

Протокол UDP является расширением раннего набора IP протоколов.

Первоначальный набор IP протоколов состоял только из TCP и IP, хотя протокол IP в то время не выделялся в качестве отдельной службы. В тоже время некоторые приложения конечных пользователей нуждались больше в своевременности выполнения, чем в точности. Иначе говоря, скорость была более важна, чем восстановление потерянных пакетов. При передаче голоса или видео в реальном масштабе времени небольшая потеря пакетов вполне терпима. Восстановление же пакетов создаёт избыточный трафик, который снижает производительность.

Для соответствия нуждам трафика такого типа, создатели TCP/IP добавили протокол UDP к стеку протоколов. В качестве основной службы адресации и пересылки пакетов на сетевом уровне выступал протокол IP. Протоколы TCP и UDP располагаются над IP и оба используют сервисы протокола IP.

UDP предлагает только минимальные, негарантированные транспортные сервисы и предоставляет приложениям прямой доступ к уровню IP. UDP используется приложениями, которые не требуют уровня обслуживания TCP или используют такие коммуникационные сервисы, как многоадресная или широковещательная рассылка, недоступные для протокола TCP.

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.