Глава 10 протоколы интернет
Все реки текут в море, но море не переполняется: к тому месту, откуда реки текут, они возвращаются, чтобы опять течь, Екклесиаст (гл. 1, ст.4-11)
10.1. Протоколы tcp/ip и модель osi
В истории античных времен названы семь чудес света: египетские пирамиды, храм Артемиды в Эфесе, Мавзолей в Галикариасе, статуя Зевса в Олимпе, Колосс Родосский, висячие сады Семирамиды в Вавилоне и Александрийский маяк. Для истории XX века в семерку чудес света наряду с телефоном, радио, компьютером, вероятно, должна войти и всемирная сеть Интернет, базирующаяся на наборе протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
Протоколы TCP/IP были разработаны почти три десятилетия назад по заказу Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (ARPA) и внедрены в государственной сети Defense Data Network (DDN), включающей в себя сети ARPANET и MILNET. Первоначальная цель была связана с построением отказоустойчивой коммуникационной сети, которая могла бы функционировать даже при выходе из строя ее большей части, например, из-за ядерных бомбардировок. Широкое распространение TCP/IP получили в 1982 году, когда средства их поддержки были включены в ядро операционной системы UNIX 4.2BSD. Это объединение TCP/IP с ОС UNIX сделало протоколы TCP/IP доступными для всех UNIX-сетей. В том же году произошло еще одно важное событие в истории TCP/IP - в упомянутый комплект был включен протокол разрешения адреса ARP (Address Resolution Protocol), который ставит Ethernet-адреса в соответствие межсетевым TCP/IP-адресам. Затем протоколы TCP/IP были реализованы на рабочих станциях семейства Sun в сетевых файловых системах NFS (Network File System) для обеспечения межсетевых коммуникаций. Сейчас практически невозможно найти аппаратуру или операционную систему, где в той или иной форме не применялся бы протокол TCP/IP. Но самое главное для набора протоколов TCP/IP сегодня - обслуживание Сети сетей - Интернет.
В предыдущей, да и во многих других главах этой книги автор пропагандировал комплект протоколов OSI в качестве стандарта в области построения телекоммуникационных сетей. Происходящая буквально на глазах конвергенция сетей связи и компьютерных сетей позволяет предположить дальнейшую экспансию этой модели в область протоколов компьютерных сетей, но сегодня, тем не менее, стандартом де-факто для последних является набор протоколов TCP/IP.
Как видно из рис. 10.1, протоколы TCP и IP приблизительно соответствуют транспортному и сетевому уровням модели OSI, в связи с чем область применения TCP/IP не ограничена какими либо конкретными аппаратными платформами. Они могут работать также над рассмотренным в предыдущей главе протоколом передачи данных в сетях с коммутацией пакетов Х.25, который охватывает три нижних уровня модели OSI.
Различие между подходом модели OSI и прагматическим подходом семейства протоколов TCP/IP связано, в частности, с количеством уровней: пятиуровневая модель TCP/IP и семиуровневая модель OSI.
В предыдущей главе обсуждались реализованные в OSI принципы, ориентированные на максимальную общность и функциональность, что вносит, естественно, некоторую избыточность. Так, например, протокол Х.25 дублирует ряд функций на каждом уровне, чтобы обеспечить максимальную независимость уровней друг от друга. Подсчитываются контрольные суммы и устанавливается таймер на ожидание событий и на уровне звена, и на сетевом уровне, что повышает надежность, однако увеличивает стоимость реализации и снижает эффективность протокола в целом.
Подобная избыточность проявляется также в введении двух следующих уровней семиуровневой модели OSI: сеансового уровня и уровня представления данных. Наличие сеансового уровня можно считать целесообразным для телекоммуникационных протоколов, в которых необходимы процедуры установления сеанса (LOGIN) и завершения этого сеанса. Эти процедуры должны выполняться многократно, например, при организации доступа пользователей к общесетевым ресурсам. Но для целого ряда приложений функциональная полезность сеансового уровня вызывает сомнения. Не выглядит абсолютно необходимым и выделение в отдельный уровень телекоммуникационного протокола функций представления данных. Сжатие, конвертирование, кодирование, форматирование и распознавание структур данных выполняются не только на этом уровне, эти же самые операции выполняются на других уровнях - звена данных и прикладном.
Высказанные критические замечания к архитектуре OSI можно уравновесить не менее критическими оценками протоколов TCP/IP, причем не только ради справедливости, но и для технического анализа. Эта критика отчасти связана с различным функциональным наполнением одноименных уровней в протоколах TCP/IP и в модели OSI, что показано на рис. 10.1. Так, рассматриваемая ниже система пересылки файлов FTP представляется гораздо более тривиальной, чем протокол FTAM, а электронная почта TCP/IP, по мнению автора, выглядит несколько ограниченной на фоне почтового сервиса протокола Х.400, соответствующего модели OSI. Действительно, тезис о том, что наши недостатки являются продолжением наших достоинств, справедлив не только для человеческих характеров.
Особенности обеих архитектур обуславливают актуальность проблемы их совместного функционирования при обеспечении электронного обмена данными и реализации сложных функций управления телекоммуникационными сетями. Одним из решений проблемы согласования TCP/IP и OSI является метод шлюзов. Не слишком высокое быстродействие этого метода делает его недостаточно эффективным для сетевых приложений, работающих в реальном времени, но для электронной почты или для пересылки небольших файлов его возможностей вполне достаточно. Доказательством тому служит, в частности, наличие на рынке шлюзов прикладного уровня FTAM - FTP и Х.400 - SMTP. Известны также весьма простой метод двух протокольного стека и метод, предусматривающий использование моста транспортного сервиса (transport-service bridge). Такой мост, работая как маршрутизатор, позволяет выполнять прикладные программы OSI в TCP/IP-сетях. Он осуществляет маршрутизацию блоков данных протоколов OSI, упаковывая их так, чтобы они эмулировали TCP/IP.
Несколько слов о рассматриваемых в этой главе протоколах Интернет. TCP/IP - это не один протокол, а набор, содержащий более 100 протоколов, каждый из которых нацелен на конкретное приложение в рамках объединенной сети. Данный фактор делает TCP/IP чрезвычайно гибким, поскольку каждый протокол можно использовать независимо от других с разной технологией транспортировки, но ограничивает возможность вразумительно описать характеристики этих протоколов в одной главе.