189. Характеристика протоколов семейства tcp/ip

Протоколы семейства TCP/IP были выбраны за основу сети Internet по ряду причин: возможность работы с этими протоколами как в локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях; способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей; удобство для использования пользователями; обеспечение высокого уровня взаимодействия между различными операционными системами; предоставление средств для разработки на их основе приложений и т.д.

В сущности в комплекс протоколов Internet входит множество протоколов (FTP, TELNET, ARP и др.), но наиболее известные из них TCP и IP, поэтому, ссылаясь на этот комплекс протоколов, используют термин TCP/IP - технологию межсетевого взаимодействия. Часть протоколов семейства TCP/IP обеспечивает выполнение низкоуровневых сетевых функций (работа с аппаратными протоколами, поддержка механизма доставки пакетов адресатам, обеспечение достоверности и надежности соединения взаимодействующих узлов и др.), а другая часть - выполнение прикладных задач (передача файлов между компьютерами сети, отправка электронной почты, чтение гипертекстовой страницы WWW-сервера).

Главное отличие сети Internet от других сетей заключается именно в ее протоколах TCP/IP, охватывающих целое семейство протоколов взаимодействия между компьютерами сети. TCP/IP - это технология межсетевого взаимодействия, технология сети Internet. Сеть, реализующая эту технологию, называется "internet". Если же речь идет о глобальной сети, объединяющей множество сетей с технологией "internet", то ее называют "Internet".

Протокол IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение информации в IP-сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ВОС. Протокол IP обеспечивает дейтаграммную доставку пакетов, его основная задача - маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохранение порядка потока пакетов. Сети, в которых используется протокол IP, называются IP-сетями. Они работают в основном по аналоговым каналам (т.е. для подключения компьютера к сети требуется IP-модем) и являются сетями с коммутацией пакетов. Пакет здесь называется дейтаграммой.

Собственно протокол TCP/IP состоит из двух протоколов: TCP и IP. Протокол TCP является стандартным транспортным протоколом и обеспечивает возможность надежной передачи информации между клиентами сети. В свою очередь, протокол IP обеспечивает возможность доставки пакетов между узлами сети Internet, а также отвечает за адресацию сетевых узлов. В процессе своего функционирования протокол IP постоянно взаимодействует с протоколом межсетевых управляющих сообщений (ICMP – сокращение от Internet Control Message Protocol), образуя с ним так называемый межсетевой модуль (IP-модуль).

Протоколы TCP и IP располагаются в середине Эталонной модели взаимодействия открытых систем и тесно связаны с протоколами других уровней, поэтому термин “TCP/IP” обычно охватывает все, что связано с протоколами TCP и IP, – семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть.

В корпоративной сети важную роль играют механизмы преобразования физических адресов конкретной сети в межсетевые (Internet) адреса и обратно. В рамках каждой отдельной сети рабочие станции взаимодействуют между собой на канальном уровне, используя для этого свою систему адресации. Так, физический адрес в сети Ethernet задается шестибайтовым числовым значением, каждый байт записывается в шестнадцатеричной системе и отделяется двоеточием, например: 07:01:А0:47:54:СЗ.

Для обеспечения условия “открытости” систем межсетевые адреса, называемые IP-адресами, являются логическими и не зависят от аппаратуры или конфигурации сети. IP-адрес состоит из четырех десятичных цифр, отделенных друг от друга точками, например: 192.33.33.22. Крайнее слева число обозначает базовую сеть; числа, которые стоят правее, указывают на более мелкие участки внутри этой сети; и так до адреса конкретного компьютера. Для облегчения запоминания адресов широко используется их именное обозначение, называемое доменным.

Преобразование домена в цифровой адрес осуществляется автоматически при маршрутизации сообщения. Доменные имена обладают постоянной структурой, опираясь на которую можно определить их принадлежность. Система доменных имен (DNS), описывающая компьютеры и организации, в которых они установлены, устроена зеркально по отношению к цифровой IP-адресации. Если в IP-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она стоит справа. IP-пакет помещается в физический кадр той сети, по которой он в настоящий момент передается. IP-пакет содержит межсетевой адрес узла-получателя, а сетевой кадр данных должен содержать физический адрес узла-получателя.

Особую актуальность приобретает механизм преобразования (отображения) адресов для широковещательных сетей, таких как Ethernet и подобные. С целью сокращения времени передачи пакетов и уменьшения числа широковещательных запросов, каждый узел содержит кэш-память, в которой хранится таблица разрешения адресов. С помощью этой таблицы задается соответствие между физическими и IP-адресами.

Протокол TCP/IP используется не только в Internet, но и в сетях типа Интранет (интрасетях).

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично на сеансовом уровне модели ВОС. Это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов. Протокол ТСР делит поток байт на сегменты и передает их сетевому уровню. На приемной стороне этот протокол снова собирает сегменты в непрерывный поток байт.

Для компьютеров протокол TCP/IP - это как правила разговора для людей. Он принят в качестве официального стандарта в сети Internet, т.е. сетевая технология TCP/IP де-факто стала технологией всемирной сети.

Протокол TCP/IP основывается на концепции одноранговых сетей. Все рабочие станции, соединенные при помощи этого протокола, имеют одинаковый статус. Однако любая из них, располагая соответствующими средствами, может временно выполнять дополнительные функции, связанные, например, с управлением ресурсами сети. Ключевую часть протокола составляет схема маршрутизации пакетов, основанная на уникальных адресах сети Internet. Каждая рабочая станция, входящая в состав локальной или глобальной сети, имеет уникальный адрес, который включает две части, определяющие адрес сети и адрес станции внутри сети. Такая схема позволяет передавать сообщения как внутри данной сети, так и во внешние сети. Часть протокола TCP/IP, отвечающая за распознавание адреса, называется IRP (протокол распознавания адреса).

Многоуровневая структура протоколов TCP/IP

Семейство протоколов (или стек протоколов) ТCP/IP имеет четыре ярко выраженных уровня:

I - прикладной уровень;

II - транспортный (основной) уровень;

III - сетевой уровень (уровень межсетевого взаимодействия);

IV - канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов).

Каждый уровень выполняет свои функции по решению основной задачи - организации надежной и эффективной работы составной сети, т.е. совокупности нескольких сетей, построенных на основе разных сетевых технологий и соединенных между собой маршрутизаторами. Протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, предоставляемые протоколами более низкого уровня.

С помощью многоуровневой модели стека TCP/IP проблема перемещения информации между взаимодействующими компьютерами через среду сети разбивается на более мелкие и более легче разрешимые проблемы. Каждый уровень относительно автономен, т.е. его функции можно представить независимо от других уровней. Многоуровневая модель данной АС исключает прямую связь между соответствующими уровнями модели другой АС. Эта связь осуществляется через услуги, предоставляемые данному уровню модели со стороны смежных уровней.

Модель стека TCP/IP была разработана до появления модели ВОС, поэтому соответствие уровней этого стека уровням модели ВОС (см. рис.2) носит условный характер. В многоуровневой архитектуре TCP/IP можно выделить уровни сетезависимые и независимые от конкретной технической реализации сети. Протоколы прикладного уровня являются сетенезависимыми. Они работают на компьютерах, выполняющих прикладные программы пользователей, и даже полная смена сетевого оборудования в общем случае не влияет на работу приложений. Протоколы транспортного уровня уже зависят от сети, так как они взаимодействуют с уровнями, непосредственно организующими передачу данных по сети. Протоколы двух нижних уровней являются полностью сетезависимыми и программные модули, реализующие эти протоколы, устанавливаются как на конечных узлах составной сети (на РС), так и на маршрутизаторах. Программные модули, реализующие протоколы прикладного и транспортного уровней, устанавливаются только на конечных узлах.

Каждый протокол стека TCP/IP оперирует со своей единицей передаваемых данных, названия которых либо стандартизированы, либо определяются традиционно (см. рис.3). От прикладного уровня к транспортному данные поступают в виде потока. На транспортном уровне протоколами TCP и UDР из потока нарезаются сегменты или дейтаграммы. Под дейтаграммой понимается единица данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений (дейтаграммные протоколы). К ним относится и протокол IP сетевого уровня. На сетевом уровне протоколом IP дейтаграмма преобразуется в пакет. Наконец, на канальном уровне пакеты преобразуются в кадры (фреймы). Кадрами принято называть единицы данных, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. Каждая единица данных состоит из заголовка и собственно данных. По мере перемещения данных сверху вниз на каждом уровне добавляется свой заголовок, т.е. каждый пакет более высокого уровня вкладывается в "конверт" протокола нижнего уровня (это напоминает вложенные друг в друга матрешки). На приемной стороне, где данные перемещаются снизу вверх, происходят обратные процессы: на каждом последующем уровне пакет освобождается от заголовка предыдущего уровня, так что к пользователю поступают только собственно данные. Таким образом, протокол - это система правил для работы с данными определенного формата, а формат данных определяется их заголовком (именно заголовок пакета данных определяет способ его обработки сетевым программным обеспечением).

Рассмотрим состав и основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые пользовательским приложениям. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, определяет наличие ресурсов для реализации взаимодействия с другими узлами сети, обеспечивает читабельность информации на прикладном уровне другой абонентской системы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации, устанавливает и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами, управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между взаимодействующими узлами сети и управляет обменом информацией между ними.

Протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и не участвуют в реализации способов передачи данных по сети. Выполнение этих протоколов осуществляется программными средствами, построенными в архитектуре клиент-сервер.

Комплект протоколов прикладного уровня включает в себя большое количество протоколов. Он постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTR, SNMP, сравнительно новых служб таких, как гипертекстовая система WWW, предоставляющая для работы со своим сервисом высокоуровневый протокол HTTP.

Транспортный уровень предоставляет услуги по транспортировке данных, решая вопросы надежной и достоверной передачи данных через сеть. Он реализует механизмы установки, поддержания и закрытия соединения, а также механизмы обнаружения и устранения ошибок в передаваемых данных, управления информационным потоком.

На этом уровне функционирует протокол управления передачей TCP, о котором сказано выше, и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Data gram Protocol). Протокол UDP работает без установления соединения, т.е. обеспечивает передачу пакетов дейтаграммным способом. Его функции существенно проще, чем у протокола TCP: он только отправляет пакеты без какого-либо дополнительного сервиса. Протокол TCP обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения.

Сетевой уровень является стержнем всей архитектуры стека TCP/IP. Он обеспечивает передачу (через составную сеть) пакетов дейтаграммным способом, используя наиболее рациональный в данный момент маршрут. На этом уровне работает основной протокол стека - межсетевой протокол IP. Он хорошо работает в составных сетях со сложной топологией, используя в них протоколы подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP отличается от других сетевых протоколов способностью выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между различными сетями. Это свойство во многом способствовало той доминирующей позиции, которую занял протокол IP в сложных составных сетях.

К сетевому уровню относятся и все протоколы, обеспечивающие маршрутизацию пакетов. Это протоколы сбора маршрутной информации RIP и OSPF, необходимой для составления и модификации таблиц маршрутизации, протокол межсетевых управляющих сообщений ISMP, предназначенный для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета, и др.

Канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов, уровень сопряжения с физической средой) обеспечивает передачу данных по физическому каналу. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей независимо от того, какая внутренняя технология передачи данных в них используется. Для каждой технологии должны быть собственные интерфейсные средства, например протоколы инкапсуляции IP-пакетов в кадры локальных технологий. В связи с этим канальный уровень нельзя определить раз и навсегда, этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня ЛКС.

Протоколы канального уровня тесно связаны с физической (аппаратной) средой, в которой они работают (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN и др.). В стеке TCP/IP нет протоколов этого уровня, за счет чего и достигается аппаратная независимость семейства TCP/IP.

Ниже канального уровня расположен только аппаратный уровень, главные функции которого состоят в определении электротехнических, механических, функциональных и процедурных характеристик активизации, поддержания и деактивизации физического канала между взаимодействующими конечными узлами.

Многоуровневую схему протоколов TCP/IP можно представить в виде дерева: канальный уровень уподобляется корню этого дерева (подобно тому, как корни дерева состоят из множества отростков, так и конкретные физические реализации сети весьма разнообразны), ствол дерева - это сетевой уровень (уровень IP), толстые сучья дерева - это уровень TCP, ветви кроны - протоколы прикладного уровня и, наконец, листья кроны - пользовательские приложения, работающие с протоколами верхнего уровня.

Подключение к сети Internet. Для подключения индивидуального компьютера к сети Internet необходимо иметь модем, телефонную линию и провайдера - поставщика сетевых услуг, имеющего шлюз в эту сеть. Обычно при этом предлагается коммутируемый (dial-up) доступ к ресурсам сети и предоставляется возможность использовать компьютер поставщика, непосредственно подключенный к Internet. Такой компьютер называется хостом. На хосте запускаются имеющиеся у поставщика программы-клиенты, которые и позволяют получить доступ к нужному серверу сети. Такое коммутируемое подключение к сети отличается тем, что обеспечивает доступ только к тем клиентам, которые имеются на хост-машине. Пересылаемая из сети информация сначала попадает на хост, а затем перекачивается на индивидуальный компьютер.

Более полноценным является такое подключение индивидуального компьютера к сети, когда провайдеры обеспечивают связь по коммутируемым линиям по протоколу SLIP или PPP. В этом случае индивидуальный компьютер превращается как бы в хост-компьютер; программы и файлы, получаемые из сети, хранятся на индивидуальном компьютере.

Локальная сеть подключается к Internet обычно не по коммутируемым линиям, а по выделенным арендуемым линиям связи через шлюз с использованием дополнительного программного обеспечения. Это прямое (on-line) подключение, обеспечивающее оперативное предоставление сетевых ресурсов организации, располагающей большим количеством компьютеров, объединенных в локальную сеть. Для доступа к Web-серверам и другим ресурсам сети Internet каждый компьютер ЛКС должен иметь

IP-адрес. Такой доступ обеспечивает шлюз (коммуникационный узел), связывающий ЛКС с Internet.