6. Сети tcp/ip

6.1. Архитектура стека протоколов tcp/ip

В состав стека протоколов TCP/IP (рис.6.1), кроме давших название этим сетям Transmission Control Protocol и Internet Protocol, входят: User Datagram Protocol (UDP), Internet Control Message Protocol (ICMP), ARP (Address Resolution Protocol), RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и ряд протоколов прикладного уровня, в частности TELNET, FTP, SMTP, SNMP, HTTP.

В отличие от семиуровневой модели ВОС (OSI) протокольный стек TCP/IP содержит 4 уровня, верхним из которых является уровень приложений. Разнообразие их требований к сетевому сервису обусловило появление в стеке двух протоколов транспортного уровня. Так, например, приложения передачи файлов и web (FTP, HTTP) для пересылки своих сообщений используют протокол ТСР, в то время как приложения управления сетевыми устройствами, служба имен (SNMP, DNS), потоковые приложения реального времени работают с транспортным протоколом UDP.

Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию пакетов через произвольную взаимосвязанную комбинацию локальных, корпоративных и региональных сетей, для чего на этом уровне реализована логическая иерархическая адресация хостов и их совокупностей (сетей). Определение пути пакетов от источника до узла назначения выполняют протоколы маршрутизации (RIP, OSPF, BGP и т.д.), логически относящиеся к протоколам сетевого уровня, но, по сути, являющимися прикладными протоколами.

Собственно сетевой уровень предоставляет транспортному уровню лишь один вид сервиса – передачу пакетов без предварительного установления соединения и настолько хорошо, насколько получится (best-effort connectionless packet transfer). Пакеты маршрутизируются взаимно независимо и части одного транспортного сегмента, а тем боле, разные части данных приложения, могут доставляться одному и тому же узлу назначения по разным маршрутам. Узлы маршрутизации, обеспечивающие связность распределенной сети, могут испытывать перегрузки и уничтожать прибывающие в такие периоды пакеты. Восстановление утерянных пакетов и надлежащий порядок их передачи приложению обеспечивается протоколами транспортного уровня.

После определения по таблице маршрутизации сетевого адреса следующего хоста пакет передается модулю, представляющему физическую сеть (модулю какого-либо канального протокола). При формировании канального кадра возникает задача определения физического (МАС) адреса следующего на маршруте устройства. Эта задача выполняется протоколом ARP (Address Resolution Protocol). Иногда возникает и обратная задача определения логического сетевого адреса устройства по заданному физическому адресу. В частности, эта проблема актуальна для процедуры загрузки бездисковых станций, которые рассылают в широковещательном режиме запрос, содержащий их физический адрес и «просьбу» сообщить их логический сетевой адрес. Этот запрос обрабатывается сервером, реализующим протокол Reverse Address Resolution Protocol (RARP), который и передает станции требуемую информацию.

Протокольные блоки верхних уровней инкапсулируются в протокольные блоки нижележащих уровней так, как это показано на рис.6.2. При этом блок каждого уровня содержит специфическую информацию, позволяющую точно его адресовать. Так, сегмент TCP (UDP) содержит в своем заголовке номер порта, однозначно определяющий приложение, которое сформировало переносимое сегментом сообщение. IP-пакет имеет логический адрес хоста, однозначно определяющим его в распределенной сети. Кадр канального уровня всегда включает в себя физический адрес следующего на маршруте доставки узла, которому необходимо передать пакет.

В стеке TCP/IP уровень физической сети выполняет функции канального и физического уровней модели OSI. Физический уровень TCP/IP-сети может использовать любую технологию канального уровня – Ethernet, Token Ring, РРР и т.д. Но для обеспечения прозрачности физического уровня необходимо, чтобы на сетевом уровне были предусмотрены процедуры дефрагментации пакетов до размера, разрешенного соответствующим протоколом канального уровня. Обратная процедура, т.е. объединение пакетов малых размеров в блоки, величины которых приемлемы на канальном уровне, не предусматривается.

6.2. IP-протокол

Основной протокол стека TCP/IP, - Internet Protocol (IP), - по своим функциям соответствует протоколу уровня межсетевого взаимодействия модели взаимодействия открытых систем (OSI). Наиболее известной и широко используемой стала его 4-я версия (IP v.4, RFC 791, сентябрь 1981). Версия 5 описывает протокол ST2, разработанный для передачи данных потоковых приложений реального времени. В 1998 году была опубликована 6-я версия IP-протокола (RFC 2460, декабрь 1998). Пока она не стала доминирующей, - в 2012 году доля трафика IP v.6 в узле обмена трафиком Амстердама не превышала 8% (самое высокое значение), в Нью-Йорке – 4%, Москве и Санкт-Петербурге – 3.5%. Однако эти показатели быстро растут - в 2015 году доля трафика IPv6 в общемировом IP-трафике достигла уже 9%. Особенности IP v6 будут рассмотрены отдельно, но ниже, если не оговаривается особо, рассматриваются свойства протокола четвертой версии.

Механизмы IP-протокола обеспечивают ненадежную доставку пакетов данных через распределенную сеть в режиме без предварительного установления соединения (дейтаграммный сервис). Решение задачи надежности доставки возлагается на протоколы верхних уровней, главным образом, на TCP. Основными функциями протокола IP являются:

• формирование пакетов из сегментов транспортного уровня, с предварительной фрагментацией (если необходимо) последних;

• логическая адресация сетей и узлов и поддержка процесса маршрутизации.