Лекция 4

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Минобороны США более 20 лет назад для связи сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека, 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 сети Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей.

Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты фи­зического и канального уровней: для локальных сетей – это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных — протоколы работы на аналоговых коммутируемых и вы­деленных линиях SLIP, РРР и протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN. Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. К другим протоколам стека относятся: протокол передачи файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, гипертекстовые сервисы службы WWW (HTTP) и многие другие.

Сегодня стек TCP/IP представляет собой один из самых распространенных стеков протоколов вычислительных сетей, объединяющий более 10 миллионов компьютеров по всему миру.

Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Internet, он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоко­лами. В част­ности, TCP/IP способен фрагментировать пакеты, позволяя объединять сети, в которых максимальная длина пакета различна. Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адреса­ции, позволяющая более просто включать в интерсеть сети других технологий. В стеке TCP/IP экономно используются возможности широковещатель­ных рассылок.

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 высоких вычислительных затрат. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети различ­ных централизованных служб типа DNS, DHCP и т.п.

Стек IPX/SPX

Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80-х годов. Протоколы сетевого и сеансового уровней Internetwork Packet Exchange (IPX) и Sequencedl Packet Exchange (SPX), которые дали название стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо меньшей степени чем стек IPX/SPX. Популярность стека IPX/SPX непосредственно связана с операционной системой Novell NetWare, некогда лидера, но уступающей сегодня свому конкуренту – Microsoft Windows NT. Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией на работу в локальных сетях небольших размеров состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. В результате протоколы стека IPX/SPX хорошо работали в локальных сетях и не очень хорошо – в больших корпоративных сетях, поскольку они слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами. Это об стоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell и на его реализацию нужно получать лицензию (то есть открыты спецификации не поддерживались), долгое время ограничивали распространен­ность его только сетями NetWare. Однако с момента выпуска версии NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает вносить в свои протоколы серьезные изменения, на­правленные на их адаптацию для работы в корпоративных сетях. Сейчас стек IPX/ SPX реализован не только в NetWare, но и в нескольких других популярных сете­вых ОС, например SCO UNIX, Sun Solaris, Microsoft Windows NT.

Стек NetBIOS/SMB

Этот стек широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft. На физическом и канальном уровнях этого стека используются все наиболее распространенные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и другие. На верхних уровня работают протоколы NetBEUI и SMB.

Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 год как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен протоколом расширенного пользова­тельского интерфейса NetBEUI – NetBIOS Extended User Interface, который разрабатывался как эффектив­ный протокол, потребляющий немного ресурсов и предназначенный для сетей, насчитывающих не более 200 рабочих станций. С помощью этого протокола невозможна маршрутиза­ция пакетов. Это ограничивает его применение локальными сетя­ми, не разделенными на подсети. Некоторые ограничения NetBEUI снимаются реализацией этого протокола NBF (NetBEUI Frame), которая включена в операционную систему Microsoft Windows NT.

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

Модель OSI	NetBIOS/SMB	TCP/IP	IPX/SPX	Стек OSI
Прикладной	SMB	Telnet, FTP, SNMP, SMTP, WWW	NCP, SAP	X.400, X.500, FTAM
Представительный				Представительный протокол OSI
Сеансовый	NetBIOS	TCP		Сеансовый протокол OSI
Транспортный			SPX	Транспортный протокол OSI
Сетевой		IP, RIP, OSPF	IPX, RIP, NLSP	ES-ES, IS-IS
Канальный	802.3 (Ethernet), 802.5 (Token Ring), FDDI, Fast Ethernet, SLIP, 100VG-AnyLAN, X.25, ATM, LAB-B, LAB-D, PPP
Физический	Коаксиал, витая пара, оптоволокно, радиоволны

Это соответствие весьма условно, так как модель OSI – это только достаточно общее руководство к действию, а конкретные протоколы разрабатывались для решения специфических задач, причем многие из них появились до разработки модели OSI. В большинстве случаев разработчики стеков отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности – ни один стек, кроме стека OSI, не разбит на семь уровней. Чаще всего в стеке явно выделяются 3-4 уровня.

Замечание. Стеки протоколов SNA фирмы IBM, DECnet корпорации Digital Equipment и AppleTalk/AFP фирмы Apple применяются в основном в операционных системах и сетевом оборудовании этих фирм.

Протокол IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP), который обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей. Назначением данного протокола является передача пакетов данных между сетями.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед ним не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими пакетами. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных по сетям в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP. Данный протокол организует повторную передачу пакетов в случае недоставки пакета данных по назначению.

Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных.

offset	0	3	4	7	8			15		16				31
0	Version		IHL		TOS					Total Length
					PR	D	T	R
4	Identification									Flags			Fragment Offset
											D	M
8	TTL				Protocol					Header Checksum
12	Source Address
16	Destination Address
20	Options													Padding

Рис. Формат заголовка IP-пакета

Номер версии (Version) – занимает 4 бита и указывает версию протокола IP. В настоящий момент используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Длина заголовка (IHL – Internet Header Length) – занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеряемое в 32-битовых словах (4 байта). Значение данного поля не должно быть меньше 5, т.е. минимальная длина заголовка 20 байт. При увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт поля Опции (Options). Наибольший заголовок занимает 60 байт.

Тип сервиса (TOS – Type Of Services) – занимает 1 байт и используется для идентификации используемого дейтаграммой сервиса, определяя вид ее обработки. Значения данного поля задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Поле используется преимущественно шлюзами, для выбора параметров передачи пакета по данной сети до сети следующего узла или шлюза маршрутизации. Первые 3 бита этого поля образуют подполе приоритета (Precedence) пакета. Приоритет может иметь значения от самого низкого – 0 (нормальный пакет) до самого высокого – 7 (пакет управляющей информации). Сначала обрабатываются пакеты с наивысшим приоритетом. Следующие 3 бита критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (Delay) говорит о необходимости выбора маршрута для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T (Throughput) – для максимизации пропускной способности, а бит R (Reliability) – для максимизации надежности доставки. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Общая длина (Total Length) – занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байт. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. В стандарте предусматривается, что все хосты должны работать с длинами пакета до 576 байт, превышать которую не рекомендуется.

Идентификатор пакета (Identification) – занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля. Модули обслуживания протокола группируют фрагменты с одинаковым адресом источника, адресом назначения, типом протокола и идентификатором.

Флаги (Flags) – занимают 3 бита и содержат признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Смещение фрагмента (Fragment Offset) – занимает 13 бит и задает смещение в 64-битных словах (8 байт) поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU.

Время жизни (Time To Live) – занимает 1 байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени вычитается единица, даже в том случае, когда время задержки меньше секунды. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Значение данного поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Протокол верхнего уровня (Protocol) – занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета.

Контрольная сумма заголовка (Header Checksum) – занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение (например, TTL), контрольная сумма проверяется и повторно вычисляется при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма (16 бит) вычисляется как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля устанавливается в нуль. При обнаружении ошибки контрольной суммы пакет будет отброшен.

Адрес источника (Source Address) – занимает 32 бита и содержит IP-адрес отправителя пакета.

Адрес назначения (Destination Address) – занимает 32 бита и содержит IP-адрес получателя пакета.

Опции (Options) – является не обязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения пакетов через маршрутизаторы (структуры LSRR – Loose Source and Record Route и SSRR – Strict Source and Record Route), регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы (структура RR – Record Route), помещать данные системы безопасности, а также временные метки прохождения шлюзов маршрутизации.

Выравнивание (Padding) – имеет переменную длину и используется для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе. Выравнивание осуществляется путем заполнения данного поля нулями.

Функции протокола IP

Основным назначением протокола IP является передача дейтаграмм через связанные между собой множества сетей. Это достигается передачей дейтаграмм от одного модуля IP-сервиса к другому до тех пор, пока не будет достигнут хост получателя. Дейтаграммы передаются через интерфейсы сегментов сетей, а выбор пути осуществляется на основе IP-адреса получателя пакета.

Фрагментация

При передаче сообщения от одного IP-модуля к другому может случиться так, что дейтаграммы будут передаваться по сети, для которой допустимый размер пакета данных меньше размера дейтаграммы. Тогда начинает работать механизм фрагментации дейтаграмм.

Фрагментация IP-дейтаграмм необходима, когда ее размер превышает размер максимально допустимого пакета данных при передаче по сегменту сети.

Однако не все дейтаграммы могут быть фрагментированы. Если дейтаграмма помечена как «не фрагментируемая» (т.е. установлен флаг DF), то такая дейтаграмма ни при каких обстоятельствах не может подвергаться разбиению на пакеты меньшей длины. Если такая дейтаграмма не может быть доставлена в точку назначения без фрагментации, она будет уничтожена. В остальных случаях дейтаграмму можно разбить на более мелкие фрагменты.

Процедура фрагментации может разбить дейтаграмму на пакеты произвольной длины, а затем восстановить ее в первоначальном виде. Каждый фрагмент исходной дейтаграммы имеет уникальный идентификатор (Identification), который однозначно определяет его принадлежность к исходному фрагментируемому пакету. Это число уникально для пары адресов отправитель-получатель все то время, пока дейтаграмма находится в сети. Поля смещения фрагмента (Fragment Offset) и длины, заданные для каждого фрагмента исходной дейтаграммы, полностью определяют положение фрагмента в исходной дейтаграмме. Флаг «следующего фрагмента» MF (More Fragments) указывает на то, что у данного фрагмента есть еще продолжение или что данный пакет последний. Данной информации достаточно, чтобы IP-модуль, получающий информацию фрагментами, смог собрать исходную дейтаграмму.

Лекция 5

Лекция 6

Стандарт Token Ring

В ЛВС с передачей маркера сообщения передаются последовательно от одного узла к другому вне зависимости от того, какую топологию имеет сеть — кольцевую или звездообразную. Каждый узел сети получает пакет от соседнего узла. Если данный узел не является адресатом, то он передает тот же самый пакет следующему узлу. Передаваемый пакет может содержать либо данные, направляемые от одного узла другому, либо маркер. Маркер — это короткое сообщение, являющееся признаком незанятости сети. В том случае, когда рабочей станции необходимо передать сообщение, ее сетевой адаптер дожидается поступления маркера, а затем формирует пакет, содержащий данные, и передает этот пакет в сеть. Пакет распространяется по ЛВС от одного сетевого адаптера к другому до тех пор, пока не дойдет до компьютера-адресата, который произведет в нем стандартные изменения. Эти изменения являются подтверждением того, что данные достигли адресата. После этого пакет продолжает движение дальше по ЛВС, пока не возвратится в тот узел, который его сформировал. Узел-источник убеждается в правильности передачи пакета и возвращает в сеть маркер. Важно отметить, что в ЛВС с передачей маркера функционирование сети организовано так, что коллизий возникнуть не может. Пропускная способность сетей Token Ring достигает 16 Мбит/с. Оборудование для сетей Token Ring производят многие фирмы, в том числе IBM, 3COM.