Архитектура протоколов TCP/IP
Протокол управления передачей ТСР/ межсетевой протокол IP (или протокол сети Интернет).
Стек протоколов TCP/IP использует глобальная сеть Интернет. В середине 60-х годов Управление перспективных исследований министерства обороны США (ARPA, Advanced Research Projects Agency) начинает финансировать исследования и разработку экспериментальной компьютерной сети на базе коммутации пакетов (Массачусетский технологический университет, MIT, группа Лоуренса Робертса). Была поставлена задача – изучить методы устойчивой и надежной передачи данных между удаленными ЭВМ. Связь между источником и получателем должна была поддерживаться, даже если отдельные компоненты сети будут выходить из строя, до тех пор, пока работоспособны источник и получатель. Другими словами, в условиях ядерного конфликта при выходе из строя телефонной и телеграфной связи, компьютерная сеть должна обеспечить управление страной. Протоколы сети не должны были зависеть от характеристик конкретных машин, то есть их аппаратно-программного обеспечения. Экспериментальная сеть, соединила 4 исследовательских центра (университеты Лос-Анджелеса, Санта-Барбары, штата Юты и Стэндфордский исследовательский институт). Позднее к этому проекту подключились сотни университетов и государственных учреждений США. В 1972 году Рэй Томлинсон написал базовые программы для пересылки и чтения электронных сообщений, чтобы облегчить общение разработчиков ARPAnet между собой (появилась электронная почта). Необходимый набор протоколов TCP/IP был разработан в 1974 году (Роберт Кан, Винтон Серф). В 1983 году Министерство обороны США объявило стек протоколов TCP/IP стандартом.
Объединение отдельных сетей в глобальную сеть должно базироваться на следующих принципах:
Сети взаимодействуют между собой с использованием протоколов TCP/IP.
Объединение сетей производится через специальные шлюзы (gateway).
Все подключаемые компьютеры используют единые методы адресации.
В 1983 году Министерство обороны США разделяет сеть на 2 части : MILNET – для военных целей и ARPANET – для научных исследований. В 1990 году сеть Национального научного фонда США (National Science Foundation) NSFNET полностью замещает сеть ARPANET.
Параллельно с военными и академическими исследованиями шло создание коммерческих компьютерных сетей. Разработкой стандартов для коммерческих локальных сетей занималась фирма XEROX, которая учредила консорциум Ethernet. В него вошли фирмы Intel и DEC. В 1980 году была выпущена документация на локальную сеть, использующую технологию Ethernet. На локальную сеть возлагались задачи:
Совместное использование файлов (вместо обмена магнитными дисками и лентами).
Совместное использование ресурсов (жесткие диски, принтеры, сканеры, модемы).
Связь пользователей между собой при помощи электронной почты.
Удаленное управление сетью (удаленное администрирование).
Для взаимодействия меду собой локальные сети могли подключаться к обще национальной сети NSFNET только по протоколам TCP/IP.
В 1988 году стало возможным подключение к сети любого желающего лица, оплатившего доступ в сеть. В 1995 году региональным сетям было дано право взимать плату за подключение многочисленных частных сетей к магистральной сети.
В настоящее время стек протоколов TCP/IP является самым распространенным стеком коммуникационных протоколов.
Уровни набора протоколов TCP/IP
-
Уровни модели OSI (ВОС)
Уровни модели TCP/IP
Прикладной
Прикладной (Application)
Представительный
Сеансовый
Транспортный
Транспортный (Transport,Host-to-Host, уровень связи между хостами)
Сетевой
Межсетевой (Internet)
Канальный
Уровень доступа к сети (NetworkAccess, уровень сетевых интерфейсов)
Физический
Как и в модели OSI, данные передаются по стеку вниз при отправке в сеть, и вверх по стеку – при получении из сети. Каждый уровень на передаче добавляет к блоку данных свою управляющую информацию – заголовок (header). При получении данных каждый уровень анализирует свой заголовок, выполняет требуемые действия, удаляет свой заголовок и передает данные нужному протоколу вышестоящего уровня.
Традиционный жаргон TCP/IP определяет только два типа сетевых устройств: узлы (оконечные системы) и шлюзы. Шлюзы пересылают пакеты между физически обособленными сетями, поэтому мы чаще используем термин IP-маршрутизатор.
Конечные узлы (nodes) выполняют обработку пакетов на всех четырех уровнях протоколов. Промежуточные системы (шлюзы) обрабатывают пакет до уровня Internet включительно.
Терминология в tcp/ip
В стеке TCP/IP за годы его существования образовалась следующая терминология:
Потоком (stream) – называют данные, поступающие от приложений на вход протокола транспортного уровня TCP.
Сообщением – называют данные, поступающие от приложений на вход протокола транспортного уровня UDP.
ТСР нарезает из потока данных сегменты.
UDP формирует блоки, называемые дейтаграммами.
Блок данных протокола IP также называется дейтаграммой или IP-пакетом.
Единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для последующей их переноски через подсеть, называют кадрами или фреймами. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в подсети. Для TCP/IP фреймом является и кадр сети Ethernet, и ячейка АТМ, и пакет Х.25, так как все они выступают в роли контейнера, в котором IP-пакет переносится через подсеть.
Прикладной уровень.
Верхний уровень (уровень I). Состоит из сетевых приложений и процессов. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и другие.
FTP (File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) — позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер.
Технология FTP была разработана в рамках проекта ARPA (1971) и предназначена для обмена большими объемами информации между машинами с различной архитектурой.
TELNET (TELecommunication NETwork) — сетевой протокол для реализации текстового интерфейса по сети. Telnet - самый старый сервис Internet. Доступ по протоколу telnet означает, что Ваш компьютер на какое-то время становится терминалом удаленной машины, и Вы получаете практически те же возможности, как если бы Вы сидели за дисплеем и клавиатурой удаленной машины. С помощью Telnet можно "попасть" на удаленный компьютер сети, запустить на этом компьютере какую-либо программу или посмотреть содержание некоторого файла и даже осуществлять системное администрирование.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол передачи почты) — это сетевой протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP. В настоящее время протокол SMTP является стандартным для электронной почты и его используют все клиенты и серверы.
HTTP (Hyper Text Transfer Protocol, 1992г.) - протокол для работы с гипертекстовыми документами в сети Интернет. Обеспечивает доступ в информационную систему WWW (WORLD WIDE WEB или всемирная паутина). Система основывается на гипертекстовой технологии, разработанной СERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц, Тим Бернерс-Ли). Документы WWW могут быть в текстовых, видео-, аудиофрагментах. Пользователи могут создавать страницы и связывать их при помощи гиперссылок с другими ресурсами, размещенными в Интернет. Информация доступна при помощи программного обеспечения, называемого WEB-браузер (Internet Explorer фирмы Microsoft, Netscape Navigator фирмы Netscape и др.). Система использует гипертекстовый язык записи файлов HTML (HyperText Markup Language).
Технология базируется на использовании трех вещей:
1. URL (Uniform Recourse Locator, Унифицированный указатель ресурса). Уникальный адрес любого ресурса в сети, например, http://www.w3.org
2. Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol, Протокол передачи гипертекста). Протокол, используемый для передачи информации между компьютером-клиентом и компьютером-сервером.
3. Язык HTML (Hyper Text Mark-Up Language, Язык разметки гипертекста). Язык, на котором написаны все страницы.
Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами.
Транспортный уровень управляет потоком информации между оконечными системами и обеспечивает требуемую для приложения надежность передачи. На этом уровне работают:
протокол управления передачей данных TCP;
протокол пользовательских дейтаграмм UDP.
Для большинства сетевых приложений, входящих в архитектуру TCP/IP, в качестве протокола транспортного уровня используется ТСР.
Для TFTP, RTP – UDP.
Транспортные протоколы реализуются на конечных системах, где работают приложения.
Протокол ТСР, RFC 793
TCP обеспечивает гарантированную (надежную) доставку данных за счет образования логических соединений между удаленными приложениями. Гарантированная доставка подразумевает защиту от искажения, потери, дублирования, нарушения очередности получения данных. Протокол поддерживает передачу нескольких потоков данных.
Все байты данных, передаваемые по ТСР соединению, нумеруются, начиная со случайного числа. Все сегменты (блок данных протокола ТСР называется сегментом) содержат контрольную сумму, что позволяет обнаружить ошибки в принятом сегменте.
Протокол ТСР обеспечивает надежность за счет использования механизма подтверждения приема с повторной передачей (Positive Acknowledgment with Retransmission, PAR). На все принятые сегменты с данными должны передаваться сегменты подтверждения ACK. При этом подтверждение может быть кумулятивным, когда один сегмент ACK подтверждает несколько сегментов с данными.
Протокол ТСР имеет передающий и приемный буферы, размеры которых определяются исходя из свойств конкретной операционной системы. Принимающая сторона может ограничить объем данных, отправляемых к ней, исходя из размера и наполнения приемного буфера. Другими словами, принимающая сторона может регулировать скорость передачи данных по ТСР-соединению.
Формат заголовка ТСР
Размер заголовка – шесть 32-разрядных слов. После заголовка следуют данные – неструктурированный поток байт.