Лекция 6 Стек tcp/ip

С 1990 г. в качестве доминирующего набора протоколов, на основе которого развивалось большинство новых протоколов, утвердилась архитектура связи, отраженная в стеке протоколов TCP/IP.TransmissionControlProtocol/InternetProtocol(TCP/IP) – это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей. СтандартыTCP/IPопубликованы в серии документов, названныхRequestforComment(RFC). ДокументыRFCописывают внутреннюю работу Интернет. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Следует отметить, стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC можно считать стандартами. Лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:

• Это наиболее апробированный и в то же время популярный стек протоколов, ставший стандартом де-факто.

• Почти все существующие крупномасштабные сети функционируют на основе стека TCP/IP.

• Это основной способ получения доступа в Интернет.

• Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.

• Стек TCP/IP нашел широкое применение для создания корпоративных сетей, использующих транспортные услуги Интернет и гипертекстовую технологию WWW.

• Стек TCP/IP является основой гибкой технологии для соединения разнородных систем и сетей как на уровне реализации транспортной функции, так и на уровне взаимодействия прикладных процессов.

• Стек TCP/IP обеспечивает масштабируемую среду для приложений клиент-сервер.

Рисунок 1. Сравнение архитектур связи TCP/IP и OSI

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели ISO/OSI, то несмотря на то, что он имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно. На рисунке 1 приведена структура стека TCP/IP в

соотношении с уровнями модели OSI. Справа на рисунке указаны средства реализации различных уровней. Протоколы стека TCP/IP делятся на пять уровней. Самый нижний –физический уровеньсоответствует физическому уровню модели OSI. Этот уровень в

стеке TCP/IP специально не стандартизирован и поэтому допускает использование всех основных стандартов физического уровня, определяющих характеристики передающей среды, скорости передачи сигналов и схемы кодирования сигналов.

Уровень доступа к сети занимается логическим интерфейсом между оконечной системой и сетью. Уровень также не регламентирован. Например, для соединения компьютера с сетью может использоваться любой стандарт канального уровня: PPP, Ethernet, АТМ и т.д.

Межсетевой уровеньобеспечивает функцию маршрутизации при передаче данных от одного хоста к другому через узлы одной или нескольких логических сетей. Основной протокол этого уровня – этопротокол IP (Internet Protocol). Он должен поддерживаться во всех оконечных системах (хостах) и сетевых коммуникационных устройствах, выполняющих функцию маршрутизации. К вспомогательным протоколам этого уровня относятся:

• ICMP (Internet Control Message Protocol) – протокол управления сообщениями Интернет. Обеспечивает возможность шлюзам и маршрутизаторам обмениваться служебными сообщениями с хостом-отправителем в случае возникновения проблемной ситуации при передаче в сети;

• IGMP (Internet Group Management Protocol) – протокол управления группами. Предоставляет множеству хостов и маршрутизаторов возможность обмениваться сообщениями с групповыми адресами в широковещательном режиме;

• OSPF (OpenShortestPathFirst) – протокол определения первого кратчайшего маршрута при установлении виртуального (логического) соединения в интерсети;

• BGP (Border Gateway Protocol) – протокол регламентирующий процедуру маршрутизации между граничными шлюзами в Интернет;

• RSVP (ReSerVation Protocol) – протокол резервирования коммуникационных ресурсов (полосы пропускания линий связи) с целью предоставления требуемого качества обслуживания. Поддерживается хостами и сетевыми коммуникационными устройствами;

• RIP (RoutingInternetProtocol) – протокол сбора маршрутной информации при топологических изменениях в интерсети;

• ARP (Address Resolution Protocol) – протокол анализа адресной части заголовка блока данных.

Транспортный уровень отвечает за выполнение функции сквозной передачи данных и поэтому реализуется лишь в конечных системах. Протоколы этого уровня скрывают от уровня приложений подробности о сети или сетях, через которые транспортируются данные. На этом уровне выполняются два основных протокола:

• ТСР (TransmissionControlProtocol) – протокол управления передачей, ориентированный на логическое соединение и последовательную передачу блоков данных. Он содержит механизмы обеспечения надежности, позволяющие отслеживать блоки данных и тем самым гарантировать их корректную доставку адресуемому приложению;

• UDP (UserDatagramProtocol) – протокол датаграмм пользователей, обеспечивающий быструю, но ненадежную передачу блоков данных самостоятельно перемещающихся по сети без установления логического соединения.

Уровень приложенийобеспечивает связь между прикладными процессами и приложениями взаимодействующих хостов. Основные протоколы этого уровня:

• FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов;

• HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекстовых файлов;

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол передачи почты;

• TELNET – протокол удаленного входа в систему;

• SNMP (SimpleNetworkManagementProtocol) – простой протокол сетевого управления;

• DNS(DomainNameSystem) – служба имен доменов или прикладной сервис в сети Интерне, который позволяет хостам преобразовывать интернет-имена вIP-адреса;

• MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) – многоцелевые расширения почты Интернет. Стандарт поддерживает обмен мультимедийными сообщениями в сети Интернет, определяя процедуры, позволяющие пользователю присоединять к сообщению электронной почты файлы разных форматов (тексты, изображения, аудио, видео и целые приложения).

На уровне приложений работает также много навигационных программ (Gopher, Wais, WWW), обеспечивающих поиск нужной информации в сети. Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP подробнее рассматриваются в модулях 3 и 4.

Недостатки модели TCP/IP

Несмотря на огромную популярность, у модели TCP/IP и ее протоколов имеется ряд недостатков:

• отсутствие разграничений концептуальных понятий интерфейса, протокола и уровневого сервиса, что достаточно четко сделано в модели ISO/OSI. Вследствие этого модель TCP/IP не может применяться при разработке новых сетей;

• с помощью модели TCP/IP нельзя описать никакой другой стек протоколов, кроме TCP/IP;

• в модели не различаются физический и канальный уровни, в то время как они абсолютно разные и в корректной модели это должно учитываться;

• наиболее тщательно продуманы и проработаны протоколы IP и TCP. Многие из других протоколов стека разрабатывались студентами (студентам к размышлению!) и свободно распространялись, вследствие чего широко укоренились в практике и теперь их трудно заменить на что-либо новое, предлагаемое по коммерческой схеме.

Резюме

В качестве резюме отметим, что модель ISO/OSI является полезной для теоретических исследований и разработок новых сетей, хотя протоколы OSI не получили широкого распространения. Для TCP/IP можно сделать обратное утверждение: стек не может рассматриваться в качестве полноценной модели, тогда как сами протоколы хорошо апробированы и чрезвычайно популярны.

Рассматривая эталонную модель с точки зрения новых требований, которые информационные потоки предъявляют к процессу переноса в инфо-коммуникационной сети, следует выделить две проблемы.

Во-первых, на транспортном и канальном уровнях реализуются два независимых механизма переноса. Такое разбиение задачи транспортировки информации было в свое время продиктовано необходимостью объединения множества сетей, использующих разные технологии доступа к каналу связи. Однако, наличие двух несогласованных механизмов передачи создает проблему обеспечения качества обслуживания при переносе информации. Добиться согласованного поведения транспортного и канального уровней (через сетевой уровень) невозможно, исходя их принципа автономности уровней в модели ISO/OSI. Однако современные концепции развития сетей на мультисервисной основе (в частности концепция NGN) предусматривают стратегии согласованного поведения транспортного и канального уровней в обход сетевого уровня, что формально нарушает принцип автономности и выходит за рамки эталонной модели.

Во-вторых, вследствие конвергенции сетей и объединения информационных потоков различных служб в общий передаваемый поток гетерогенного трафика, возникает необходимость идентификации его содержания. В ситуации, когда узкоспециализированные сети передавали информационные потоки конкретных типов, данная проблема не существовала.

Поиском решения указанных проблем занимаются большинство производителей сетевого оборудования.

Модель программного обеспечения

Даже при самом поверхностном взгляде на функционирование сети становится понятным, что информационная сеть – это сложнейший комплекс программных и аппаратных компонентов. При этом именно программное обеспечение определяет функциональность информационной сети.

Современное сетевое программное обеспечение в высшей степени структуризовано. Основные функции и вся архитектура связи (протокольные модели) по существу реализуются в программном обеспечении сети.

Анализ программнойструктурыпозволяет рассмотреть иерархию сетевого программного обеспечения. Элементами этой структуры являются программные модули, в которых реализованы объекты и логические модули сети.

Иерархия программного обеспечения (ПО) может быть представлена в следующем виде:

• прикладное ПО;

• промежуточное ПО;

• базовое ПО.

В прикладном ПОреализованы объекты приложений. Различают два типа приложений, которые влияют на структуру организации ПО –локально ограниченныеираспределенныеприложения.

Локальноограниченноеприложениеинсталлируется, вызывается, управляется и выполняется полностью в пределах одной оконечной системы и не требует привлечения коммуникационных функций. Примером может служить редактирование документа при подготовке текста на компьютере пользователя (терминале пользователя).

Распределительное приложениесостоит из нескольких компонентов, которые могут выполняться в различных оконечных системах и, следовательно, требуют организации взаимодействия этих оконечных систем. Например, совместное редактирование текста объемной публикации пользователями, расположенными в разных местах.

Компоненты распределенного приложения могут неоднократно использоваться другими приложениями. В этом случае они становятся объектами промежуточного ПОи поддерживают услуги, связанные с интеллектуальными возможностями сети.

ПромежуточноеПОреализует в сети функции управления услугами и функции административного управления сетью. Объекты обеих групп ПО аналогично компонентам распределительных приложений взаимодействуют посредством коммуникационных функций сети.

БазовоеПО предназначено для обеспечения объектам прикладного ПО и промежуточного ПО возможности выполнения и взаимодействия с другими объектами, посредством обеспечения среды взаимодействия с коммуникационными функциями сети и логическими интерфейсами пользователей. Организация этой среды осуществляется унифицированными программными комплексами, которые называютсясетевыми операционными системами. От того какие концепции управления ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы не только объектов прикладного и промежуточного ПО но и сети в целом. Стандартами сетевых ОС де-факто на сегодняшний день стали системы UNIX и сетевые версииWindows. Логические компоненты коммуникационных функций, реализуемых программно, обеспечивающие поддержание связи между удаленными объектами, также относятся к функциям базового ПО.

К базовому ПО относятся и объекты обработки и хранения данных, реализуемые в таких программных комплексах, как СУБД (системы управления базами данных), базовое ПО сервера обработки транзакций и др.

Характер взаимодействия между объектами определяется типом объектногоинтерфейса, который подобенпротоколуифункциональной эталонной точке.

Различают следующие типы объектных интерфейсов (программных интерфейсов):

• прикладнойпротокол(Application Protocol, АР) – логический интерфейс между прикладными объектами;

• интерфейс прикладных программ(ApplicationProgram Interface,API) – логический интерфейс между прикладными объектами и объектами промежуточного ПО, которые поддерживают прикладные объекты;

• протокол промежуточного ПО(Managing Protocol, МР) – логический интерфейс между объектами промежуточного ПО;

• интерфейс базовых программ(Base Program Interface, ВРІ) – логический интерфейс между объектами промежуточного и базового ПО, которые поддерживают объекты промежуточного ПО;

• интерфейс человек-компьютер (User-ComputerInterface, UCI) – логический интерфейс между пользователем и, главным образом, объектами базового ПО, однако он может включать в себя также логический интерфейс с объектами промежуточного ПО и даже объектами приложений.

Сетевое программное обеспечение является ресурсом, участвующим в организации платформ предоставления услуг, и, следовательно, композиционные принципы объединения программных модулей подвержены тому же динамизму, что и принципы построения функциональной модели сети.

Компоненты и модели физической структуры сети

В этом разделе рассматриваются элементы и модели инфо-коммуникационных сетей как физических объектов. Здесь мы рассмотрим, как сетевые функции и объекты реализуются в физических устройствах – аппаратуре. Какое оборудование применяется при построении сегментов разного назначения и статуса, как оно классифицируется, чем характеризуется и как взаимодействует при объединении сегментов. Общая архитектура связи и принципы взаимодействия функций и объектов каждого уровня нам уже знакомы из предыдущего раздела.

Аппаратура совместно с объединяющей ее кабельной системой образует физическую сетевую среду. Она отображается моделью, которая называется физической структурой сети.

Под физической структурой сети будем понимать состав ееактивногоипассивногооборудования и топологию его размещения в пространстве.

Активное сетевое оборудование охватывает весь парк оконечного и коммуникационного оборудования сети, функционирование которого обеспечивается за счет потребления электроэнергии от внешних источников питания. Активное сетевое оборудование представляет собой комплексы тех функций и объектов, которые реализуются аппаратно.

Пассивное оборудование сетив отличие от активного не нуждается в источниках электропитания и включает в себя кабельную систему, телекоммуникационные разъемы, коммутационные панели, коммутационные шнуры, монтажное оборудование и т.п.

Обобщенная модель аппаратурной реализации функций и объектов

Обобщенная модель аппаратурной реализации показывает, как реализуются те или иные функции в активном оборудовании сети, а также интерфейсы между различными аппаратными средствами. Она также позволяет определить дополнительные интерфейсы между оборудованием от различных поставщиков и их характеристики, подлежащие стандартизации.

В общем случае подаппаратурой(Equipment) будем понимать активное оборудование, в котором функции могут быть реализованы как в виде аппаратного обеспечения, так и в виде программного обеспечения (см. рис.2). Аппаратура может иметь модульную конструкцию, т. е. состоять из некоторого количества съемных плат.

Рисунок 2. Схема модели реализации: Наппаратное обеспечение(Hard ware);

S программное обеспечение(Soft ware).

Элементами модели аппаратурной реализации являются:

• аппаратное обеспечение(Hard ware)оборудование, в котором одна или несколько функций реализованы физически;

• программное обеспечение(Soft ware)один или несколько программных модулей, представляющих собой реализацию функций исключительно программно;

• физический интерфейс(Physicalinterface)физическая среда для передачи сигналов между различной аппаратурой.

Совокупность различных устройств, используемых в качестве оборудования сетевой среды, называется парком аппаратуры.