Основные протоколы и сервисы компьютерной сети Internet

Основные протоколы сети Internet. Internet многогранен, и с технической точки зре­ния — это объединение транснациональных компьютерных сетей, работающих по самым разнообразным протоколам, связывающих всевозможные типы компьютеров, физически передающих данные по телефонным проводам и оптическому волокну, через спутники и радиомодемы. Подавляющее большинство компьютеров в Internet работает по протоколам TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internetwork Protocol — управляющий протокол пере- дачи/межсетевой протокол), и именно это совместно с требованиями наличия подключения к глобальной сети является критерием присутствия в Internet.

Основой семейства протокола TCP/IP является сетевой уровень, представленный протоколом IP, а также различными протоколами маршрутизации. Этот уровень пред­ставляет адресное пространство, обеспечивающее перемещение пакетов в сети, а так­же управляет их маршрутизацией.

Размеры пакета, параметры передачи, контроль целостности осуществляются на транспортном уровне протоколом TCP. Протокол UDP (User Datagram Protocol — прото­кол транспортного уровня) работает на том же уровне, но применяется в том случае, когда требования к надёжности передачи данных менее жёсткие (в отличие от протокола ТСР не обеспечивает безошибочной передачи пакета). Поскольку оба этих протокола в известной степени представляют собой единое целое, как правило, говорят о протоколах TCP/IP.

TCP дробит информацию на несколько частей, присваивает каждой части номер, по которому данные впоследствии соединяются воедино, добавляет к ней «служебную» ин­формацию и укладывает всё это в отдельный «IP-конверт». Далее этот «конверт» отправля­ется по Сети — Internet обрабатывает IP-информацию. Размер передаваемых в Internet TCP/IP-пакетов составляет, как правило, от 1 до 1500 байт, что связано с техническими ха­рактеристиками Сети.

Данные, передаваемые по электронным сетям, могут теряться, а также зачастую иска­жаться из-за помех на линиях связи. Встроенные в TCP алгоритмы контроля за корректно­стью передачи данных решают эти проблемы. Одним из самых известных механизмов кон­троля за правильностью пересылки информации является циклический избыточный код, согласно которому в заголовок каждого передаваемого пакета записывается некая кон­трольная сумма, вычисленная компьютером-отправителем. Компьютер-получатель по ана­логичной системе вычисляет контрольную сумму и сравнивает её с числом, имеющимся в заголовке пакета. Если цифры не совпадают, TCP инициирует повтор передачи.

Следует отметить также, что при отправке информационных пакетов протокол TCP требует от компьютера-получателя подтверждения приёма информации. Это организуется путём создания временных задержек при приёме-передаче — тайм-аутов, или ожиданий. Тем временем отправитель продолжает пересылать данные. Образуется некий объём уже переданных, но ещё не подтверждённых данных. Иными словами, TCP организует двуна­правленный обмен информацией, что обеспечивает более высокую скорость её трансля­ции.

Следующий простой пример проясняет механизм работы протоколов TCP/IP. Когда человек получает телеграмму, весь текст в ней (и адрес, и сообщение) написан на ленте подряд, но есть правила позволяющие понять, где тут адрес, а где сообщение. Аналогично пакет в компьютерной сети представляет поток бит, а протокол IP определяет, где адрес и прочая служебная информация, а где сами передаваемые данные. Протокол TCP предна­значен для контроля передачи и контроля целостности передаваемой информации.

Системы, использующие протоколы не TCP/IP подключаются к Internet через шлюзы.

Для того чтобы пакет с информацией не «заблудился» по дороге, узлы Internet, через которые он движется, имеют в своём распоряжении таблицы маршрутизации — электронные базы данных, в которых содержатся указания, куда именно отсылать тот или иной пакет ин­формации, если он следует на такой-то адрес. Таблицы маршрутизации рассылаются на узлы

централизованно, периодически меняются и дополняются. На серверах узлов, осуществляю­щие маршрутизацию, находятся маршрутизаторы, или роутеры (от англ, «router» — «мар­шрутизатор»). Правила маршрутизации описаны в протоколах ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First).

Протоколы TCP/IP являются протоколами нижнего уровня модели OSI. Помимо них существует целый ряд протоколов более высокого уровня, которые отвечают за передачу и обработку данных определённого назначения. К наиболее важным прикладным прото­колам относятся:

^ протокол удалённого управления Telnet;

> протокол передачи файлов FTP;

'Р протоколом передачи гипертекста HTTP;

Р протоколы для работы с электронной почтой: SMTP (Simple Mail Transfer Protoco), POP (Post Office Protocol), IMAP (Internet Message Access Protocol), MIME ((Multiperposal Internet Mail Exchange).

На этом уровне работает система адресации доменных имён DNS, отвечающая за преобразование числовых IP — адресов в имена.

Telnet — протокол удалённого доступа. Даёт возможность абоненту работать в пол­ном объёме на любом компьютере сети Internet, т.е. запускать программы, менять режим работы и т.д.

FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов. Архивы являются одним из основных информационных ресурсов Internet. Фактически, это распределённый депози­тарий текстов, программ, фильмов, фотографий, аудио записей и прочей информации, хранящейся в виде файлов на различных компьютерах во всем мире. FTP даёт возмож­ность соединять компьютеры между собой и передавать по сети файлы с одного компью­тера на другой. Компьютеры, на которых находится информация для передачи по прото­колу FTP, называются FTP-серверами.

Программы FTP стали частью отдельного сервиса Internet. FTP настраивается таким образом, что соединение с ним может происходить не только под именем пользователя, но и под условным именем anonymous (аноним). Тогда становится доступна не вся файловая система компьютера, а некоторый набор файлов на сервере, которые составляют содер­жимое сервера anonymous FTP — публичного файлового архива.

Web-документы создаются с помощью гипертекстового языка описания документов HTML (Hypertext Markup Language), построенного на базе метаязыка SGML (Structured Generalized Markup Language — структурный универсальной язык разметки, стандарт ISO- 8879 1986 года), который, в свою очередь, основан на языке GML (Generalized Markup Language, стандарт ISO c 1984 г.). Для создания конкретных прикладных наборов тегов было введено понятие «SGML-приложение». Так, популярный сегодня язык HTML явля­ется SGML-приложением.

HTML-документы могут содержать несколько уровней заголовков, абзацы, списки и их пункты, графику, Web-формы и гипертекстовые ссылки. При щелчке мышью по гипертексто­вой ссылке выводится пользователю другой документ. Таким образом, эта ссылка содержит «указатель» на документ, который становится доступным при нажатии кнопки мыши. Такой указатель носит название унифицированного указателя ресурса — URL (Uniform Resource Locator) — фактически это адрес документа в Internet. Указатели URL обычно описывают транспортный протокол документа (например, HTTP или FTP) и имя хост-компьютера, на котором он находится. Кроме того, указатели URL могут включать в себя маршрут доступа к документу на данном компьютере. Эти маршруты указываются в конце строки URL.

С целью специализаций по разработке и стандартизаций Web-технологий в 1994 г. изобретателем Web Тимом Бернерсом-Ли (Tim Bemers-Lee) был основан Консорциумом W3C (WWW Consortium) при Лаборатории компьютерных наук Массачусетского техно­логического института США (MIT Laboratory for Computer Science) с участием ЦЕРНа

(CERN) при поддержке агентства министерства обороны США DARPA (Department Advanced Research Projects Agency) и Европейской комиссии.

В апреле 1995 г. французский исследовательский институт информатики и автоматики INRIA (Institute National de Recherche et en Automatique) стал европейским базовым центром (хостом) для деятельности W3C. В 1996 г. такие же функции взял на себя японский универси­тет Keio University Shonan Fujisawa. В настоящее время консорциум объединяет более 400 различных организаций-членов, включая изготовителей продуктов ИТ, поставщиков ИТ- услуг и информационных контентов, корпоративных пользователей, исследовательские лабо­ратории, организации стандартизации, госбюджетные структуры — всех, кто готов работать для достижения стабильности в развитии Web-технологии.

В частности, долгосрочными целями консорциума W3C являются:

1. Обеспечение универсального доступа (Universal Access) каждому пользователю к технологиям и ресурсам Internet, учитывая различия людей в культуре, образова­нии, способностях, материальных возможностях, с учётом их физических ограни­чений.

2. Разработка программного обеспечения Web, позволяющего взаимодействовать с Internet на смысловом или семантическом уровне (Semantic Web).

3. Создание инфраструктуры, обеспечивающей необходимый уровень информаци­онной защиты и приватности для решения правовых, экономических и социаль­ных проблем информационного общества — создание доверия.

Консорциум W3C концентрирует свои усилия на решении следующих задач:

• исследование перспектив развития и использования Web-технологий, формирова­ние требований Web-сообщества к информационному пространству и его инфра­структуре;

• реализация Web-технологий, удовлетворяющих требованиям Web-сообщества;

• стандартизация Web-технологий посредством разработки спецификаций в виде Рекомендаций («Recommendations»), описывающих строительные модули Web.

При этом, рассматривая Web как некоторое приложение, построенное над Internet, W3C в своих разработках продолжает следовать принципам этой базовой технологии, а именно, интероперабельности функциональных компонентов, совместимости специфика­ций языков и протоколов, способности эволюционировать и взаимодействовать с новыми технологиями (например, с мобильными Web-устройствами и цифровым телевидением), децентрализации функций и масштабируемости.

Процесс разработки и стандартизации спецификаций Web-технологий (W3C process), организован таким образом, чтобы обеспечить:

• независимость от поставщиков (вендоров) технологий (Vendor neutrality);

• выполнение принципов общедоступности и консенсуса для спецификаций на про­тяжении их жизненного цикла;

• координацию усилий с другими организациями стандартизации и консорциумами (в первую очередь, с IETF (Internet Engineering Task Force), the WAP Forum (Wire­less Application Protocols Forum), the Unicode Consortium, the Web3D Consortium, а также рядом комитетов ISO (International Standard Organization).

В 1996 г. Консорциумом W3C была утверждена рекомендованная спецификация CSS (Cascading Style Sheets — каскадные листы стилей), основанная на DSSSL (Document Style Semantics and Specification Language — язык для определения семантики стиля доку­ментов SGML). Каскадные листы стилей отделены от содержания Web-страниц для того, чтобы не мешать внутренней логики логической разметки документов. В основе техноло­гии CSS лежит концепция разграничения содержания и представления. Полное разделение содержимого и его представления обеспечивает гарантированную текстуальную доступ­ность материалов сайта, созданного с применением рекомендаций CSS, консорциумома W3C, в любых браузерах.

CSS2, утверждённый в качестве официальной рекомендации в 1998 году, обладает намного более серьёзными возможностями. В частности, в нём появилась модель визу­ального форматирования (блочная модель), позволяющая представить любую Web- страницу как набор прямоугольных областей с различными свойствами и тем самым изба­виться от вёрстки шаблонов страниц при помощи таблиц. Кроме того, CSS2 позволяет оп­ределять индивидуальные и открытые пользователю правила представления информации для различных сред и устройств вывода — в частности, экрана настольного ПК или ноут­бука, меньшего по размерам экрана КПК (карманного ПК) или смартфоны, речевых брау­зеров, механических строк Брайля, принтера и т.д.

В HTML 4.0, ставшем официальной рекомендацией в конце 1997 года, определяется три типа документов:

1. Strict — строгий, предписывающий соблюдение чёткой логической структуры и подразумевающий отказ от большинства возможностей визуального форматиро­вания;

2. Transitional — переходный, намного более «либеральный»;

3. Frameset — для страниц, использующих фреймы.

Фрейм (Frame) или область — самостоятельный фрагмент HTML-страницы, обладающий всеми её свойствами.

Развитием HTML 4 стал «расширяемый» (eXtensible) язык разметки гипертекста — XHTML 1.0, реализующий концепцию модуляризации и полностью упраздняющий типы документов Transitional и Frameset, который получает всё большее распространение.

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) — это протокол передачи гипертекста, позволяю­щий Web-браузерам обращаться к файлам на любом Web-сервере. В Internet применяются стандарты, позволяющие «публиковать» информацию — размещать её на хост-узлах, где с ней могут работать другие пользователи. Система компьютеров, публикующих такую ин­формацию, называется World Wide Web, а протокол, составляющий основу Web протоко­лом передачи гипертекста. Если TCP/IP даёт возможность пользователям обращаться к хост-узлам Internet, то HTTP обеспечивает их доступ к документам World Wide Web.

HTTP позволяет реализовать в рамках обмена данными набор методов доступа, ба­зирующихся на спецификации универсального идентификатора ресурсов URI (Universal Resource Identifier), применяемого в форме универсального локатора ресурсов URL (Universe Resource Locator) или универсального имени ресурса (Universal Resource Name). Сообщения по сети при использовании протокола HTTP передаются в формате, схожим с форматом сообщений MIME с поддержкой графики, аудио- и видеофайлов. HTTP исполь­зуется для взаимодействия программ-клиентов с программами-шлюзами, разрешающими доступ к ресурсам электронной почты Internet (SMTP, Simple Mail Transfer Protocol), спи­скам новостей (NNTP, Network News Transfer Protocol), файловым архивам (FTP, File Transfer Protocol), информационно-поисковым системам Gopher и Wais. Протокол разрабо­тан для доступа к этим ресурсам посредством промежуточных программ-серверов (proxy), которые позволяют передавать информацию между различными информационными служ­бами без потерь. Протокол реализует принцип «запрос/ответ». Запрашивающая программа- клиент инициирует взаимодействие с отвечающей программой-сервером, и посылает за­прос, включающий в себя метод доступа, адрес URI, версию протокола, сообщение с моди­фикаторами типа передаваемой информации, информацию клиента, и содержимое сообще­ния клиента. Сервер отвечает строкой состояния, включающей версию протокола и код воз­врата, за которой следует сообщение. Данное сообщение содержит информацию сервера, метаинформацию и содержимое сообщения. Понятно, что в принципе, одна и та же про­грамма может выступать и в роли сервера и в роли клиента (так собственно и происходит при использовании proxy-серверов).

Система WWW (World Wide Web, переводится как «мировая паутина»), разработана в крупнейшем Европейском центре ядерных исследований, расположенном в Женеве, Швейцария. При разработке WWW была поставлена цель создания гипертекстовой систе­мы сетевого взаимодействия, которая доступным для непрофессионалов образом может связывать друг с другом пользователей, компьютеры и данные. Отличительной чертой WWW является ориентация на практически произвольные сетевые протоколы и на работу с документами неограниченной сложности и произвольной природы. Информация боль­шой компании, которая обычно рассредоточена по всему миру, может быть опутана «пау­тиной» WWW так, что географически разделённые пользователи без особых усилий полу­чают её, не покидая своих рабочих мест. Цель эта была достигнута, и сейчас WWW ин­тенсивно используется для информационного обмена. WWW работает по технологии «клиент/серверы».

Информация в WWW состоит из страниц (документов). Страницы могут содержать графику, сопровождаться анимацией и звуком, воспроизводимыми непосредственно в процессе поступления информации на экран пользователя. Посредством WWW можно смотреть видеофильмы, слушать музыку, играть в компьютерные игры, обращаться к раз­нообразным информационным источникам. Информация в этой системе организована в форме гипертекста.

Распределённая информационная гипертекстовая система WWW включает технологии:

• язык гипертекстовой разметки документов HTML (HyperText Markup Language);

• универсальный способ адресации ресурсов в сети URL (Universal Resource Locator);

• протокол обмена гипертекстовой информацией HTTP (HyperText Transfer Protocol);

• универсальный интерфейс шлюзов CGI (Common Gateway Interface).

Спецификация CGI (Common Gateway Interface) — составляющая технологии WWW

— это стандарт интерфейса (связи) внешней прикладной программы с информационным сервером типа HTTP, Web сервер. Обычно гипертекстовые документы, извлекаемые из WWW серверов, содержат статические данные. С помощью CGI можно создавать CGI- программы, называемые шлюзами, которые во взаимодействии с такими прикладными системами, как система управления базой данных, электронная таблица, деловая графика и др., смогут выдать на экран пользователя динамическую информацию. CGI была специ­ально разработана для расширения возможностей WWW за счёт подключения всевозмож­ного внешнего программного обеспечения. Такой подход логично продолжал принцип публичности и простоты разработки и наращивания возможностей WWW. При реализа­ции CGI очень важное место заняли методы доступа, описанные в HTTP.

На стандартах коммуникации и доступа информации основываются другие стандарты, такие как протокол электронной почты SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). SMTP даёт воз­можность подключенным к Internet пользователям и хост-узлам обмениваться электронной почтой. Благодаря этому и другим стандартам можно передавать электронную почту из одно­го места в другое, причём не только сообщения, но и программы, графику, звук, видео и дру­гие типы данных.

Стандарт MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions, расширение почты Internet для различных целей) был разработан для того, чтобы обеспечить в Internet передачу данных, ко­торые, кроме текста (в формате ASCII), поддерживают графику, аудио- и видеофайлы. Базо­вый протокол передачи электронной почты в Интернете, SMTP, допускает только 7-битные сообщения в кодировке ASCII. Это ограничивает электронную почту в Интернете сообще­ниями, которые при передаче содержат только символы, достаточные, чтобы писать на не­большом числе языков, в основном на английском. Другие языки, основанные на латинском алфавите, часто включают диакритические знаки, не поддерживаемые в 7-битном ASCII, а значит, текст на этих языках нельзя корректно отображать в стандартной электронной почте. MIME определяет механизмы для отправки разного рода информации с помощью электрон­

1-й байт	2-й байт	3-й байт	4-й байт
0 + Адрес сети (7 бит)	Адрес узла (24 бит)
1	X	X	X
127	X	X	X

Таким образом, сетей данного класса всего может быть 127 (на самом деле их мень­ше за счёт особо используемых адресов), однако, количество узлов в каждой из таких се­тей может быть очень большим, поскольку на их адресацию отводится 24 двоичных раз­ряда (16 777 216 различных кодов).

Для сетей класса B (см. таблицу 2) на адресацию собственно сетей используется два байта с фиксированными двумя первыми битами так, чтобы адреса этого класса не пере­крывали адреса сети класса A.

1-й байт	2-й байт	3-й байт	4-й байт
10 + Адрес сети (14 бит)		Адрес узла (16 бит)
128	0	X	Х
191	255	X	X

Для сетей класса C (см. таблицу 3) на адресацию собственно сети используется три байта с фиксированными тремя первыми битами, чтобы адреса этого класса не перекры­вали адреса сетей класса A и B. Таблица 7.4 - Сети класса С 1-й байт	2-й байт	3-й байт	4-йбайт
110 + Адрес сети (21 бит)				Адрес узла (8 бит)
192	0	0	X
223	255	255	X

Сетей класса C достаточно много, поскольку на их адресацию выделен 21 двоичный разряд (2 097 152 различных кода), однако на адресацию узлов при этом остаётся всего 8 двоичных разрядов (256 различных кодов, но фактически адресов не более 254, поскольку коды нулевой и единичный не используются). Т аким образом, в рамках стандарта IP различается несколько подвидов интрасетей, определяемых значением первого октета. Это значение характеризует максимально воз­можное количество подсетей и узлов, которые может включать такая сеть. В таблице 4 приведено соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса. Таблица 4 - Соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса Класс сети	Диапазон значений первого октета	Возможное количество подсетей	Возможное количество узлов
A	1-126	126	16777214
B	128-129	16382	65534
C	192-223	2097150	254
D	224-239	—	2-28
E	240-247	—	2-27

Адреса класса A используются в крупных сетях общего пользования, поскольку по­зволяют создавать системы с большим количеством узлов. Адреса класса B применяют в корпоративных сетях средних размеров, адреса класса C — в локальных сетях небольших предприятий. Для обращения к группам машин предназначены адреса класса D. Значение первого октета 127 зарезервировано для служебных целей, в основном для тестирования сетевого оборудования, поскольку IP-пакеты, направленные на такой адрес, не передают­ся в сеть, а ретранслируются обратно управляющей надстройке сетевого программного обеспечения, как только что принятые. Кроме того, существует набор «выделенных» IP- адресов, имеющих особое значение. Эти адреса приведены в таблице 5.

IP-адрес	Значение
0.0.0.0	данный хост
Номер сети 0.0.0	данная IP-сеть
0.0.0. номер хоста	конкретный компьютер в данной локальной сети
1.1.1.1	все компьютеры в данной локальной сети
Номер сети 1.1.1	все компьютеры в указанной IP-сети
127.0.0.1	локальный кольцевой драйвер (Local-host)
192.168.0.Х	адреса для внутренних целей сети Internet и т.д.

Числовой адрес компьютера в Internet аналогичен почтовому индексу отделения связи. Первые цифры индекса говорят о регионе, последние две цифры — номер почтового отделе­ния в городе, области или районе. Промежуточные цифры могут относиться как к региону, так и к отделению, в зависимости от территориального деления и вида населенного пункта. Аналогично существует несколько типов адресов Internet (типы: A, B, C, D), которые по раз­ному делят адрес на поля номера сети и номера узла, от типа такого деления зависит количе­ство возможных различных сетей и машин в таких сетях.

Последний (правый) идентификатор IP-адреса обозначает номер хоста в данной ло­кальной компьютерной сети. Всё, что расположено между правым и левым октетами в та­кой записи, — номера подсетей более низкого уровня. Например, на IP-адрес 196.75.100.11 в Internet отправляется сообщение, которое направляется в 196-ю подсеть сети Internet. Подсеть 196, как видно из значения первого октета, относится к классу C. Допустим, 196-я сеть включает в себя ещё 10001 подсетей, но рассматриваемое сообще­ние высылается в 75-ю подсеть сети 196. Пусть сеть 75, в свою очередь содержит 255 бо­лее мелких подсетей, но сообщение будет направлено в 100-ю подсеть. Ну и, наконец, к 102-й сети подключено 50 компьютеров. Исходя из рассматриваемого IP-адреса, сообще­ние получит машина, имеющая в этой сетевой системе номер 11.

Поскольку количество сетей постоянно увеличивается, то возможностей 32­разрядной адресации уже недостаточно. Поэтому в качестве дополнительной меры ввели маску подсети — 32-разрядный код, добавляемый к адресу: Х.Х.Х.Х, и начали разработку нового протокола IPNG (Internet Protocol Next Generation), предполагающий переход на 128-разрядный адрес.