7.7.Семейство протоколов tcp/ip

7.7.1.Структура протоколов tcp/ip

Термином TCP/IP называется целое семейство протоколов различного уровня. Сначала перечислим протоколы семейства.

• IP (Internet Protocol) – межсетевой протокол, давший название всему семейству;

• TCP (Transmission Control Protocol) - базовый транспортный протокол,

• UDP (User Datagram Protocol) - второй транспортный протокол, отличающийся от TCP;

• ARP (Address Resolution Protocol) - используется для определения соответствия IP-адресов и Ethernet-адресов;

• SLIP (Serial Line Internet Protocol) - протокол передачи данных по телефонным линиям;

• PPP (Point to Point Protocol) - протокол обмена данными "от точки к точке";

• FTP (File Transfer Protocol) - протокол обмена файлами;

• TELNET - протокол эмуляции виртуального терминала;

• RPC (Remote Process Control) - протокол управления удаленными процессами;

• TFTP (Trivial File Transfer Protocol) - тривиальный протокол передачи файлов;

• DNS (Domain Name System) - система доменных имен;

• RIP (Routing Information Protocol) - протокол маршрутизации;

• NFS (Network File System) - распределенная файловая система и система сетевой печати;

• SNMP (Simple Network ManagementProtocol) - простой протокол управления сетью.

К канальному уровню относятся стандарты SLIP и PPP. К сетевому (межсетевому) уровню относятся протоколы IP, ARP, ICMP. Транспортный уровень представлен протоколами TCP и UDP. Протоколы сервисов Интернета (FTP, TELNET, HTTP, GOPHER и т.п.) относятся к высшему, прикладному уровню.

В терминологии TCP/IP кадром называется блок данных, который принимается или отправляется сетевым адаптером. IP-пакетом называется блок данных, которым обменивается IP-модуль с сетевым интерфейсом. UDP-датаграмма – это блок данных, которым обменивается IP-модуль с UDP-модулем, TCP-сегмент – это блок данных, которым обменивается IP-модуль с TCP-модулем. Наконец, прикладное сообщение – это блок данных, которым обмениваются программы сетевых приложений с протоколами транспортного уровня.

Инкапсуляциией называется способ упаковки сообщения в формате одного протокола в сообщение в формате другого протокола более низкого уровня (например, упаковка IP-пакета в кадр Ethernet или упаковка TCP-сегмента в IP-пакет). В рамках межсетевого обмена понятие инкапсуляции имеет расширенный смысл. Если в случае инкапсуляции IP-пакета речь идет действительно об упаковке IP-пакета внутри кадра Ethernet, то при передаче данных по коммутируемым каналам происходит дальнейшая разбиение пакетов на SLIP-пакеты или фреймы PPP.

Пусть прикладная программа сформировала сообщение, которое предназначено для отправки на другой компьютер. Это сообщение передается на вход одного из сетевых модулей. Сетевой модуль обрабатывает сообщение, если надо, разделяет его на пакеты, присоединяет заголовки и, в зависимости от результатов обработки, передает полученные пакеты тому или иному модулю. Следующий модуль проделывает аналогичную процедуру и т.д. Заканчивается процесс тогда, когда очередной пакет поступает на вход модуля сетевой системы (например, модуля ENET системы Ethernet).

П

NFS-модуль

акеты всегда передаются от модуля высшего уровня к модулю низшего уровня. Модуль выполняет операцию одного из уровней и использует при этом определенный протокол. В результате можно изобразить структуру модулей (и соответственно, структуру протоколов) в форме схемы, изображенной на рис 2.

При работе с некоторыми программами прикладного уровня (такими, как FTP или telnet) используется модуль TCP. При работе с другими прикладными программами (NFS) используется модуль UDP. При получении сообщения от прикладной программы модули TCP и UDP работают как демультиплексоры, т.е. перенаправляют данные с нескольких выходов на один вход. Хотя технология Интернета поддерживает много различных сред передачи данных, здесь мы будем предполагать использование Ethernet, так как именно эта среда чаще всего служит физической основой для IP-сети.

Машина, принявшая пакет, осуществляет мультиплексирование в соответствии с этими отметками. Пусть сообщение пришло на сетевой интерфейс компьютера. Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в ARP-модуль, либо в IP-модуль. На то, куда должен быть направлен Ethernet-кадр, указывает значение поля типа в заголовке кадра. Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем “протокол” в заголовке IP-пакета. Если UDP-датаграмма попадает в модуль UDP, то на основании значения поля “порт” в заголовке датаграммы определяется прикладная программа, которой должно быть передано прикладное сообщение. Если TCP-сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, осуществляется на основе значения поля “порт” в заголовке TCP-пакета.

Машина может быть подключена одновременно к нескольким средам передачи данных. Для машин с несколькими сетевыми интерфейсами при отправлении пакета IP-модуль выполняет функции мультиплексора, так как он должен сделать выбор между несколькими сетевыми интерфейсами. Таким образом, он осуществляет мультиплексирование входных и выходных данных в обоих направлениях. Данные могут поступать через любой сетевой интерфейс и быть переданы через любой другой сетевой интерфейс.

Процесс получения пакета и немедленной передачи его в другую сеть называется ретрансляцией IP-пакета. Ретранслируемый пакет не передается модулям TCP или UDP. Некоторые шлюзы вообще могут не иметь модулей TCP и UDP.

Сначала попробуем разобраться, как устроены протоколы передачи данных. Удобнее вначале рассмотреть, как работает сетевой модуль при приеме сообщения. Уже было сказано ранее, что для этого модуля сообщение представляет собой информативную начальную часть – заголовок, содержательную среднюю часть, которая была инкапсулирована в данное сообщение и для данного модуля представляет собой черный ящик, и, быть может, информативную конечную часть – хвост сообщения. Работа модуля заключается в анализе заголовка и хвоста сообщения. Для этого прежде всего необходимо уметь выделять заголовок и хвост.

Тут может быть три способа. Либо все части сообщения имеют фиксированную заранее оговоренную длину, либо они будут выделены специальными маркерами, либо структура сообщения будет определяться в процессе анализа. Чаще всего используется последняя идея. Обычно протокол характеризуется набором полей, имеющих индивидуальную длину, измеряемую в байтах или битах. Однако заголовок конкретного сообщения не обязан включать все поля. Включение или невключение того или иного поля зависит от значения предшествующих полей заголовка. Протокол должен быть устроен таким образом, чтобы при последовательном просмотре сообщения для каждого текущего бита должно быть известно, к какому полю этот бит относится. Аналогично определяется начало содержательной части сообщения и хвост сообщения.

Проиллюстрируем сказанное на примере структуры IP-адреса, которая является частью протокола IP. Напомним, что IP-адрес узла идентифицирует сетевой адаптер, а не всю машину. IP-адрес имеет фиксированную длину, равную 4 байтам (32 битам). Старшие биты IP-адреса определяют номер IP-сети. Оставшаяся часть IP-адреса изображает внутренний номер узла в сети (хост-номер). Существуют 5 классов IP-адресов, отличающиеся количеством бит в сетевом номере и хост-номере. Класс адреса определяется значением старших битов первого байта . В таблице.1 приведены классы адресов и указано количество возможных IP-адресов каждого класса.

Класс

1-й байт

Значения первого байта

2-й байт

3-й байт

4-й байт

Возможное кол-во сетей

Возможное кол-во узлов

А

0 + номер сети

1 – 126

Узел

126

16777214

B

10 + начало номера сети

128 – 191

Сеть

Узел

16382

65534

C

110 + начало номера сети

192 – 223

Сеть

Узел

2097150

254

D

1110 + начало номера группы

224 – 239

Группа

-

218

E

11100

240 – 247

Зарезервировано

Табл.1. Характеристики классов IP-адресов

Например, для машины с IP-адресом 221.137.10.34 сетевой номер равен 221.137.10, а хост-номер равен 34. Число 221 – это содержимое первого байта. Оно попадает в диапазон 192-223, поэтому данный IP-адрес относится к классу C. Числа 137 и 10 – соответственно содержимое второго и третьего байтов IP-адреса.

Адреса класса A предназначены для использования в больших сетях общего пользования. Они допускают большое количество номеров узлов. Адреса класса B используются в сетях среднего размера, например, сетях университетов и крупных компаний. Адреса класса C используются в сетях с небольшим числом компьютеров. Адреса класса D используются при обращениях к группам машин, а адреса класса E зарезервированы на будущее.