Протоколы arp, igp, egp, rtp, udp в стеке tcp/ip
В состав протокола IP входит ряд частных протоколов. Так, протоколы ARP, IGP, EGP относятся к маршрутизации на разных иерархических уровнях в архитектуре сети.
Протокол ARP (Address Resolution Protocol) относится к связям "хост-хост" или "хост-шлюз" в конкретной подсети. Он использует локальные ARP-таблицы, устанавливающие соответствие IPv4-адресов с MAC-адресами узлов в соответствующих подсетях. В подсетях не нужно рассчитывать кратчайший путь и определять маршрут в разветвленной сети, что, естественно, ускоряет доставку. ARP-таблицы имеются в каждом узле.
В TCP/IP входит также протокол UDP (User Datagram Protocol) — транспортный протокол без установления соединения, он значительно проще TCP, но используется чаще всего для сообщений, умещающихся в один пакет. После оформления UDP -пакета, он передается с помощью средств IP к адресату, который по заголовку IP-пакета определяет тип протокола и передает пакет не агенту TCP, а агенту UDP.
В UDP служебная часть дейтаграммы короче, чем в TCP (8 байт вместо 20), не требуется предварительного установления соединения или подтверждения правильности передачи, как это делается в TCP, что и обеспечивает большую скорость за счет снижения надежности доставки.
На одном уровне с IP находится протокол управления ICMP (Internet Control Message Protocol). Управление внешними потоками (доступом) реализуется путем предоставления приоритета внутренним потокам перед внешними, ограничением числа пакетов в сети (пакет принимается, если у узла есть соответствующее разрешение), посылкой предупредительных пакетов-заглушек в адрес источника от которого идут пакеты в перегруженную линию связи. ICMP-пакеты вкладываются в IP-дейтаграммы при доставке.
Протокол RTP — транспортный протокол реального времени, используемый вместо протокола TCP, например, для передачи видео, поскольку TCP не обеспечивает синхронности передачи компонентов видео.
Протокол FTP. В сети Internet для файлового обмена используется прикладной протокол FTP. В отличие от протоколов HTTP или электронной почты протокол FTP рассчитан на двусторонний обмен файлами. Доступ к файлам большинства серверов разрешен только определенному кругу пользователей Internet. Иногда условием получения прав доступа является лишь предварительная регистрация пользователя, в других случаях нужно знать пароль. Но имеются также общедоступные (анонимные) серверы,(торренты) обслуживаемые организациями, заинтересованными в распространении информации определенного вида.
После выполнения команды обращения к серверу FTP-клиент переходит в командный режим. Каждый обмен порождает два процесса. Управляющий (командный) процесс инициирован во время всего сеанса связи и осуществляется через протокол Telnet, а процесс передачи файла — только на время передачи. Номера протокольных портов сервера 20 и 21, у клиента могут быть различные номера портов, в том числе несколько одновременно. Для одновременного обслуживания нескольких клиентов создаются копии программного обеспечения FTP-процессов в сервере и у клиентов.
К командам протокола FTP относятся: вход в FTP-режим, выход из FTP-режима, установка типа передаваемых файлов (текстовый или двоичный), выбор или создание каталога на сервере, выбор локального каталога, загрузка файлов на локальный компьютер и выгрузка файлов на сервер (одиночная или групповая) и некоторые другие. Протокол FTP реализован в утилитах основных операционных систем и в популярных Web-браузерах.
Взаимодействие процессов в сетях TCP/IP Работа программного обеспечения (рис. ), реализующего взаимодействие процессов в сетях TCP/IP, кратко может быть охарактеризована следующим образом:
- при установлении соединения прикладной процесс в узле-отправителе получает номер порта от операционной системы и передает IP-имя получателя на уровень TCP. С помощью обращения к службе DNS IP-имя переводится в IP-адрес.
- на сетевом уровне IP-адрес должен быть переведен в MAC-адрес. Для этого используется ARP-таблица отправителя. Если в таблице есть строка с данным IP-адресом, то формируется заголовок пакета и дейтаграмма отправляется в сеть. Если искомой строки в таблице не оказалось, то отправитель формирует ARP-запрос, который широковещательно рассылается по сети. Получатель откликается на запрос, посылая ARP-ответ с указанием своего MAC-адреса. Если узла с запрошенным IP-адресом в данной сети нет, то пакет направляется по MAC-адресу порта маршрутизатора, который пересылает пакет с IP-адресом в следующую сеть и т.д., пока пакет не достигнет сети, в которой найдется MAC-адрес, соответствующий искомому IP-адресу.
Аналогичные действия выполняются при установлении обратного соединения. Во время установления соединений для каждого из них в конечных узлах (см. рис. 1) создается модуль TCP, обслуживающий соответствующий прикладной процесс. Передача пакетов по установленным соединениям происходит более быстро, так как теперь не нужно обращаться к DNS и использовать ARP-запросы.
Рис. Протоколы стека TCP/IP
Одной из причин малого числа каналов связи TCP/IP с непосредственным соединением было отсутствие стандартного протокола нижележащего уровня для передачи дейтаграмм через последовательные линии связи. Для разрешения этой проблемы и был разработан протокол PPP (Point-to-Point Protocol - протокол канала связи с непосредственным соединением).
PPP ( Point-to-Point Protocol) — двухточечный протокол канального уровня (Data Link) сетевой модели OSI. Обычно используется для установления прямой связи между двумя узлами сети, причем он может обеспечить полнодуплексное одновременное двунаправленное функционирование, аутентификацию соединения, шифрование и сжатие данных. Используется на многих типах физических сетей: нуль-модемный кабель(соединяет порты двух компьютеров), телефонная линия, сотовая связь и т. д. PPP представляет собой целое семейство протоколов: протокол управления линией связи (LCP), протокол управления сетью (NCP), протоколы аутентификации (PAP, CHAP), многоканальный протокол PPP (MLPPP).
Помимо решения задачи формирования стандартных пакетов данных IP для каналов с непосредственным соединением, РРР также должен был решить другие проблемы, в том числе присвоение и управление адресами IP, асинхронное (старт-стопное) и синхронное (бит-ориентированное) формирование пакета данных, конфигурацию канала связи, проверку его качества, обнаружение ошибок, согласование способа сжатия информации и т.д.
В РРР эти вопросы решаются путем использования протокола управления каналом LCP (Link Control Protocol) и семейства протоколов управления сетью NCP (Network Control Protocols), которые позволяют согласовывать необязательные параметры конфигурации и различные возможности. Сегодня PPP, помимо IP, используется и в других протоколах.
GPRS - протокол пакетной передачи данных в технологии мобильной связи GSM. GPRS поддерживает протоколы IP и PPP и позволяет пользователю мобильного телефона работать в Интернете и пересылать сообщения электронной почты. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (необязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка.
При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом незаметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP,HTTPS, SSL, POP3 и др.). Также при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).
Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом. Применение:
- Мобильный доступ в Интернет с приемлемой скоростью передачи данных, быстрым соединением и тарификацией по количеству переданных/полученных данных.
- Мобильный доступ сотрудников к корпоративным сетям, удалённым базам данных, почтовым и информационным серверам
- Телеметрия. Устройство может оставаться в подключённом состоянии, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга востребована службами охраны (сигнализация), банками и платёжными системами (установка банкоматов, терминалов оплаты услуг), в промышленности (датчики и счётчики различного рода, например по ходу нефте- и газопроводов).
Электронная почта (E-mail) — средство обмена сообщениями по электронным коммуникациям (в режиме off-line). Можно пересылать текстовые сообщения, архивированные и присоединенные файлы. В этих файлах могут содержаться данные (например, тексты программ, графические данные) в различных форматах. Разработан ряд альтернативных протоколов электронной почты для прикладного уровня, например протоколы SMTP в стеке протоколов TCP/IP и протокол X.400 в модели ISO. Наиболее широко используется протокол SMTP. Протокол SMTP служит для связей сервер-сервер, а связь индивидуальных пользователей с почтовым сервером осуществляется по протоколам IMAP или POP3. В протоколе IMAP (Internet Message Access Protocol) сначала клиенту передается заголовок, а текст остается на сервере, затем пользователь при желании может получить и весь текст. В протоколе POP3 при обращении к почтовому серверу на клиентский узел переписывается все сообщения.
Примером программы электронной почты, выполняющей все отмеченные функции E-mail, является Outlook Express. Она позволяет адресовать сообщения индивидуальному пользователю; на доску объявлений; на последовательный просмотр несколькими исполнителями с коррекции сообщения; осуществлять поиск сообщений, пришедших в почтовый сервер, по контексту, по адресу, по времени отправки. В большинстве современных корпоративных программных систем управления, проектирования, документооборота имеется интерфейс со средствами электронной почты, клиентские программы E-mail, как правило, включают в Web-браузеры сети Internet.
Сети X.25 относятся к первому поколению сетей коммутации пакетов. Протоколы X.25 разработаны ITU еще в 1974 г. В свое время они получили широкое распространение, а в России их популярность остается значительной до настоящего времени, поскольку эти сети хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях - канальном и сетевом. Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий.
1. Наличие в структуре сети специального устройства - PAD (Packet Assembler Disassembler) «Сборщик-разборщик пакетов», предназначенного для выполнения операции сборки нескольких низкоскоростных потоков байт от терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. К удаленному устройству PAD терминалы подключаются по асинхронному интерфейсу, обычно для этой цели используется интерфейс RS-232C. Один PAD обычно обеспечивает доступ для 8, 16 или 24 асинхронных терминалов. Устройства PAD часто используются для подключения к сетям Х.25 кассовых терминалов и банкоматов, имеющих асинхронный интерфейс RS-232.
2. Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.
3. Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети - сетевой уровень рассчитан на работу только с одним протоколом канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные сети. Сеть Х.25 состоит из коммутаторов (Switches, S), называемых также центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными каналами (рис. ). Выделенные каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Взаимодействие двух сетей Х.25 определяет стандарт Х.75.
Компьютеры и локальные сети обычно подключаются к сети Х.25 непосредственно через адаптер Х.25 или маршрутизатор, поддерживающий на своих интерфейсах протоколы Х.25. Для управления устройствами PAD в сети существует протокол Х.29, с помощью которого узел сети может управлять и конфигурировать PAD удаленно, по сети.
Структура сети Х.25
Стандарт X.25 относится к трем нижним уровням ЭМВОС, т.е. включает протоколы физического, канального и сетевого уровней. На сетевом уровне используется коммутация пакетов.
Характеристики сети:
- пакет размером до одного килобайта содержит адресную, управляющую, информационную и контрольную части, т.е. в его заголовке имеются флаг, адреса отправителя и получателя, тип кадра (служебный или информационный), номер кадра (используется для правильной сборки сообщения из пакетов);
- на канальном уровне применено оконное управление, размер окна задает число кадров, которые можно передать до получения подтверждения (это число равно 8 или 128);
- передача данных по виртуальным (логическим) каналам, т.е. это сети с установлением соединения;
- узлы на маршруте, обнаружив ошибку, ликвидируют ошибочный пакет и запрашивает повторную передачу пакета. В сетевом протоколе X.25 значительное внимание уделено контролю ошибок (в отличие, например, от протокола IP, в котором обеспечение надежности передается на транспортный уровень). Эта особенность приводит к уменьшению скорости передачи, т.е. сети X.25 низкоскоростные (обычно обеспечивается скорость 64 кбит/с), но зато эти сети можно реализовать на каналах связи с невысокой помехоустойчивостью. Контроль ошибок производится при инкапсуляции и восстановлении пакетов во всех коммутаторах, а не только в оконечном узле.
Типичная АКД в X.25 — синхронный модем с дуплексным бит-ориентированным протоколом. Скорости от 9,6 до 64 кбит/с. На физическом уровне для связи с цифровыми каналами передачи данных используется протокол X.21, а с аналоговыми каналами — протокол X.21bis.