Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:49, 28 января 2017.

NUMBEREDHEADINGS__

Стек протоколов ТСР/IP

IP-сеть

IP-сеть (какой является Интернет) отличается от глобальных сетей тем, что является составной сетью из подсетей, число которых измеряется тысячами. Для Интернета характерно использование стека протоколов не эталонной модели OSI, а эталонной модели TCP/IP . На рис. 1 представлен стек протоколов TCP/IP и его соответствие уровням модели OSI. Отличительной особенностью TCP/IP является также то, что IP-пакеты могут передаваться с использованием различных технологий составных сетей, в том числе посредством уже рассмотренных глобальных сетей Х.25, FR и ATM, которые являются самостоятельными со своими протоколами, адресацией и др. Другой особенностью является то, что эталонная модель TCP/IP в отличие от эталонной модели OSI была разработана под конкретную составную сеть (интерсеть или internet). Подсети, составляющую эту составную сеть, соединяются между собой маршрутизаторами. Такими подсетями могут быть как локальные, так и глобальные сети различных технологий.

Прикладной уровень стека TCP/IP (уровень 4) соответствует трём верхним уровням модели OSI. К протоколам прикладного уровня относятся протокол переноса файлов (FTP); протокол электронной почты (SMTP); протокол, используемый для создания страниц во всемирной паутине WWW (HTTP) - основа для доступа к связанным между собой документам; протокол преобразования (DNS) текстовых имен в сетевые IP-адреса, простой протокол сетевого управления (SNMP), протоколы соответственно сигнализации и передачи данных (SIP, RTP/RTCP) в IP-телефонии или речь поверх IP (VoIP-Voice over IP) и др. К протоколам прикладного уровня относятся также протоколы информационной безопасности Kerberos, PGP, SET и др.

Рис. 1. Стек протоколов TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP

Транспортный уровень стека TCP/IP (уровень 3) обеспечивает передачу данных между прикладными процессами. Транспортный уровень включает два протокола TCP и UDP. Протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) является надёжным протоколом с установлением соединения, позволяющим управлять потоком, т.е. без ошибок доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину составной сети. Для того чтобы обеспечить надёжную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения. Это позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню в том порядке, в котором они были отправлены. Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются в виде множества очередей к точкам входа прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие очереди, однозначно определяющие приложение в пределах хоста, называется портами. За портами каждого стандартного приложения определён номер например, порт TCP № 21 - за протоколом передачи файла FTP (File Transport Protocol). Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного узла имеет название сокет (socket). Каждое логическое соединение идентифицируется парой сокетов взаимодействующих процессов. Второй протокол транспортного уровня -протокол пользователей дейтаграмм UDP (User Data Protocol) является простейшим дейтаграммным протоколом (т.е. без установления соединения). К протоколу транспортного уровня относится протокол информационной безопасности SSL/TLS. Протоколы прикладного и транспортного уровней стека уровней TCP/IP устанавливаются на оконечных станциях (хостах) сети.

Межсетевой уровень стека TCP/IP

Межсетевой уровень стека TCP/IP (уровень 2) , называемый также сетевым уровнем (по модели OSI), является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перенос пакетов данных в пределах всей составной сети. Протоколы межсетевого уровня поддерживают интерфейсы с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети. Основным протоколом межсетевого уровня является межсетевой протокол IP (Internet Protocol). Он обеспечивает продвижение пакета между подсетями - от одного пограничного маршрутизатора до другого, до тех пор, пока пакет не попадёт в сеть назначения. Протокол IP так же, как и протоколы функций коммутации глобальных сетей связи (FR, ATM и др.), устанавливается не только на оконечных пунктах (хостах), но и на всех маршрутизаторах сети. Маршрутизатор представляет собой процессор, который связывает между собой две сети (подсети). Протокол межсетевого уровня работает в режиме без установления соединения (дейтаграммный режим), в соответствии с которым он не отвечает за доставку пакета до узла назначения. При потере пакета в сети протокол IP не пытается восстановить его.

В заголовке IP-пакета содержится IP-адрес отправителя и получателя - по 4 байта каждый. К межсетевому уровню относятся также протоколы, выполняющие функции составления и коррекции таблиц маршрутизации RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). К протоколу сетевого уровня относится протокол информационной безопасности IPSec. Уровень сетевого доступа стека TCP/IP (уровень 1) отвечает за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей составной сети. Перемещение пакета можно рассматривать как последовательность «прыжков» от одного маршрутизатора к другому. На очередном маршрутизаторе на сетевом уровне определяется сетевой адрес следующего по маршруту маршрутизатора. Чтобы передать пакет IP этому маршрутизатору, надо перенести его через некоторую подсеть. Для этого необходимо использовать транспортные средства этой подсети. Задача уровня сетевого доступа сводится к инкапсуляции (вложению) пакета в блок данных этой промежуточной сети и в преобразовании сетевых адресов граничных маршрутизаторов этой подсети в новый тип адреса, принятой в технологии промежуточной сети.

Пример переноса данных в IP-сети

На примере IP-сети (рис. 2) покажем перенос данных оконечной станции А локальной вычислительной сети (подсети) Ethernet в оконечную станцию В сети (подсети) АТМ. Как видно из рисунка в эту составную сеть еще входит сеть (подсеть) Frame Relay. В основу приведенного упрощенного описания положен пример межсетевого взаимодействия сетей Ethernet и АТМ, приведенный в работе . Дополнительно в эту составную сеть введена сеть (подсеть) Frame Relay. Принцип маршрутизации и краткое описание протоколов маршрутизации в сети Интернет приведены в следующей главе. Для того, чтобы технология TCP/IP могла решать задачу объединения сетей, ей необходима собственная глобальная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях. Таким адресом является IP-адрес, состоящий из адреса подсети (префикса) и адреса оконечного устройства (хоста). Приведем пример адресации подсети и хоста. IP-адрес 200.15.45.126/25 означает, что 25 старших бит из выделенных 4-х байт под адресацию являются адресом подсети, а оставшиеся 7 бит означают адрес хоста в этой сети.

Как видно из предыдущих глав, глобальные сети Frame Relay и АТМ имеют различные системы нумерации, которые отличаются от системы нумерации локальной вычислительной сети (ЛВС) технологии Ethernet. Каждый компьютер Ethernet имеет уникальный физический адрес, состоящий из 48 бит. Этот адрес называется МАС-адресом и относится к канальному уровню - управлению доступом к среде MAC (Media Access Control). Для организации межсетевого взаимодействия подсетей различной технологии и адресации используются маршрутизаторы, включающие IP-пакеты. В состав этих пакетов входят глобальные IP-адреса. Каждый интерфейс маршрутизатора IP-сети и оконечного устройства включает два адреса – локальный адрес оконечного устройства подсети и IP-адрес.

Рис. 2. Пример взаимодействия двух устройств

Рассмотрим продвижение IP-пакета в сети (рис. 2).

Протоколы TCP/IP

Ниже приводится краткое описание протокола прикладного уровня SNMP и протокола транспортного уровня TCP архитектуры TCP/IP.

Протокол прикладного уровня SNMP

Большие сети не могут быть настроены и управляться вручную в плане изменения конфигурации сети, устранения неисправности в сети, сбора параметров о качестве обслуживания. Если в сети используется оборудование разных производителей, необходимость таких средств становится особенно необходимой. В связи с этим были разработаны стандарты сетевого управления. Одним из наиболее широко используемых является простой протокол управления сетью SNMP (Simple Network Management Protocol) . Приведем краткие сведения об архитектуре сетевого управления. Система сетевого управления включает инструментальные средства для решения задач управления. При этом необходимо использование уже имеющегося оборудования путем внедрения в него дополнительных аппаратных и программных средств для управления сетью. Это программное обеспечение размещается в хостах, коммуникационных процессорах и других устройствах сети. Модель сетевого управления, используемая для SNMP состоит из следующих элементов:

станция управления, выполняющая роль интерфейса между сетевым администратором и системой сетевого управления. Станция управления позволяет осуществить мониторинг сети и управление сетью. В этой станции имеется база данных с информацией, полученной из информационных баз всех управляемых объектов сети;
агент управления (хосты, коммутаторы и др.), которые отвечают на запросы от станции управления. Агент обеспечивает информацией станцию и без запроса;
агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств.

Станция управления и агенты взаимодействуют по протоколу SNMP. Так как управление сетью задача многоцелевая, приведем некоторые возможности использования протокола SNMP в сети Frame Relay . Агент поддерживает базу данных, именуемую MIB (база управляющей информации, Management Information Base), в которой записаны конфигурация, характеристики и состояние устройств. Форум Frame Relay стандартизировал MIB для устройств Frame Relay. В большинстве служб Frame Relay провайдер собирает информации от агентов SNMP в каждом коммутаторе FR и записывает ее в центральную базу MIB для общего пользования. Тем самым пользователю предоставляется единый источник статистической информации обо всех соединениях виртуальных каналов сети. Это дает возможность отследить свои потоки данных в сети провайдера от коммутатора к коммутатору. Можно использовать SNMP для сбора статистики и аварийных сообщений от собственного оборудования, подключенного к сети FR. Для этого приходится работать с множеством MIB. Для сбора данных на основе SNMP можно использовать виртуальный канал FR.

SNMP может управлять конфигурацией сети. Для сети FR это касается как физической, так и логической конфигурации сети, включая установление адресации, определение DLCI, назначение полосы пропускания для PVC. SNMP может управлять устранением неисправностей в сети при получении системой управления аварийных сообщений от агента сетевого устройства.

Обеспечение информационной безопасности протокола SNMP

В документе RFC 2574 определяется модель USM (User Security Model – модель защиты пользователя) при использовании протокола SNMP. USM разрабатывалась с целью защиты от угроз следующих типов.

Модификация информации. По пути следования сообщения, сгенерированного авторизованным объектом, некоторый другой объект может изменить это сообщение, чтобы выполнить несанкционированные операции управления (например, установив соответствующие значения объекта управления). Суть угрозы заключается в том, что несанкционированный объект может изменить любые параметры управления, включая параметры конфигурации, выполняемых действий и контроля.
Имитация. Объект может пытаться выполнить не разрешенные для него операции управления, отождествляя данный объект с некоторым авторизованным объектом.
Модификация потока сообщений. Протокол SNMP предназначен для работы над транспортным протоколом, не предполагающим установку соединений. Существует угроза переупорядочения, задержки или воспроизведения (дублирования) сообщений SNMP для несанкционированного управления. Например, можно скопировать и впоследствии воспроизвести сообщение, вызывающее перезапуск устройства.
Разглашение информации. Наблюдая за потоком обмена данными между администратором и агентом, объект может выяснить значения управляемых объектов и распознать подлежащие регистрации события. Например, наблюдение за набором команд, изменяющих пароли, может позволить атакующему узнать новые пароли.

Протокол транспортного уровня TCP

Протокол транспортного уровня TCP выполняет функцию управления потоками между оконечными пунктами, так как уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм. Дейтаграммы с уровня IP могут прибывать в неправильном порядке. Восстанавливает сообщения из таких дейтаграмм протокол TCP, обеспечивая этим надежный режим установленного соединения с низкой вероятностью потери пакета. Механизм управления потоками, используемый ТСP, отличается от механизма восстановления правильной последовательности кадров в Х.25 и называется схемой кредитов. В этой схеме считается, что каждый передаваемый байт данных имеет порядковый номер. Границы между сообщениями не сохраняются. Например, если отправляющий прикладной процесс записывает в ТСP-поток четыре 512-байтовые порции данных, эти данные могут быть доставлены получающему процессу в виде четырех 512-байтовых порций, либо двух 1024-байтовых порций, либо одной 2048-байтовой порции. Каждая протокольная единица PDU TCP называется сегментом TCP и включает в заголовок сегмента порт источника данных и порт получателя. Значения портов идентифицируют соответствующих пользователей (приложения) двух объектов TCP.

Логическая связь относится именно к данной паре значения портов. В процессе связи каждый объект отслеживает сегменты TCP, получаемые от другой стороны или отправленные другой стороне, для того, чтобы регулировать поток сегментов и восстанавливать утерянные или поврежденные сегменты. Стандартный номер порта однозначно идентифицирует тип приложения, однако он не может однозначно идентифицировать прикладной процесс этого приложения. Одно приложение может одновременно осуществлять несколько процессов. Поэтому прикладной процесс однозначно определяется в пределах сети и в пределах отдельного компьютера парой (IP-адрес, номер порта) и называется сокетом (socket). Логическое TCP-соединение однозначно идентифицируется парой сокетов, определенных для этого соединения двумя взаимодействующими сокетами.

При работе на хост-отправителе протокол TCP рассматривает информацию, поступающую к нему от уровня приложений, как неструктурированный поток байтов. Эти данные буферируются средствами TCP. На уровень IP из буфера «вырезаются» сегменты, к которым добавляются заголовки. В состав заголовка входят сегменты SYN и ACK, служащие для установления TCP-соединения.

Для передачи сегмента данных имеются три поля, связанные с управлением потоком (восстановлением целостности принятого сообщения): порядковый номер (SN), номер подтверждения (AN) и окно (W) .Когда транспортный объект отправляет сегмент, он помещает в поле данных сегмента порядковый номер первого байта. Принимающий объект подтверждает получение сегмента с помощью обратного сегмента, в котором (АN=i, W=j), что означает:

все байты до SN=i-1 подтверждены. Следующий ожидаемый байт имеет номер АN=i.
разрешается отправить дополнительное окно из W=j байт данных, т.е. байты от I до i+j-1.

Таким образом, протокол TCP обеспечивает надежную доставку сообщений, поступающих из сети от ненадежного дейтаграммного протокола на межсетевом уровне. В сети Х.25 функцию надежной доставки выполняет канальный уровень модели OSI, который был подробно рассмотрен в предыдущих главах, а в сети Frame Relay эту функцию выполняет протокол ITU-T Q.921.

Интернет – глобальная система взаимосвязанных компьютерных, локальных и других сетей, которые взаимодействуют друг с другом посредством стека протоколов TCP/IP (рис. 1.).

Рисунок 1 – Обобщенная схема сети Интернет

Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к нему. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.

Основные ячейки Интернета – локальные вычислительные сети (LAN – Local Area network). Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Интернету, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к нему. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету. Они называются хост-компьютерами (host – хозяин).

Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.

Важной особенностью сети Интернет является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны.

Еще одной отличительной особенностью Интернета является высокая надежность. При выходе из строя части компьютеров и линий связи сеть будет продолжать функционировать. Такая надежность обеспечивается тем, что в Интернете нет единого центра управления. Если выходят из строя некоторые линии связи или компьютеры, то сообщения могут быть переданы по другим линиям связи, так как всегда имеется несколько путей передачи информации.

Интернет не является коммерческой организацией и никому не принадлежит. Пользователи Интернета имеются практически во всех странах мира.

Пользователи подключаются к сети через компьютеры специальных организаций, которые называются поставщиками услуг Интернета. Соединение с Интернетом может быть постоянным или временным. Поставщики услуг Интернета имеют множество линий для подключения пользователей и высокоскоростные линии для связи с остальной частью Интернета. Часто мелкие поставщики подключены к более крупным, которые, в свою очередь, подключены к другим поставщикам.

Организации, соединенные друг с другом самыми скоростными линиями связи, образуют базовую часть сети, или хребет Интернета Backbon [Бэкбон]. Если поставщик подключен непосредственно к хребту, то скорость передачи информации будет максимальной.

В действительности разница между пользователями и поставщиками услуг Интернета достаточно условна. Любой человек, подключивший свой компьютер или свою локальную вычислительную сеть к Интернету и установивший необходимые программы, может предоставлять услуги подключения к сети другим пользователям. Одиночный пользователь, в принципе, может подключиться скоростной линией непосредственно к хребту Интернета.

В общем случае, Интернет осуществляет обмен информацией между любыми двумя компьютерами, подключенными к сети. Компьютеры, подключенные к Интернету, часто называютузлами Интернета, или сайтами, от английского слова site, которое переводится как место, местонахождение. Узлы, установленные у поставщиков услуг Интернета, обеспечивают доступ пользователей к Интернету. Существуют также узлы, специализирующиеся на предоставлении информации. Например, многие фирмы создают узлы в Интернете, с помощью которых они распространяют информацию о своих товарах и услугах.

Как же осуществляется передача информации? В Интернете используются два основных понятия: адрес и протокол . Свой уникальный адрес имеет любой компьютер, подключенный к Интернету. Так же, как почтовый адрес однозначно определяет местонахождение человека, адрес в Интернете однозначно определяет местонахождение компьютера в сети. Адреса в Интернете являются важнейшей его частью, и ниже о них будет подробно рассказано.

Данные, пересылаемые с одного компьютера на другой с использованием Интернета, разбивается на пакеты. Они перемещаются между компьютерами, составляющими узлы сети. Пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Каждый пакет имеет свою маркировку, что обеспечивает правильную сборку документа на компьютере, которому адресовано сообщение.

Что такое протокол? Как ранее было сказано, протокол - это правила взаимодействия. Например, дипломатический протокол предписывает, как поступать при встрече зарубежных гостей или при проведении приема. Так же сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Стандартные протоколы заставляют разные компьютеры "говорить на одном языке". Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернету разнотипных компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.

Базовыми протоколами Интернета является стек протоколов TCP/IP. Прежде всего требуется уточнить, что, в техническом понимании TCP/IP - это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях сетевой модели (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP - протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача данных. Протокол IP - адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.

Протокол TCP. Согласно Протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.

Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке, когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество ТСР-пакетов от многочисленных клиентов.

Когда мы работаем в Интернете, то по одной единственной телефонной линии можем одновременно принимать документы из Америки, Австралии и Европы. Пакеты каждого из документов поступают порознь, с разделением во времени, и по мере поступления собираются в разные документы.

Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (Internet Protocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто - четырьмя числами, например: 195.38.46.11. Структуру IP-адреса мы подробнее рассмотрим позже. Она организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа перебросок ТСР-пакет достигает адресата.

Слово «ближе» взято в кавычки не случайно. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства - маршрутизаторы. Роль маршрутизаторов в сети обычно выполняют специализированные компьютеры, но это могут быть и специальные программы, работающие на узловых серверах сети.

Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP - набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.

Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack , стопка) - это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

прикладной уровень (application layer),
транспортный уровень (transport layer),
сетевой уровень (internet layer),
канальный уровень (link layer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI (таблица 1). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Таблица 1 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI

Прикладной уровень

На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений.

Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

TCP (IP идентификатор 6) - «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий - транспортный - уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число - уникальный IP-номер протокола . ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

Канальный уровень

Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

Примеры протоколов канального уровня - Ethernet, Wi-Fi, Frame Relay, Token Ring, ATM и др.

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.

Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

Инкапсуляция

Инкапсуляция – упаковка, или вложение, пакетов высокого уровня (возможно, разного протокола) в пакеты одного протокола (нижнего уровня), включая адрес.

Например, когда приложению требуется послать сообщение с помощью TCP, то производится следующая последовательность действий (рис. 2):

Рисунок 2 – Процесс инкапсуляции

в первую очередь, приложение заполняет специальную структуру данных, в которой указывает информацию о получателе (сетевой протокол, IP-адрес, порт TCP);
передаёт сообщение, его длину и структуру с информацией о получателе обработчику протокола TCP (транспортный уровень);
обработчик TCP формирует сегмент, в котором в качестве данных выступает сообщение, а в заголовках находится TCP-порт получателя (а также другие данные);
обработчик TCP передаёт сформированный сегмент обработчику IP (сетевой уровень);
обработчик IP рассматривает переданный TCP сегмент как данные и предваряет их своим заголовком (в котором, в частности, находится IP-адрес получателя, взятый из той же структуры данных приложения, и номер верхнего протокола;
полученный пакет обработчик IP передаёт на канальный уровень, который опять-таки рассматривает данный пакет как «сырые» данные;
обработчик канального уровня, аналогично предыдущим обработчикам, добавляет в начало свой заголовок (в котором так же указывается номер протокола верхнего уровня, в нашем случае это 0x0800(IP)) и, в большинстве случаев, добавляет конечную контрольную сумму, тем самым формируя кадр;
далее полученный кадр передаётся на физический уровень, который осуществляет преобразование битов в электрические или оптические сигналы и посылает их в среду передачи.

На стороне получателя для распаковки данных и предоставления их приложению производится обратный процесс (снизу вверх), называемый декапсуляцией.

Похожая информация.

Лекция 3. Стек TCP/IP. Базовые протоколы TCP/IP

Протокол TCP/IP является базовым транспортным сетевым прото- колом. Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие.

Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных пакетных подсетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут обмениваться пакетами.

Стек протоколов TCP/IP имеет четыре уровня (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Стек TCP/IP

Уровень IV соответствует уровню доступа к сети, который работает на основе стандартных протоколах физического и канального уровня, таких, как Ethernet, Token Ring, SLIP, PPP и других. Протоколы этого уровня отвечают за пакетную передачу данных в сети на уровне аппаратных средств.

Уровень III обеспечивает межсетевое взаимодействие при передаче пакетов данных из одной подсети в другую. При этом работает протокол IP.

Уровень II является основным и работает на базе протокола управления передачей TCP. Этот протокол необходим для надежной передачи сообщений между размещенными на разных машинах прикладными программами за счет образования виртуальных соединений между ними.

Уровень I – прикладной. Стек TCP/IP существует давно и он включает в себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня (протокол передачи файлов FTP, протокол Telnet, протокол Gopher для доступа к ресурсам всемирного пространства GopherSpace, самый известный протокол HTTP для доступа к удаленным гипертекстовым базам данных во всемирный паутине и др.).

Все протоколы стека можно разделить на две группы: протоколы передачи данных, передающие полезные данные между двумя сторонами; служебные протоколы, необходимые для корректной работы сети.

Служебные протоколы обязательно используют какой-либо протокол передачи данных. Например, служебный протокол ICMP использует протокол IP. Интернет – совокупность всех связных компьютерных сетей, использующих протоколы стека TCP/IP.

Функции транспортного уровня. Протоколы TCP, UDP.

Четвертый уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Транспортным уровнем предоставляются следующие виды услуг:

– установление транспортного соединения;

– передача данных;

– разрыв транспортного соединения.

Функции, выполняемые транспортным уровнем:

– преобразование транспортного адреса в сетевой;

– мультиплексирование транспортных соединений в сетевые;

– установление и разрыв транспортных соединений;

– упорядочивание блоков данных по отдельным соединениям;

– обнаружение ошибок и необходимый контроль за качеством услуг;

– восстановление после ошибок;

– сегментирование, объединение и сцепление;

– управление потоком данных по отдельным соединениям;

– супервизорные функции;

– передача срочных транспортных блоков данных.

Протокол управления передачей TCP предоставляет надежную службу доставки пакетов, ориентированную на установление соединения.

Протокол TCP:

– гарантирует доставку IP-датаграмм;

– выполняет разбиение на сегменты и сборку больших блоков данных, отправляемых программами;

– обеспечивает доставку сегментов данных в нужном порядке;

– выполняет проверку целостности переданных данных с помощью контрольной суммы;

– посылает положительные подтверждения, если данные получены успешно. Используя избирательные подтверждения, можно также посылать отрицательные подтверждения для данных, которые не были получены;

– предлагает предпочтительный транспорт для программ, которым требуется надежная передача данных с установлением сеанса связи, например для баз данных «клиент-сервер» и программ электронной почты.

TCP основан на связи «точка – точка» между двумя узлами сети. TCP получает данные от программ и обрабатывает их как поток байтов. Байты группируются в сегменты, которым TCP присваивает последовательные номера, необходимые для правильной сборки сегментов на узле-приемнике.

Чтобы два узла TCP могли обмениваться данными, им нужно сначала установить сеанс связи друг с другом. Сеанс TCP инициализируется с помощью процесса, называемого трехэтапным установлением связи, котором синхронизируются номера последовательности и передается управляющая информация, необходимая для установления виртуального соединения между узлами. По завершении этого процесса установления связи начинается пересылка и подтверждение пакетов в последовательном порядке между этими узлами. Аналогичный процесс используется TCP перед прекращением соединения для того, чтобы убедиться, что оба узла закончили передачу и прием данных (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Формат заголовка сегмента TCP

Поля порт источника и порт получателя занимают по 2 байта и идентифицируют процесс-отправитель процесс-получатель. Поля порядковый номер и номер подтверждения (длины по 4 байта) нумеруют каждый отправленный или полученный байт данных. Реализуются как целые числа без знака, которые сбрасываются, когда достигают максимального значения. Каждая сторона ведет собственную порядковую нумерацию. Поле длина заголовка занимает 4 бита и представляет собой длину заголовка TCP-сегмента, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле параметры. Поле резерв занимает 6 бит. Поле флаги занимает 6 бит и содержит шесть 1-битовых флагов:

– флаг URG (Urgent Pointer – указатель точности) устанавливается в 1 в случае использования поля указатель на срочные данные;

– флаг ACK (Acknowledgment – подтверждение) устанавливается в 1 в случае, если поле номер подтверждения содержит данные. В противном случае это поле игнорируется;

– флаг PSH (Push – выталкивание) означает, что принимающий стек TCP должен немедленно информировать приложение о поступивших данных, а не ждать пока буфер заполнится;

– флаг RST (Reset – сброс) используется для отмены соединения: из-за ошибки приложения, отказа от неверного сегмента, попытки создать соединение при отсутствии затребованного сервиса;

– флаг SYN (Synchronize – синхронизация) устанавливается при инициировании соединения и синхронизации порядкового номера;

– флаг FIN (Finished – завершение) используется для разрыва соединения. Он указывает, что отправитель закончил передачу данных.

Поле размер окна (длина 2 байта) содержит количество байт, которое может быть послано после байта, получение которого уже подтверждено. Поле контрольная сумма (длина 2 байта) служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений поле контрольная сумма устанавливается равным нулю, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы.

Протокол UDP, являясь дейтаграммным протоколом, реализует сервис по возможности, то есть не гарантирует доставку своих сообщений, а, следовательно, никоим образом не компенсирует ненадежность дейтаграммного протокола IP. Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой. Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользовательское сообщение. Это приводит к ограничению: длина дейтаграммы UDP не может превышать длины поля данных протокола IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если UDP-буфер переполняется, то данные приложения отбрасываются. Заголовок UDP-пакета, состоящий из четырех 2-байтовых полей, содержит поля порт источника, порт получателя, длина UDP и контрольная сумма (рисунок 3.3).

Поля порт источника и порт получателя идентифицируют передающий и получающий процессы. Поле длина UDP содержит длину пакета UDP в байтах. Поле контрольная сумма содержит контрольную сумму пакета UDP, вычисляемую по всему пакету UDP с добавленным псевдозаголовком.

Рисунок 3.3 – Формат заголовка пакета UDP

Основная литература: 2

Дополнительная литература: 7

Контрольные вопросы:

1. Каким протоколом в OSI является TCP/IP?

2. Для чего предназначена архитектура протоколов TCP/IP?

3. Какие уровни имеет стек TCP/IP?

4. Какие функции выполняет протокол управления передачей TCP?

5. Какие отличия существуют между протоколами TCP и UDP?

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) представляет собой стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и других подобных сетей (например, данный протокол используется и в ЛВС). Название TCP/IP произошло от двух наиболее важных протоколов:

IP (интернет протокол) - отвечает за передачу пакета данных от узла к узлу. IP пересылает каждый пакет на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-адрес).
TCP (протокол управления передачей) - отвечает за проверку корректной доставки данных от клиента к серверу. Данные могут быть потеряны в промежуточной сети. TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных данных и, как следствие, возможность запросить повторную передачу, до тех пор, пока данные корректно и полностью не будут получены.

Основные характеристики TCP/IP:

Стандартизованные протоколы высокого уровня, используемые для хорошо известных пользовательских сервисов.
Используются открытые стандарты протоколов, что дает возможность разрабатывать и дорабатывать стандарты независимо от программного и аппаратного обеспечения;
Система уникальной адресации;
Независимость от используемого физического канала связи;

Принцип работы стека протоколов TCP/IP такой же как и в модели OSI, данные верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней.

Если пакет продвигается по уровню сверху вниз - на каждом уровне добавляется к пакету служебная информация в виде заголовка и возможно трейлера (информации помещенной в конец сообщения). Этот процесс называется . Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере. Ее формат и интерпретация определяются протоколами данного уровня.

Если пакет продвигается по уровню снизу вверх - он разделяется на заголовок и данные. Анализируется заголовок пакета, выделяется служебная информация и в соответствии с ней данные перенаправляются к одному из объектов вышестоящего уровня. Вышестоящий уровень, в свою очередь, анализирует эти данные и также их разделяет их на заголовок и данные, далее анализируется заголовок и выделяется служебная информация и данные для вышестоящего уровня. Процедура повторяется заново пока пользовательские данные, освобожденные от всей служебной информации, не дойдут до прикладного уровня.

Не исключено, что пакет так и не дойдет до прикладного уровня. В частности, если компьютер работает в роли промежуточной станции на пути между отправителем и получателем, тогда объект, на соответствующем уровне, при анализе служебной информации определит, что пакет на этом уровня адресован не ему, в следствии чего, объект проведет необходимые мероприятия для перенаправления пакета к пункту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке. Но так или иначе не будет осуществлять продвижение данных на верхний уровень.

Пример инкапсуляции можно представить следующим образом:

Рассмотрим каждые функции уровней

Прикладной уровень

Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции представительного уровня и частично сеансового уровня модели OSI.

Распространенными примерами приложений являются программы:

Telnet
HTTP
Протоколы электронной почты (SMTP, POP3)

Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного модуля.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных меду двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные, с помощью транспортного уровня идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта.

Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняется номером порта. Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя по какому из прикладных процессов направленны данные и передает эти данные к соответствующему прикладному процессу.

Номер порта получателя и отправителя записывается в заголовок транспортным модулем отправляющим данные. Заголовок транспортного уровня содержит также и некоторую другую служебную информацию, и формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

Средства транспортного уровня представляют собой функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи:

обеспечение доставки данных между конкретными программами, функционирующими, в общем случае, на разных узлах сети;
обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера.

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола – UDP , обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами, и TCP , обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения.

Сетевой (межсетевой) уровень

Основным протоколом этого уровня является протокол IP, который доставляет блоки данных (дейтаграммы) от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-х битным идентификатором компьютера, точнее его сетевого интерфейса. Данные для дейтаграммы передаются IP модулю транспортным уровнем. IP модуль добавляет к этим данным заголовок, содержащий IP-адрес отправителя и получателя, и другую служебную информацию.

Таким образом, сформированная дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи, для отправки по каналу передачи данных.

Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом, часто чтобы передать дейтаграмму по назначению требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или ному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.

Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP адрес назначения, если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня, если же адрес назначения дейтаграммы чужой, то модуль IP может принять два решения:

Уничтожит дейтаграмму;
Отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования, так поступают промежуточные станции – маршрутизаторы .

Также может потребоваться на границе сетей, с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать их в единое целое на компьютере получателя. Это также задача протокола IP.

Также протокол IP может отправлять сообщения – уведомления с помощью протокола ICMP , например, в случае уничтожения дейтаграммы. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения или доставки, предварительного соединения в протоколе нет, эти задачи возложены на транспортный уровень.

Уровень доступа к среде

Функции этого уровня следующие:

Отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол ARP ;
Инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров, при этом не требуется какого-либо контроля безошибочной передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису SAP, это поле содержащее код протокола;
Определение метода доступа к среде передачи, т.е. способа, с помощью которого компьютеры устанавливает свое право на передачу данных;
Определение представления данных в физической среде;
Пересылка и прием кадра.

Рассмотрим инкапсуляцию на примере перехвата пакета протокола HTTP с помощью сниффера wireshark, который работает на прикладном уровне протокола TCP/IP:

Помимо самого перехваченного протокола HTTP, на основании стека TCP/IP сниффер описывает каждый нижележащий уровень. HTTP инкапсулируется в TCP, протокол TCP в IPv4, IPv4 в Ethernet II.