Совокупность протоколов Internet

Стек, или семейство протоколов TCP/IP, отлича­ется от вышерассмотренной модели OSI и обычно ограничивает­ся схемой, представленной в табл. 6.7. Обе архитектуры включа­ют похожие уровни, однако в TCP/IP несколько «слоев» OSI-модели объединены в один.

Таблица 6. 7. Структура стека протоколов TCP/IP

Уровни модели 0S1 Уровни TCP/IP (Internet)

Прикладной

Представительный Уровень приложений (Прикладные программы конечных пользователей)

Сеансовый

Транспортный Транспортный уровень (Связь между программами в сети) j

Сетевой i Сетевой уровень (Базовые коммуникации, адресация и маршрутизация) \

Передача данных

----------------------------------------------------------: Канальный уровень (Сетевые аппаратные средства и драйверы устройств)

Физический

Взаимодействие на уровне прикладных протоколов осуществ­ляется путем обмена командами установления/прекращения со­единений (типа open/close), приема/передачи (send/receive) и собственно данными. Прикладные протоколы (Telnet, элек­тронная почта, Gopher, Ftp, Http, Wais) будут рассмотрены далее, совместно с информационными сервисами доступа к информа­ционным ресурсам, здесь же мы ограничимся рассмотрением собственно протоколов TCP/IP — канального, сетевого, транс­портного уровней. Вот эти протоколы:

TCP — Transmission Control Protocol — базовый транспорт­ный протокол, давший название всему семейству протоколов TCP/IP;

UDP — User Datagram Protocol — второй по распространен­ности транспортный протокол семейства TCP/IP;

IP — Internet Protocol — межсетевой протокол;

ARP — Address Resolution Protocol — используется для опре­деления соответствия IP-адресов и Ethernet-адресов;

SLIP — Serial Line Internet Protocol — протокол передачи данных по телефонным линиям;

РРР — Point to Point Protocol — протокол обмена данными «точка-точка»;

UPC — 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.

Блок данных

Некоторые предварительные замечания. На каждом из уров­ней схемы рис. 6.6 коммуникация осуществляется физически блоками (пакетами), и при переходе с уровня на уровень реали­зуются следующие преобразования форматов: инкапсуляция/экс- капсуляция; фрагментация/дефрагментация.

Уровень приложений (HTTP, FTP и т. п.)

Заголовок IP	Заголовок TCP	Блок данных TCP, включающий все сообщение прикладного уровня
	< Блок данных пакета протокола IP ------------- ►

Уровень TCP

Заголовок TCP

Блок данных TCP, включающий все сообщение прикладного уровня

Уровень IP

Рис. 6.6. Инкапсуляция протоколов верхнего уровня в протоколы TCP/IP

 

Инкапсуляция — способ упаковки данных в формате вышестоящего протокола в формат нижестоящего протокола. При этом один или несколько первичных пакетов преобразуют­ся в один вторичный пакет и снабжаются управляющей инфор­мацией, характерной для принимающего уровня. Например, по­мещение пакета IP в качестве данных Ethernet-кадра, помеще­ние TCP-сегмента в качестве данных в IP-пакет (рис. 6.6). При возврате на верхний уровень исходный формат восстанавливает­ся в соответствии с обратной процедурой — экскапсуляцией.

Фрагментация — реализуется, если разрешенная длина пакета нижнего уровня недостаточна для размещения первично­го пакета, при этом осуществляется «нарезка» пакетов (напри­мер, на пакеты SLIP или фреймы РРР), аналогично при возврате на первичный уровень пакет должен быть дефрагментирован.

При описании основных протоколов стека TCP/IP будем следовать модели, представленной в табл. 6.7. Первыми будут

рассмотрены протоколы канального ровня SLIP и РРР. Это единственные протоколы, которые были разработаны в рамках Internet и для Internet. Другие протоколы, например NDIS или ODI, мы рассматривать не будем, поскольку они создавались в других сетях, хотя и могут использоваться в сетях TCP/IP также.

Протоколы канального уровня SLIP и РРР применяются на телефонных каналах. С помощью этих каналов к сети подключа­ется большинство индивидуальных пользователей, а также не­большие локальные сети. Подобные линии связи могут обеспе­чивать скорость передачи данных до 115 200 бит/с.

Serial Line IP (SLIP). Обычно этот протокол применя­ют как на выделенных, так и на коммутируемых линиях связи со скоростью передачи от 1200 до 19 200 бит в секунду.

В рамках протокола SLIP осуществляется фрагментация IP-пакетов, при этом SLIP-пакет должен начинаться символом esc (восьмеричное 333 или десятичное 219) и заканчиваться символом END (восьмеричное 300 или десятичное 192). Стандарт не определяет размер SLIP-пакета, поэтому любой интерфейс имеет специальное поле, в котором пользователь должен указать эту длину.

Соединения типа «точка—точка» — протокол РРР (Point to Point Protocol). Данный протокол обеспе­чивает стандартный метод взаимодействия двух узлов сети. Предполагается, что обеспечивается двунаправленная одновре­менная передача данных. Собственно говоря, РРР состоит из трех частей: механизма инкапсуляции (encapsulation), протокола управления соединением (link control protocol) и семейства про­токолов управления сетью (network control protocols).

Под датаграммой в РРР понимается информационная еди­ница сетевого уровня (применительно к IP — IP-пакет). Под фреймом понимают информационную единицу канального уров­ня (согласно модели OSI). Для обеспечения быстрой обработки информации длина фрейма РРР должна быть кратна 32 битам.

Фрейм состоит из заголовка и хвоста, между которыми со­держатся данные. Датаграмма может быть инкапсулирована в один или несколько фреймов (рис. 6.7). Пакетом называют ин­формационную единицу обмена между модулями сетевого и ка­нального уровней. Обычно каждому пакету ставится в соответст­вие один фрейм, за исключением тех случаев, когда канальный уровень требует большей фрагментации данных или, наоборот, объединяет пакеты для более эффективной передачи.

Протокол 8/16 битов

Рис. 6.7. РРР-фрейм

Протокол управления соединением предназначен для установ­ки соглашения между узлами сети о параметрах инкапсуляции (размер фрейма и т. п.), кроме того, он позволяет проводить идентификацию узлов. Первой фазой установки соединения яв­ляется проверка готовности физического уровня передачи данных. При этом такая проверка может осуществляться периодически, позволяя реализовать механизм автоматического восстановления физического соединения, как это бывает при работе через модем по коммутируемой линии. Если физическое соединение уста­новлено, то узлы начинают обмен пакетами протокола управле­ния соединением, настраивая параметры сессии.

Межсетевые протоколы. К данной группе относятся прото­колы IP, ICMP, ARP.

Протокол IP является основным в иерархии протоколов TCP/IP и используется для управления рассылкой TCP/IP-паке- тов по сети Internet. Среди различных функций, возложенных на IP, обычно выделяют следующие:

• определение пакета, который является базовым понятием и единицей передачи данных в сети Internet;

• определение адресной схемы, которая используется в сети Internet;

• передача данных между канальным уровнем (уровнем дос­тупа к сети) и транспортным уровнем (другими словами, преобразование транспортных датаграмм во фреймы ка­нального уровня);

• маршрутизация пакетов по сети, т. е. передача пакетов от одного шлюза к другому с целью передачи пакета маши­не-получателю;

• фрагментация и дефрагментация пакетов транспортного уровня.

Информация

Таким образом, вся информация о пути, по которому должен пройти пакет, определяется по состоянию сети в момент прохо­ждения пакета. Эта процедура называется маршрутизацией в от­личие от коммутации, используемой для предварительного уста­новления маршрута следования отправляемых данных.

Маршрутизация представляет собой ресурсоемкую процеду­ру, так как предполагает анализ каждого пакета, который прохо­дит через шлюз или маршрутизатор, в то время как при комму­тации анализируется только управляющая информация, устанав­ливается канал (физический или виртуальный), и все пакеты пересылаются по этому каналу без анализа маршрутной инфор­мации. Однако при неустойчивой работе сети пакеты могут пе­ресылаться по различным маршрутам и затем собираться в еди­ное сообщение. При коммутации путь придется устанавливать заново для каждого пакета и при этом потребуется больше на­кладных затрат, чем при маршрутизации.

Структура пакета IP представлена на рис. 6.8. Фактически в заголовке пакета определены все основные данные, необходи­мые для перечисленных выше функций протокола IP: адрес от­правителя, адрес получателя, общая длина пакета и тип пересы­лаемой датаграммы.

Используя данные заголовка, машина может определить, на какой сетевой интерфейс отправлять пакет. Если IP-адрес полу­чателя принадлежит одной из ее сетей, то на интерфейс этой сети пакет и будет отправлен, в противном случае пакет отпра­вят на другой шлюз.

Как уже отмечалось, при обычной процедуре инкапсулиро­вания пакет просто помешается в поле данных фрейма, а в слу­чае, когда это не может быть осуществлено, разбивается на бо-

 

12 16 120 124 I 28

 

А

Total Length

Version IHL Type of Service

 

Identification

Flags Fragmentation offset

 

Header Checksum

Words

Time to Live Protocol

 

Source Addres

Destination Address

 

Options

ir 6

Padding

 

Data begins here

Рис. 6.8. Формат пакета IP

лее мелкие фрагменты. Размер максимально возможного фрей­ма, который передается по сети, определяется величиной MTU (Maximum Transsion Unit), определенной для протокола каналь­ного уровня. Для последующего восстановления пакет IP должен содержать информацию о своем разбиении и для этой цели ис­пользуются поля «flags» и «fragmentation offset». В этих полях оп­ределяется, какая часть пакета получена в данном фрейме, если этот пакет был фрагментирован на более мелкие части.

1СМР (Internet Control Message Protocol) — на­ряду с IP и ARP относится к межсетевому уровню. Протокол ис­пользуется для рассылки информационных и управляющих со­общений. При этом используются следующие виды сообщений.

Flow control — если принимающая машина (шлюз или ре­альный получатель информации) не успевает перерабатывать информацию, то данное сообщение приостанавливает отправку пакетов по сети.

Detecting unreachable destination — если пакет не мо­жет достичь места назначения, то шлюз, который не может дос­тавить пакет, сообщает об этом отправителю пакета.

Redirect routing — это сообщение посылается в том слу­чае, если шлюз не может доставить пакет, но у него есть на этот счет некоторые соображения, а именно адрес другого шлюза.

Checking remote host — в этом случае используется так называемое ТСМР Echo Message. Если необходимо проверить наличие стека TCP/IP на удаленной машине, то на нее посыла­ется сообщение данного типа. Как только система получит это сообщение, она немедленно высылает подтверждение.

ICMP используется также для получения сообщения об исте­чении срока «жизни» пакета на шлюзе. При этом используется время жизни пакета, которое определяет число шлюзов, через которые пакет может пройти. Программа, которая использует эту информацию (сообщение time execeed протокола ICMP), называется traceroute.

Протоколы управления маршрутизацией. Наиболее распро­страненный из них — протокол RIP.

Протокол RIP (Routing Information Protocol) — предназначен для автоматического обновления таблицы мар­шрутов, при этом используется информация о состоянии сети, которая рассылается маршрутизаторами (routers). В соответствии с протоколом RIP любая машина может быть маршрутизатором. При этом все маршрутизаторы делятся на активные и пассив­ные. Активные маршрутизаторы сообщают о маршрутах, кото­рые они поддерживают в сети. Пассивные маршрутизаторы чи­тают эти широковещательные сообщения и исправляют свои таблицы маршрутов, но при этом сами информации в сеть не предоставляют. Обычно в качестве активных маршрутизаторов выступают шлюзы, а в качестве пассивных — обычные машины (hosts).

Протоколы транспортного уровня. User Datagram Protocol (UDP) один из двух протоколов транспортного уровня, используемых в стеке протоколов TCP/IP. UDP позво­ляет прикладной программе передавать свои сообщения по сети с минимальными издержками, связанными с преобразованием протоколов уровня приложения в протокол IP. Однако при этом прикладная программа сама должна обеспечивать подтвержде­ние того, что сообщение доставлено по месту назначения. Заго­ловок UDP-датаграммы (сообщения) имеет вид, показанный на рис. 6.9.

Source Port	Destination Port
Length	Checksum
Application Data

Рис. 6.9. Структура заголовка UDP-сообщения

 

Порты в заголовке определяют протокол UDP как мультип­лексор, который позволяет собирать сообщения от приложений и отправлять их на уровень протоколов. При этом приложение использует определенный порт. Взаимодействующие через сеть приложения могут использовать разные порты, что и отражает заголовок пакета. Всего можно определить 2¹⁶ разных портов. Первые 256 портов закреплены за так называемыми «well known services (WKS)»

Поле Length определяет общую длину сообщения. Поле Checksum служит для контроля целостности данных. Приложе­ние, которое использует протокол UDP, должно поддерживать целостность данных, анализируя поля Checksum и Length. Кро­ме этого, при обмене данными по UDP прикладная программа сама должна заботиться о контроле получения данных адреса­том. Обычно это достигается обменом подтверждениями о дос­тавке между прикладными программами.

Transfer Control Protocol — TCP. В том случае, ко­гда контроль качества передачи данных по сети имеет особое значение для приложения, используется протокол TCP. Этот протокол также называют надежным, ориентированным на соеди­нение потокоориентированным протоколом. Рассмотрим формат передаваемой по сети дата граммы (рис. 6.10). Согласно этой структуре в TCP, как и в UDP, используются порты. В поле Sequence Number (SYN) определен номер пакета в последова­тельности пакетов, которая составляет сообщение, затем идет поле подтверждения Asfceowledgment Number и другая управ­ляющая информация.

	--------------------------------------------------- Bits 0 | 4 18 | 12	16 |20 |24 |28
	Source Port	Destination Port
	Sequence Number
сл 3	Asknowiedgment Number
1 4	Offset Reserved Flags	Window
	Chesksum	Urgent Pomter
	Options Padding
	Data

Рис. 6.10. Структура пакета TCP

 

В дальнейшем мы предполагаем рассмотреть основные про­токолы прикладного уровня, обеспечивающие доступ к ин­формационным ресурсам Internet (и не только к ним), а также соответствующее программное обеспечение (про­граммы-клиенты и программы-серверы).

Это следующие протоколы:

• эмуляции терминала Telnet;

• электронной почты SMTP, UUCP;

• распределенных файловых систем — NNTP, Gopher, FTP;

• гипертекстового доступа к WWW — HTTP;

• управления поиском в распределенных базах данных — /.39.50.

Каждый из перечисленных протоколов предполагает наличие некоторой совокупности команд (командный язык), которыми обмениваются программы-клиенты и программы-серверы дан­ного протокола. Естественно, целью такого взаимодействия яв­ляется обмен пользовательскими данными.

Могут быть выделены два основных класса средств доступа и организации информационных ресурсов:

• распределенные файловые системы (Usenet, FTP, Gopher);

• распределенные информационные системы (WWW, WAIS).