Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между устройствами в составной сети (компьютерами, маршрутизаторами и т.д.). Однако не следует забывать, что на одном узле может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами сетевого уровня.

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств, позволяющих передавать большие массивы данных. Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета сетевого уровня, то эти данные должны быть разбиты на порции, каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом. Однако каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый, независимый от других блок данных. В случае если какие-либо пакеты «потерялись», то модуль сетевого протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, и, следовательно, – обнаружить нарушение целостности общего массива данных. Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации. Такой режим передачи данных получил название гарантированной доставки.

Таким образом, 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.

Доставка данных между приложениями

Для идентификации программ протоколы транспортного уровня в сети Интернет (TCP и UDP) используют уникальные числовые значения, так называемые номера портов. Номера портов назначаются программам в соответствии с их функциональным назначениям на основе определенных стандартов. Для каждого протокола существуют стандартные списки соответствия номеров портов и программ.

Таким образом, протокол сетевого уровня IP и транспортные протоколы TCP и UDP реализуют двухуровневую схему адресации: номера TCP- и UDP - портов позволяют однозначно идентифицировать программу в рамках узла, однозначно определяемого IP-адресом. Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети Интернет. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).

Гарантированная доставка п ринцип гарантированной доставки основан на том, что передающий компьютер всегда «знает», были ли доставлены данные получателю или нет. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу. Режим передачи с гарантией доставки имеет существенный недостаток – сеть дополнительно загружается пакетами-подтверждениями. Это может оказаться принципиальной проблемой на каналах с низкой производительностью. Поэтому при широковещательной рассылке, а также для передачи небольших порций данных, если нет необходимости в подтверждении, используется режим передачи с негарантированной доставкой.

Очевидно, что использование подтверждений не является достаточным для обеспечения правильной передачи больших массивов данных. В результате возможных задержек и/или потерь с последующей повторной передачей, фрагменты массива данных могут быть доставлены в неправильном порядке, часть из них может оказаться продублированной. Для того чтобы восстановить правильную последовательность данных, принимающей стороне необходимо выделить определенные ресурсы (например, память) и согласовать параметры передачи с отправителем. Следовательно, перед началом передачи абоненты должны обменяться некоторой служебной информацией и перейти в состояние готовности к взаимодействию. Такой режим передачи данных по сети называется передачей с установлением виртуального соединения. По окончании взаимодействия выделенные ресурсы, как правило, освобождаются и абоненты «выходят из состояния готовности», то есть соединение закрывается.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) является транспортным протоколом стека протоколов TCP/IP, обеспечивающим гарантированную доставку данных с установлением виртуального соединения.

Протокол предоставляет программам, использующим его, возможность передачи непрерывного потока данных. Данные, подлежащие отправке в сеть, разбиваются на порции, каждая из которых снабжается служебной информацией, то есть формируются пакеты данных. В терминологии TCP пакет называется сегментом.

В соответствии с функциональным назначением протокола структура TCP-сегмента предполагает наличие следующих информационных полей:

· номер порта-отправителя и номер порта-получателя – номера портов, идентифицирующие программы, между которыми осуществляется взаимодействие;

· поля, предназначенные для обеспечения гарантированной доставки: размер окна, номер последовательности и номер подтверждения (см. Реализация режима гарантированной доставки);

· управляющие флаги – специальные битовые поля, управляющие протоколом.

Реализация режима гарантированной доставки д ля обеспечения гарантированной доставки протокол TCP использует механизм отправки подтверждения. С целью снижения загрузки сети протокол TCP допускает посылку одного подтверждения сразу для нескольких полученных сегментов. Объем данных, которые могут быть переданы в сеть отправителем до получения подтверждения, определяется специальным параметром протокола TCP – размером окна. Размер окна согласуется при установлении соединения между отправителем и получателем и может автоматически изменяться программными модулями протокола TCP в зависимости от состояния канала связи. Если в процессе передачи данных потери происходят достаточно часто, то размер окна уменьшается, и наоборот – окно может иметь большой размер, если высока надежность канала данных.

Для того чтобы данные могли быть правильно собраны получателем в нужном порядке, в заголовке TCP-сегмента присутствует информация, определяющая положение вложенных данных в общем потоке. Отправляя подтверждение, получатель указывает положение данных, которые он ожидает получить в следующем сегменте, тем самым косвенно сообщая отправителю, какой фрагмент общего потока был успешно принят. Соответствующие поля заголовка TCP – сегмента получили название номер последовательности и номер подтверждения.

Функции верхних уровней

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического, канального, сетевого и транспортного) представляют собой механизм, обеспечивающий доставку данных любого типа и произвольного объема между программами, работающими на разных узлах составной сети. Однако, при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных, а выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами, например, файлами, папками, почтовыми сообщениями и т.п. Естественно, что тех возможностей, которые предоставляют средства нижних уровней, недостаточно.

Для примера рассмотрим ситуацию, когда пользователю необходимо просмотреть документ, расположенный не на его локальном компьютере, а на удаленной машине. Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов:

1. Формирование и передача с компьютера пользователя запроса, содержащего имя документа.

2. Обработка запроса, поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера.

3. Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины изменений, вносимых в этот документ другими пользователями, и уведомление об этом пользователя.

Кроме того, эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на работу с документом, что предполагает дополнительный обмен информацией.

Предоставляя общие методы пересылки данных, компоненты нижних уровней не имеют средств, позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия. Поэтому для его организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней. В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня: сессионный уровень, уровень представления и прикладной уровень. Каждый из этих уровней выполняет определенные функции.

Основные сервисы Интернет

Постоянное развитие информационных технологий приводит к появлению разнообразных информационных ресурсов, отличающихся друг от друга формами представления и методами обработки составляющих их информационных объектов. Поэтому в настоящее время в Интернет существует достаточно большое количество сервисов, обеспечивающих работу со всем спектром ресурсов. Наиболее известные среди них:

· электронная почта (E-mail), обеспечивающая возможность обмена сообщениями одного человека с одним или несколькими абонентами;

· телеконференции, или группы новостей (Usenet), обеспечивающие возможность коллективного обмена сообщениями;

· сервис FTP – система файловых архивов, организующая хранение и пересылку файлов различных типов;

· сервис Telnet, предназначенный для управления удаленными компьютерами в терминальном режиме;

· World Wide Web (WWW, W3) – гипертекстовая (гипермедиа) система, служащая для интеграции различных сетевых ресурсов в единое информационное пространство;

· сервис DNS, или система доменных имен, обеспечивающий возможность использования для адресации узлов сети мнемонических имен вместо числовых адресов;

· сервис IRC, организует поддержку текстового общения в реальном времени (chat);

· потоковое мультимедиа – передача аудио-видеоинформации в реальном времени (Интернет-телеконференции, Интернет-радио, Интернет-телевидение).

Перечисленные выше сервисы относятся к стандартным. Это означает, что принципы построения клиентского и серверного программного обеспечения, а также протоколы взаимодействия сформулированы в виде международных стандартов. Следовательно, разработчики программного обеспечения при практической реализации обязаны выдерживать общие технические требования.

Наряду со стандартными сервисами существуют и нестандартные, представляющие собой оригинальную разработку той или иной компании. В качестве примера можно привести различные системы типа Instant Messenger (своеобразные интернет-пейджеры – ICQ, AOl, Demos on-line и т. п.), системы интернет-телефонии, трансляции радио и видео и т. д. Важная особенность таких систем – отсутствие международных стандартов, что может привести к возникновению технических конфликтов с другими подобными сервисами.

Для стандартных сервисов также стандартизируется и интерфейс взаимодействия с протоколами транспортного уровня. В частности, за каждым программным сервером резервируются стандартные номера TCP- и UDP-портов, которые остаются неизменными независимо от особенностей той или иной фирменной реализации как компонентов сервиса, так и транспортных протоколов. Номера портов клиентского программного обеспечения так жестко не регламентируются. Это объясняется следующими факторами:

· во-первых, на пользовательском узле может функционировать несколько копий клиентской программы, и каждая из них должна однозначно идентифицироваться транспортным протоколом, то есть за каждой копией должен быть закреплен свой уникальный номер порта;

· во-вторых, клиенту важна регламентация портов сервера, чтобы знать, куда направлять запрос, а сервер сможет ответить клиенту, узнав адрес из поступившего запроса.