Структура та функції стека TCP/IP

Структуру стека ТСРЯР та його відповідність моделі OSI наведено на рис. 8.3.

Як видно з наведеної схеми, протоколи стека розподілено за чотирма рівнями: прикладним, транспортним, мережевим та рівнем мережевих інтер­фейсів.

Прикладний рівень надає користувачу протоколи віддаленого доступу і сумісного використання мережевих ресурсів. Він забезпечує функціонування різноманітних мережевих служб. На цьому рівні працюють протоколи SNMP -керування мережею, FTP і TFTP - пересилання файлів, SMTP - електронної пошти, WWW і HTTP — передавання гіпертекстової інформації, telnet — емуляції терміналів, протоколи Gopher і WAIS. Використовується на кінцевих вузлах мережі.

TCP/IP OSI

I	ПРИКЛАДНИЙ РІВЕНЬ
II	ТРАНСПОРТНИЙ РІВЕНЬ (основний)
	ТСР-протокол UPD-протокол
III	РІВЕНЬ МІЖМЕРЕЖЕВОІ ВЗАЄМОДІЇ IP-протокол Допоміжні протоколи
IV	РІВЕНЬ МЕРЕЖЕВИХ ІНТЕРФЕЙСІВ

Рис. 8.3. Структура стека TCP/IP

Транспортний (основний) рівень забезпечує зв'язок між кінцевими вузлами мережі. Містить два протоколи: TCP і UDP. Протокол TCP використовується для передавання великих обсягів інформації, а також за необхідності отримання підтвердження приймання даних. Він керує потоками даних, контролює наявність помилок і впорядковує пакети за їх номерами, якщо вони прибули в порушеній послідовності. Протокол UDP використовується для передавання невеликих обсягів інформації дейтаграмним способом. За його допомогою передають службову інформацію, системні повідомлення, оголошення імен і т. п. Викорис-товуєть на кінцевих вузлах мережі.

Рівень міжмережевої взаємодії (мережевий рівень) забезпечує маршрути­зацію пакетів між мережами і вузлами. Основним протоколом цього рівня є ІР-протокол, який використовують для встановлення маршруту, відправки і отримання пакетів. Інші протоколи цього рівня дозволяють за доменними іменами адресатів встановлювати їх IP- та локальні адреси і виконувати зворотну адресацію, посилати повідомлення про помилки, пов'язані з доставкою пакетів, збирати інформацію про мережі, маршрутизатори та зв'язки між ними, будувати й оновлювати таблиці маршрутизації. Використовують як на кінцевих, так і на проміжних вузлах мережі.

Рівень мережевих інтерфейсів забезпечує інтеграцію МПД, побудованих за стандартами різних мережевих технологій в об'єднану мережу передачі даних. Він

відповідає за передавання і отримання кадрів з неоднорідних локальних і глобальних мереж шляхом інкапсуляції IP-пакетів рівня міжмережевої взаємодії в кадри різних технологій. Цей рівень підтримує всі базові технології LAN і WAN. Використовують як на кінцевих, так і на проміжних вузлах мережі.

На рис. 8.4 наведено схему передавання та найменування одиниць інфор­мації, якими обмінюються протоколи різних рівнів стека TCP/IP.

Рис. 8.4.Потік одиниць інформації між протоколами стека СР/ІР

Як видно з наведеної схеми, протоколи прикладного рівня формують запити у вигляді "потоку даних", які передаються UDP- або TCP-протоколам. Протокол UDP формує з отриманих даних дейтаграму, яка передається в мережу без встановлення попереднього зв'язку з абонентом. TCP-протокол перед тим, як передати дані в мережу, встановлює з абонентом зв'язок, обмінюється з ним керуючими кадрами і вимагає підтвердження отримання сегментів даних. ІР-протокол форує IP-пакети стандартного формату, які у полі службової інформації містять адреси відправника та отримувача пакетів. Протоколи рівня мережевих інтерфейсів інкапсулюють IP-пакети в кадри (фрейми) тієї технології, до мережі якої вони під'єднані.

Мережі передавання даних, які використовують стек комунікаційних про­токолів ТСРЛР, називають IP-мережами. В об'єднаній мережі стек протоколів ТСРЛР функціонує як на кінцевих, так і на проміжних вузлах. Стандарти ТСРЛР називають комп'ютери (кінцеві вузли) хостами (host), а терміном вузол (node) називають такі пристрої, як міст, маршрутизатор, комутатор, шлюз та хост.

8.6.3. Структура ІР-пакета

IP-пакет формується протоколом IP на основі інформації, яка надходить від верхніх протоколів стека ТСРЛР і складається із поля заголовка (службової інформації) та поля даних.

Структуру заголовка ІР-пакета, яка може мати довжину від 20 до 60 байт, наведено у табл. 8.2.

Таблиця 8.2 Структура заголовка ІР-пакета

 

№ поля	Назва поля	Розмір (біт)	Коментарі
	Версія (V)		Версія протоколу IP. Сьогодні використовується протокол IPv4
	Довжина заголовка (HL)		Вказує число 32-бітних слів в заголовку ІР-пакета. Довжина заголовка здебільшого становить 20 байт. Максимально допустима - 60 байт.
	Тип обслуговуван im(TS)		Задає пріоритет пакета (від 0 до 7) і вимоги до затрим­ки, пропускної здатності і надійності каналу зв'язку
	Загальна довжина (TL)		Задає загальну довжину пакета: поле даних + поле заголовка. Рекомендована довжина - 576 байт, максимально допустима - 65535 байт. Залежить від технології мережі, в яку передається пакет.
	Ідентифікаці я (І)		Задає ідентифікатор пакета. Якщо пакет розбитий на фрагменти, то всі фрагменти одного пакета мають спільний ідентифікатор.
	Прапорці фрагментів (FF)		Містить ознаки, пов'язані з фрагментацією: забороняє фрагментацію пакета або позначає його останній фрагмент.

	Зсув фрагмента (FO)		Задає зміщення поля даних фрагмента відносно початку поля даних пакета. Використовується при фрагментації ІР-пакета.
	Час життя (TL)		Задає максимально допустимий час транзиту ІР-пакета. Після його закінчення пакет знищується.
	Протокол (Р)		Вказує, якому протоколу верхнього рівня належить інформація із поля даних.
	Контрольна сума (НС)		Містить контрольну суму заголовка пакета. Визначається під час кожної обробки заголовка. При збігу контрольної суми пакет знищується.
	Адреса відправника (SA)		Містить IP-адресу відправника (джерела) пакета
	Адреса отримувача (DA)		Містить IP-адресу отримувача (адресата) пакета
	Опції і доповнення (ОР)	Nx32	Поле опцій містить службову інформацію. До розміру, кратного 32-м бітам, доповнюється нулями.

IP-адресація

За адресацію пакетів у стеку TCP/IP відповідає протокол IP, який належить до мережевого рівня. Він призначений для маршрутизації та відправки пакетів у великій мережі, що об'єднує довільне число різнорідних мереж з різною структурою зв'язків і різноманітними принципами передавання повідомлень між кінцевими вузлами.

Стандарти TCP/IP описують дві версії протоколу IP: IPv4 та IPv6. В об'єднаних мережах досить поширеною є версія IPv4.

За стандартом протоколу IPv4 IP-адреса має довжину 32 біти, поділені для зручності на чотири октети. IP-адреса може бути записана як у двійковому (binary), так і десятковому форматі з точковими розділювачами (dotted decimal notation). У десятковому форматі кожен октет записується у вигляді десяткового числа у діапазоні від 0 до 255 і відділяється від іншого октету точкою. Десятковий формат IP-адреси є зручнішим у користуванні порівняно з двійковим форматом.

Наприклад, IP-адреса '10000100 01000000 00001100 00010000' у десятковому форматі буде мати вигляд '132.64.12.32'.

IP-адреса містить ідентифікатор мережі (network ID) та ідентифікатор хоста (host ID). Ідентифікатор мережі визначає фізичну мережу і є спільним для всіх вузлів цієї мережі і унікальним для кожної з мереж, яка входить до складу об'єднаної мережі. Ідентифікатор вузла являє собою адресу конкретного вузла в цій мережі.

Поділ IP-адреси на ідентифікатор мережі та ідентифікатор вузла в протоколі IPv4 може здійснюватися шляхом поділу адрес на класи або за допомогою масок.

Протокол IPv4 має й недоліки, серед яких найбільш суттєвим є дефіцит ад­ресного простору, обумовлений ростом числа мереж. Цього недоліку позбавлений протокол IPv6, який використовує IP-адреси довжиною 128 двійкових розрядів. Окрім розширення адресного простору пртокол IPv6 забезпечує вищу досто­вірність і конфіденційність інформації та підтримку.

Хости, які використовують виключно протокол IPv4, не можуть взаємодіяти з хостами, які використовують протокол IPv6, оскільки підтримується лише зворотна сумісність.

Поділ IP-адрес на класи

У протоколі IPv4 існує п'ять класів IP-адрес: А, В, С, D і Е. Клас визначає, які байти (октети) IP-адреси належать до ідентифікатора мережі, а які — до ідентифікатора вузла. Клас також визначає максимально можливе число вузлів у певній мережі.

Класи IP-адрес розрізняють за значенням першого октету адреси. Адреси класу А призначаються хостам великих за розміром мереж. Старший біт у цих адресах завжди дорівнює "0". Перший октет IP-адреси цього класу виділяється під ідентифікатор мережі, присвоюється організацією InterNIC і модифікації не підлягає. Решта три октети містять ідентифікатор вузла.

Адреси класу В призначаються хостам середніх за числом комп'ютерів мереж. Два старші біти в цих адресах завжди дорівнюють двійковому значенню "10". Два перші октети IP-мережі класу В виділяються під ідентифікатор мережі і присвоюються організацією InterNIC. Два останні октети містять ідентифікатор вузла.

Адреси класу С застосовують у невеликих за розміром мережах. Три старші біти в цих адресах завжди дорівнюють двійковому значенню "ПО". Три перші

октети адреси класу С становлять ідентифікатор мережі і присвоюються орга­нізацією InterNIC. Четвертий октет є ідентифікатором вузла.

IP-адреси класу D призначені для групових повідомлень. Чотири старші біти в цих адресах завжди дорівнюють "1110". Решта біт означають конкретну групу отримувачів і не діляться на частини. Цей клас призначений для економного роз­силання за допомогою спеціального протоколу Internet Group Management Protocol (IGMP) мультимедійної інформації вибраній групі хостів в об'єднаній мережі.

Клас Е зарезервований для майбутнього використання і сьогодні не викорис­товується. Старші біти в IP-адресах цього класу завжди дорівнюють значенню "11110".

 

№ байта	4-й байт	3-й байт	2-й байт	1-й байт
Клас А	їм		IB	І і
Клас В	їм		IB	і
КласС		їм		IB

Рис. 8.5. Структура IP-адрес класів А, В, С

Користувачами реально використовуються IP-адреси класів А, В і С. При цьому адміністратор мережі присвоює всім вузлам фізичної мережі IP-адреси, які складаються з виділеного провайдером ідентифікатора мережі та вибраного адміністратором з діапазону певного класу ідентифікатора вузла.

Поділ IP-адреси на ідентифікатор мережі (ЇМ) та ідентифікатор вузла (IB) для класів А, В і С наведено на рис. 8.5.

У табл. 8.3 наведено характеристики IP-мереж класів А, В і С.

Таблиця 8.3 Характеристики IP-мереж класів А, В і С

 

Клас ІР-адреси	Перші біти 4-го байта	Кількість мереж	Найменший номер мережі	Найбільший номер мережі	Найбільше число вузлів
А			1.0.0.0	127.0.0.0	2^24-2
В			128.0.0.0	191.255.0.0	2^16-2
С	ПО		192.0.0.0	223.255.255.0	2^8-2

Протокол IPv4 передбачає цілий ряд IP-адрес, які не присвоюються вузлам мережі і вважаються виділеними адресами. Розрізняють такі виділені адреси:

0.0.0.0 — даний вузол у даній мережі;

255.255.255.255 - всі вузли тієї ГР-мережі (даної мережі), в
якій знаходиться відправник пакета (обмежена широкомовна адреса -
limited broadcast);

номер мережі / всі нулі - IP-мережа за вказаним номером;

всі нулі / номер хоста - хост в даній ІР-мережі;

номер мережі / всі одиниці - всі хости в IP-мережі за вказаним но­
мером (широкомовна адреса - broadcast).

Розглянемо деякі приклади ІР-адрес:

130.68.24.32 - адреса хоста в мережі 130.68.0.0;

130.68.0.0 - адреса вказаної мережі класу В;

130.68.255.255 - адреси всіх хостів у вказаній (130.68.0.0) мережі;

• 0.0.0.24 - адреса хоста в мережі класу С, в якій знаходиться відправник
пакета.

Для визначення максимальної кількості хостів N в мережі використовується формула:

N = 2" — 2, де п - кількість двійкових розрядів, відведених під іденти­фікатор хоста. Зменшення загального числа хостів в мережі на число 2 поясню­ється наявністю в полі адрес вузлів кожної мережі адреси даної мережі (всі нулі) та адреси усіх хостів (всі одиниці) у цій мережі (див. особливі адреси ІР-мережі). Тому поле ідентифікаторів вузлів для IP-адрес для класів А, В, і С будуть такими:

клас A: IB,™ = 0.0.0.1; ІВ^ = 0.255.255.224;

клас В: IBmin = 0.0.0.1; IB_ma)t = 0.0.255.224;

клас С: ІВ^п = 0.0.0.1; ІВ^ = 0.0.0.224.

IP-адреса з ідентифікатором мережі 127 має назву - шлейфова адреса (loopback) і використовується для тестування модулів різних рівнів певного хоста. Так, пакет з адресою 127.0.0.1 не посилається канальним рівнем в мережу, а повертається протоколам верхніх рівнів. IP-адреси з ідентифікатором 127 заборонені для присвоєння їх мережам.