Протокол TCP: основные функции, организация установления соединений

ТСР отвечает за разбиение передаваемого сообщения на блоки. Каждый блок длиной 20 байт. В результате формируется пакет.

Заголовки и данные ТСР уровня инкапсулируются в поле данных IP уровня, т.е. в IP диаграмму.

ТСР – протокол гарантированной доставки данных по предустановленному виртуальному соединению (транспортный и сеансовый уровни модели OSI).

В заголовке содержатся следующие данные: адрес отправителя, адрес получателя, номер пакета, номер следующего пакета. Единицей данных протокола ТСР является сегмент.

Заголовок IP >=20 байт, заголовок UDP >=20 байт, данные TCP.

Оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP пакет он помещался туда целиком, т.е. максимальный размер сегмента не должен превышать максимального размера поля данных IP пакета.

Функции: строит пакеты, упаковывая их в сегменты; устанавливает тайм-ауты в момент отправки; подтверждает принятые данные и меняет их порядок в случае хаотического прибытия, отбрасывает дублируемые данные, осуществляет контроль потока данных, рассчитывает и проверяет контрольную сумму. На приемной стороне ТСР отвечает за сборку пакетов воедино в соответствии с их номерами. Если какой-либо из пакетов утерян или повреждён, то его передача повторяется.

Протокол UDP

Заголовки и данные UDP уровня инкапсулируются в поле данных IP уровня. UDP – протокол, негарантированной доставки данных (транспортный и сеансовый уровни модели OSI).

Заголовок IP >=20 байт, заголовок UDP 8 байт, данные UDP.

UDP используется для отсылки данных, некритичных к потере информации, приложений (DNS запросы-ответы, ICQ, игровые сервисы типа Quake). Также UDP почти всегда используется для рассылки групповых IP диаграмм.

Протокол IP: основные функции, формат заголовка, версии протокола

IP – протокол для передачи пакетов, относится к разряду сетевых протоколов. IP отвечает непосредственно за передачу данных по сети (маршрутизация), адресацию устройств в сети.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу. В протоколе IP отсутствует квитирование - обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочивания и повторных передач. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки.

Формат заголовка (20 байт): номер версии (4 бита), длина заголовка (4 бита), тип сервиса (1 байт) – задаёт приоритетность пакета, общая длина пакета (2 байта), идентификатор (2 байта) – для распознавания пакетов, образовавшихся путём фрагментации исходного пакета, флаги (3 бита) - признаки, связанные с фрагментацией, смещение фрагмента (13 бит), время жизни (1 байт) – время, в течение которого пакет может перемещаться по сети.Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Важной особенностью протокола IP является его способность проводить дефрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными максимально допустимыми значения поля данных кадра.

Классы IP адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками. Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса. Т.о. выделяют следующие классы IP-адресов:

КлассА: адрес начинается с 0, номер сети занимает 1 байт, остальные 3 байта – номер узла в сети. Такой адрес находится в диапазоне от 1.0.0.0 до 126.0.0.0. Количество сетей не больше 216, а узлов не больше 2²⁴.

КлассВ: адрес начинается с 10, номер сети занимает 2 байта и находится в диапазоне от 128.0.0.0 до 191.255.0.0.

КлассС: адрес начинается с последовательности 110, номера сетей в диапазоне от 192.0.1.0 до 223.255.255.255

КлассD (Multicast): адрес начинается с последовательности 1110. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес. Диапазон от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Как правило отвечает только один (первым получивший запрос).

КлассЕ (зарезервированных адресов) экспериментальный. Он зарезервирован для использования в будущем и в настоящее время не применяется. Адрес начинается с 11110. Диапазон от 240.0.0.0 до 247.255.255.255

Особые IP адреса

Среди всех IP-адресов имеется несколько зарезервированных под специальные нужды.

IP-адресЗначение

все нули данный узел сети

номер сети | все нули данная IP-сеть

все нули | номер узла узел в данной (локальной) сети

все единицы все узлы в данной локальной IP-сети

номер сети | все ед. все узлы указанной IP-сети

127.0.0.1 "петля"

Адрес 127.0.0.1 предназначен для тестирования программ и взаимодействия процессов в рамках одного компьютера. Наличие "петли" чрезвычайно удобно с точки зрения использования сетевых приложений в локальном режиме для их тестирования и при разработке интегрированных систем.

Вообще, зарезервирована вся сеть 127.0.0.0. Эта сеть класса A реально не описывает ни одной настоящей сети.

Некоторые зарезервированные адреса используются для широковещательных сообщений. Например, номер сети (строка 2) используется для посылки сообщений этой сети (т.е. сообщений всем компьютерам этой сети). Адреса, содержащие все единицы, используются для широковещательных посылок (для запроса адресов, например).

Подсети: назначение

Подсеть - это подмножество сети, не пересекающееся с другими подсетями. Подсети придуманы для того, чтобы обойти ограничения физических сетей на число узлов в них и максимальную длину кабеля в сегменте сети.

В принципе, разбивать сеть на подсети необязательно. Можно использовать адреса сетей другого класса (с меньшим максимальным количеством узлов).

Разбиение сети на подсети использует ту часть IP-адреса, которая закреплена за номерами хостов. Администратор сети может замаскировать часть IP-адреса и использовать ее для назначения номеров подсетей. Фактически, способ разбиения адреса на две части, теперь будет применятся к адресу хоста из IP-адреса сети, в которой организуется разбиение на подсети. Использование подсетей имеет целый ряд преимуществ. В организациях подсети применяют для объединения нескольких физических сегментов в одну логическую сеть. Применяя подсети, возможно:

-совместно использовать различные сетевые технологии (Ethernet, Token Ring);

-преодолеть существующие ограничения, например на максимальное количество узлов в одном сегменте;

-уменьшить нагрузку на сеть, перенаправляя сетевой трафик и сокращая число широковещательных пакетов.

Маска IP-адреса

Эффективным средством структуризации IP-сетей являются маски. Маски позволяют разделить одну сеть на несколько подсетей. Маски одинаково длинны используются для деления сети на подсети равного размера, а маски переменной длины – для деления сети на подсети разного размера. Использование масок модифицирует алгоритм маршрутизации, поэтому в этом случае предъявляются особые требования к протоколам маршрутизации в сети, к техническим характеристикам маршрутизаторов и процедурам конфигурации.

Маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны в IP-адресах интерпретироваться как номер сети.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

· классА– 11111111.00000000.00000000.00000000(255.0.0.0)

· классВ- 11111111.11111111.00000000.00000000(255.255.0.0)

· классС- 11111111.11111111.11111111.00000000(255.255.255.0)

CIDR

Бесклассовая адресация (Classless InterDomain Routing, англ. CIDR) - метод IP-адресации, позволяющий гибко управлять пространством IP-адресов, не используя жёсткие рамки классовой адресации. Использование этого метода позволяет экономно использовать конечный ресурс IP-адресов.

Бесклассовая адресация основывается на переменной длине маски подсети, в то время, как в классовой адресации длина маски строго фиксирована 0, 1, 2 или 3 установленными байтами. Вот пример записи IP-адреса с применением беcклассовой адресации: 10.1.2.33/27.

Маски подсети являются основой метода бесклассовой маршрутизации (CIDR). При этом подходе маску подсети записывают вместе с IP-адресом в формате IP-адрес/количество единичных бит в маске. Число после слэша означает количество единичных разрядов в маске подсети.

Рассмотрим пример записи диапазона IP-адресов в виде 10.96.0.0/11. В этом случае маска подсети будет иметь двоичный вид 11111111 11100000 00000000 00000000, или то же самое в десятичном виде: 255.224.0.0.

Формат IP-пакета

Имеется прямая связь между количеством полей заголовка пакета и функцио­нальной сложностью протокола, который работает с этим заголовком. Чем про­ще заголовок — тем проще соответствующий протокол. Большая часть действий протокола связана с обработкой той служебной информации, которая переносится в полях заголовка пакета.

Формат заголовка (20 байт): номер версии (4 бита), длина заголовка (4 бита), тип сервиса (1 байт) – задаёт приоритетность пакета, общая длина пакета (2 байта), идентификатор (2 байта) – для распознавания пакетов, образовавшихся путём фрагментации исходного пакета, флаги (3 бита) - признаки, связанные с фрагментацией, смещение фрагмента (13 бит), время жизни (1 байт) – время, в течение которого пакет может перемещаться по сети.

Поле протокола верхнего уровня занимает один байт и содержит идентифика­тор, указывающий, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информа­ция, размещенная в поле данных пакета.

Контрольная сумма заголовка занимает 2 байта (16 бит) и рассчитывается толь­ко по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, поле времени жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается на каждом маршрутизаторе и ко­нечном. Если контрольная сумма неверна, то пакет отбрасывается, как только обнаруживается ошибка.

Поля IP-адресов источника и приемника имеют одинаковую длину — 32 бита.

Поле параметров является необязательным и используется обычно только при отладке сети. В этих подполях можно указывать точный маршрут, реги­стрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности или временные отметки.

Принципы маршрутизации

В архитектуре TCP/IP сети соединяются друг с другом коммутаторами IP-пакетов, которые называются шлюзами или IP-маршрутизаторами. Основная задача IP-маршрутизатора — определение по специальному алгоритму адреса следующего IP-маршрутизатора. Для решения этой задачи каждый IP-маршрутизатор должен располагать матрицей маршрутов (специальной базой данных, обеспечивающей маршрутизацию), которую необходимо регулярно обновлять.

Существует ряд требований, которые следует учитывать при выборе приемлемого алгоритма маршрутизации:

- алгоритм маршрутизации должен распознавать отказ и восстановление каналов связи или других IP-маршрутизаторов и переключаться на другие, подходящие маршруты;

- алгоритм должен исключать образование циклов, петель и эффекта «пинг-понг» в назначаемых маршрутах как между соседними IP – маршрутизаторами, так и для удалённых IP – маршрутизаторов;

- нагрузка, создаваемая управляющими сообщениями, которые необходимы для работы алгоритма маршрутизации, не должна ощутимо ухудшать или нарушать нормальную работу сети;

- поскольку размеры сети постоянно увеличиваются, необходимо обеспечить эффективное использование сетевых ресурсов, например, изменение матриц маршрутов выполнять по частям, передавая по глобальным сетям только дополнения к базам данных по маршрутизации;

- размер базы данных по маршрутизации не должен превышать некоторой константы, не зависящей от топологии сети, умноженной на количество узлов и на среднюю связность сети;

Алгоритм маршрутизации должен обеспечивать надёжный алгоритм определения состояния каждого канала связи и узла в базовой сети и, если требуется, состояние хост-ЭВМ. Для этого нужен протокол канального уровня, предполагающий периодический обмен кадрами через каждый канал связи.