Концепция портов. Мультиплексирование и демультиплексирование

Как уже было отмечено, главная задача транспортного уровня заключается в передаче данных между прикладными процессами. Эту задачу решают протокол управления передачей(Transmission Control Protocol, TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP). Протоколы TCP и UDP имеют много общего. Тот и другой обеспечивают интерфейс с вышележащим прикладным уровнем, передавая данные, поступающие на входной интерфейс хоста, соответствующему приложению. При этом, оба протокола используют концепции «порт» и «сокет». Оба они также поддерживают интерфейс с нижележащим сетевым уровнем IP, упаковывая свои PDU в IP-пакеты. Однако, как мы увидим далее, различий между TCP и UDP гораздо больше, чем сходств.

Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, более того, прикладной процесс тоже может иметь несколько точек входа, выступающих в качестве адреса назначения для пакетов данных. Поэтому после того, как пакет средствами протокола IP доставлен на сетевой интерфейс компьютера-получателя, данные необходимо переправить конкретному процессу получателю.

Существует и обратная задача: пакеты, которые отправляют в сеть разные приложения, работающие на одном конечном узле, обрабатываются общим для них протоколом IP. Следовательно, в стеке должно быть предусмотрено средство «сбора» пакетов от разных приложений для передачи протоколу IP. Эту работу выполняют протоколы TCP и UDP.

Процедура приема данных протоколами TCP и UDP, поступающих от нескольких различных прикладных служб, называется мультиплексированием. Обратная процедура – процедура распределения протоколами TCP и UDP поступающих от сетевого уровня пакетов между набором высокоуровневых служб – называется демультиплексированием.

 

Рис. 1. Мультиплексирование и демультиплексирование на транспортном уровне.

Протоколы TCP и UDP ведут для каждого приложения две очереди: очередь пакетов, поступающих к данному приложению из сети, и очередь пакетов, отправляемых данным приложением в сеть. Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются операционной системой в виде множества очередей к точкам входа различных прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие системные очереди называются портами, причем входная и выходная очереди одного приложения рассматриваются как один порт. Для однозначной идентификации портов им присваивают номера. Номера портов используются для адресации приложений.

Если процессы представляют собой популярные общедоступные службы, такие как FTP, telnet, HTTP, TFTP, DNS и т.п., то за ними закрепляются стандартные, назначенные номера, также называемые хорошо-известными(популярными)(well-known) номерами портов. Так, номер 21 закреплен за службой удаленного доступа к файламFTP, а 23 – за службой удаленного управления telnet. Назначенные номера являются уникальными в пределах Интернета и назначаются приложениям централизованно из диапазона от 0 до 1023.

Для тех приложений, которые еще не стали столь распространенными, чтобы закреплять за ними стандартные номера, номера портов назначаются разработчиками этих приложений или операционной системой локально в ответ на поступление запроса от приложения. На каждом компьютере операционная система ведет список занятых и свободных номеров портов. При поступлении запроса от приложения, выполняемого на данном компьютере, операционная система выделяет ему первый свободный номер. Такие номера называют динамическими. В дальнейшем все сетевые приложения должны адресоваться к данному приложению с указанием назначенного ему порта. После того как приложение завершит работу, выделенный ему локальный номер порта возвращается в список свободных и может быть назначен другому приложению. Динамические номера являются уникальными в пределах каждого компьютера, но при этом обычной ситуацией является совпадение номеров портов приложений, выполняемых на разных компьютерах. Как правило, клиентские части известных приложений (DNS, WWW, FTP, telnet и др.) получают динамические номера портов от ОС.

Все, что было сказано о портах, в равной степени относится к обоим протоколам транспортного уровня (TCP и UDP). В принципе нет никакой зависимости между назначением номеров для приложений, использующих протокол TCP, и приложений, работающих с протоколом UDP. Приложения, которые передают данные на уровень IP по протоколу UDP, получают номера, называемые UDP-портами. Аналогично приложениям, обращающимся к протоколу TCP, выделяются TCP-порты. В том и другом случаях это могут быть как назначенные, так и динамические номера. Диапазоны чисел, из которых выделяются TCP- и UDP-портов, совпадают: от 0 до 1023 для назначенных и от 1024 до 65535 для динамических. Однако никакой связи между назначенными номерами TCP- и UDP-портов нет. Даже если номера TCP- и UDP-портов совпадают, они идентифицируют разные приложения. Например, одному приложению может быть назначен TCP-порт 1750, а другому UDP-порт 1750. В некоторых случаях, когда приложение может обращаться по выбору к протоколу TCP или UDP (например, таким приложением является DNS), ему, исходя из удобства запоминания, назначаются совпадающие номера TCP- и UDP-портов (в данном примере – это номер 53).

разговор).