Уровень межсетевого взаимодействия

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу -обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами -решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий. Например, документ RFC 1042 определяет способы инкапсуляции IP-пакетов в кадры технологий IEEE 802. Для этих целей должен использоваться заголовок LLC/ SNAP, причем в поле Type заголовка SNAP должен быть указан код 0х0800. Только для протокола Ethernet в RFC 1042 сделано исключение - помимо заголовка LLC/ SNAP разрешается использовать кадр Ethernet DIX, не имеющий заголовка LLC, зато имеющий поле Type. В сетях Ethernet предпочтительным является инкапсуляция IP-пакета в кадр Ethernet DIX.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (спецификация RFC 1577, определяющая работу IP через сети АТМ, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов этой технологии).

 

Рисунок Сетезависимые и сетенезависимые уровни стека TCP/IP

 

Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP работают на компьютерах, выполняющих приложения пользователей. Даже полная смена сетевого оборудования в общем случае не должна влиять на работу приложений, если они получают доступ к сетевым возможностям через протоколы прикладного уровня.

Протоколы транспортного уровня уже более зависят от сети, так как они реализуют интерфейс к уровням, непосредственно организующим передачу данных по сети. Однако, подобно протоколам прикладного уровня, программные модули, реализующие протоколы транспортного уровня, устанавливаются только на конечных узлах. Протоколы двух нижних уровней являются сетезависимыми, а следовательно, программные модули протоколов межсетевого уровня и уровня сетевых интерфейсов устанавливаются как на конечных узлах составной сети, так и на маршрутизаторах.

Каждый коммуникационный протокол оперирует с некоторой единицей передаваемых данных. Названия этих единиц иногда закрепляются стандартом, а чаще просто определяются традицией. В стеке TCP/IP за многие годы его существования образовалась устоявшаяся терминология в этой области (рисунок).

Рисунок - Название единиц данных, используемые в TCP/IP

 

Потоком называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня TCP и UDP.

Протокол TCP нарезает из потока данных сегменты.

Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграммой (или датаграммой). Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол межсетевого взаимодействия IP.

Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом.

В стеке TCP/IP принято называть кадрами (фреймами) единицы данных протоколов, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в локальной технологии.

 

Каждая из информационных служб (информационных сервисов) Интернета решает свои задачи, используя свои прикладные протоколы, опирающиеся на базовые протоколы TCP/IP. Наиболее известные из них:

ü «Всемирная паутина» WWW дает возможность перемещения в огромном ин­формационном пространстве документов, книг, новостей, фотографий, ри­сунков, учебных курсов, справочных материалов и т.д.; претендует на роль основного носителя «коллективной памяти» человечества. Она ис­поль­зует протокол http и подробнее рассмотрена далее.

ü Электронная почта E-Mail (Electronic mail***) позволяет обмениваться по сети «письмами», к ко­то­рым могут прилагаться дополнительные файлы. С ее помощью мож­но пе­ре­давать сообщения на сотовый телефон, факс, пейджер. Для отправки корреспонденции используется протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты), для по­лучения ее из своего «почтового ящика» на почтовом сервере – прото­кол POP (Post Office Protocol – протокол почтового отделения). Протокол IMAP (Internet Message Access Protocol – протокол доступа к сообщениям Интернета) позволяет хранить почту в своем почтовом ящи­ке на почтовом сервере. Для вло­жения в письмо произвольных файлов при­меняется стандарт MIME (Multipurpose Internet Mail Extension – многоцелевое расширение почты Интернета). Правила формирования адресов электронной почты рассматриваются далее.

Для работы с электронной почтой используются почтовые программы Out­look Express (входит в Microsoft Internet Explorer), Microsoft Outlook (вхо­дит в Mic­ro­soft Office), Netscape Messenger (вхо­дит в Netscape Communicator), The Bat! и др.

ü Служба передачи файлов между удаленными компьютерами исполь­зуется для передачи крупных файлов (ар­хи­вов, книг и т.п.) по протоколу FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов).

ü Служба телеконференций (новостей, новостных групп) UseNet News (News­groups) обеспечивает просмотр материалов по выбранной тематике, присылаемых на сервер телеконференции самими пользователями. Используются также списки рассылки, формируемые с участием администратора (модератора) конференции и рассылаемые подписавшимся абонентам.

До повсеместного распространения Интернета функции телеконференций во многом выполняли электронные доски объявлений BBS (Bulletin Board System – система электронных бюллетеней), наиболее известной системой которых является сеть FidoNet, подключение к ним осуществляется по малым компьютерным сетям с одним сервером с помощью модемов через телефонные линии.

ü Служба интерактивного общения IRC (Internet Relay Chat – дословно, Интернет–трансляция болтовни), которую часто называют чат-конференциями или просто чатом, поддерживает коллективный разговор, участники которого набирают свои реплики на клавиатуре и видят сказанное другими на мониторе.

ü Система интернет-пейджинга ICQ (эти буквы звучат как английская фраза «I seek you» – я ищу тебя, а на жаргоне русского Интернета эту систему называют «аськой») дает возможность обмениваться сообщениями и файлами в режиме реального времени. Эта система обеспечивает поиск сетевого адреса абонента (постоянного или временного), если он в данный момент подключен к сети, по его персональному идентификационному номеру UIN (Universal Internet Number), получаемому при регистрации на цент­раль­ном сервере данной службы.

ü Режим Telnet служит для удаленного управления (по протоколу Telnet) через Интернет другими компьютерами и установленными на них программами, например, подключеннымми к аппаратуре для проведения экспериментов или выполняющими сложные математические расчеты.

Важными направлениями использования Интернета являются Интернет-телефония (IP-телефония) – передача телефонных разговоров и факсов по Интернету в кодировке, соответствующей протоколу IP, трансляция по Интернету радио- и телевизионных передач, беспроводное подключение к Интернету с мобильных телефонов: непосредственно по протоколу WAP (Wireless Application Protocol – протокол беспроводных приложений), или через компьютер по протоколу GPRS (General Packet Radio Service).

Шифрование передаваемой по Интернету информации обеспечивается протоколом SSL (Secured Socket Layer).

III. Адресация в Интернете.

 

Каждый компьютер, подключенный к Интернет, получает уникальный (неповторяющийся) IP-адрес (то есть адрес, соответствующий протоколу IP). При постоянном подключении этот адрес закреплен за ним, при временном – выделяется временный (динамический) адрес на сеанс*.

Действующая четвертая версия протокола поддерживает адреса, состоящие из 32 двоичных цифр (битов),

например: 11000000101010000000000100000011.

Такой метод позволяет присвоить уникальные адреса 2³²=4 294 967 296 устройствам. Но уже к 2005 году устройств, требующих уникального адреса, около 10 миллиардов, что вдвое превышает возможности существующей IP–адресации.

Проблема усугубляется еще и тем, что пространство IP–адресов поделено. Скажем, каждый провайдер имеет право распоряжаться своим набором (пулом) адресов, присваивая их каждому подключающемуся абоненту на время сеанса связи (динамические адреса) или на постоянной основе (выделенные адреса). При этом, по данным Европейской комиссии, 74% IP–адресов принадлежат североамериканским компаниям и организациям. Например, Массачусетский технологический институт и Стэнфордский университет владеют большим количеством адресов, чем все китайские учреждения и компании, вместе взятые.

Расширить адресное пространство призвана шестая версия протокола – IPv6 – в которой адреса уже 128-битные. Такая адресация позволит идентифицировать 3.4*10³⁸ устройств одновременно. Однако ввод в эксплуатацию новой версии протокола сопряжен с определенными трудностями, поэтому некоторое время нам придется довольствоваться возможностями 32–битной адресации. Рассмотрим подробнее принципы ее организации.

Очевидно, что оперировать 32–разрядными числами из нулей и единиц удобно лишь цифровым устройствам, но не человеку. Для удобства человека IP–адрес принято делить на четыре октета, по восемь разрядов (битов) в каждом, и отделять октеты друг от друга точками. При этом каждый октет удобно приводить к десятичному виду.

В этом случае приведенный выше в качестве примера адрес можно преобразовать следующим образом:

11000000101010000000000100000011 à 11000000. 10101000. 00000001. 00000011 à 192.168.1.3

С таким адресом обращаться уже гораздо проще. Теперь давайте вспомним, что Интернет представляет собой совокупность множества сетей. Когда формируется запрос на передачу пакета информации, удобно сразу выяснить – будет ли этот пакет передан внутри какой-то сети, или он запрошен извне. Как это сделать? Можно часть IP–адреса использовать для идентификации сети, а оставшуюся часть – для идентификации входящего в нее отдельного компьютера (или другого устройства). Первую часть назовем номером сети, а вторую – номером узла или хоста. Но сети очень сильно различаются по количеству компьютеров, которые они объединяют. Значит, в разных случаях IP–адрес нужно по-разному делить на части. Так появилась еще одна классификация, теперь уже сетей.

Класс А

Первый октет (восемь бит) IP–адреса любого устройства, подключенного к такой сети, обозначает номер сети. Поэтому сетей класса А можно построить 2⁸ = 256. Первый, а точнее, нулевой бит двоичного IP–адреса в такой сети всегда равен 0.

Оставшиеся три октета (24 разряда) обозначают номер отдельного устройства. Таким образом, в такой сети можно объединить до 2²⁴ = 16 777 216 отдельных устройств.

Класс B

Под номер сети отводится два октета (16 бит) IP–адреса. Значит, таких сетей можно построить 65 536. Первые два бита IP–адреса любого устройства, подключенного к сети класса В – 10.

Еще два октета позволяют адресовать до 2¹⁶ отдельных устройств, то есть те же 65 536.

Класс С

24 разряда описывают номер сети. Всего таких сетей может быть 2²⁴ = 16 777 216. Первые три бита адреса – 110.

Лишь один октет остается для идентификации устройств, подключенных к такой сети. Их может быть не более 256.

 

Класс	Адрес компьютера в сети	Макс. число компьютеров в сети	Первое число IP-адреса
A	24 бита	2^24 – 2 = 16 777 214	0 – 126
B	16 бит	2^16 – 2 = 65 534	128 – 191
C	8 бит	2^8 – 1 = 254	192 – 223

 

Например, адрес 197.98.140.101 соответствует номеру узла 0.0.0.101 в сети 197.98.140.0 класса C.

Несколько IP-адресов зарезервировано для специальных целей, например, ад­рес 127.0.0.0–127.0.0.255 обеспечивает обращение пользователя к себе самому (используется для тестирования программ). Номер сети с номером компьютера, равным 0, обозначает всю эту сеть, а с максимально возможным номером (255 для сети C) – используется для широковещательного сообщения, отправляемого всем компьютерам сети.

Пользователям удобнее работать не с физическими адресами, а с доменными именами сетей и компьютеров в Интернет. Такое имя состоит из разделенных точками символьных обозначений доменов** – фрагментов сети. Справа налево ука­зываются самый обширный, старший домен (первый или верхний уровень), затем более младшие, вложенные один в другой домены, и так далее до самого левого домена, соответствующего конечному узлу сети. В начале доменного имени перед именем компьютера может указываться служба Интернета, в ко­то­рой работает данный узел сети (например, www. – «всемирная паутина» или ftp. – служба пересылки файлов).

Домены верхнего уровня обозначают чаще всего двумя (страна) или тремя (тип организации) буквами.

 

Домен верхнего уровня	Страна	Домен верхнего уровня	Тип организации
ca	Канада	com	Коммерческая
de	Германия	edu	Образовательная
jp	Япония	gov	Правительственная (США)
ru	Россия	int	Международная
uk	Велико­бри­та­ния	net	Компьютерная сеть
us	США	org	Некоммерческая

 

Например, microsoft.com – доменный адрес компании Microsoft в домене коммерческих серверов, а init.susu.ac.ru – адрес домена локальной сети кафедры ИнИТ (init), являющейся поддоменом сети университета ЮУрГУ (susu) в академическом домене (ac) русских серверов (ru).

Однозначное соответствие между физическими и доменными именами обеспечивается специальной службой (системой) доменных имен Интернета – DNS (Domain Name Syervice (System)), состоящей из компьютеров, которые называют DNS-серверами (у каждого домена есть обслуживающий его DNS-сервер). Пользователь имеет дело с доменными именами, а передача данных между компьютерами осуществляется по физическим адресам, автоматически определяемым путем обращения к соответствующим DNS-серверам.

Доменные имена и физические IP-адреса распределяются международным координационным центром доменных имен и IP-адресов (ICANN), в который входят по 5 представителей от каждого континента (адрес в Интернет www.icann.org).

 

Для доступа к файлу (программе, документу) в Интернете нужно указать URL-адрес (Uniform* Resource Locator – унифицированный указатель ресурсов), состоящий из:

a) названия протокола, используемого для доступа к файлу и отделенного от по­следующей части двоеточием и двумя косыми чертами;

b) доменного имени компьютера, отделяемого от последующего косой чер­той;

c) полного имени файла на компьютере (без указания логического диска), включающего, как известно, путь доступа (перечень вложенных каталогов), собственно имя и расширение файла.

В URL-адресе могут использоваться только латинские буквы (строчные и про­писные буквы считаются различными) без пробелов. Путь и имя файла мо­гут от­сутствовать, что соответствует обращению к самому компьютеру (сер­ве­ру).

Например, http://www.students.informatika.ru/library/txt/klassika.htm сответствует файлу klassika с расширением htm, расположенному в подкаталоге txt, каталога library на сервере students поддомена informatika русского домена Интернета. Этот сервер относится к службе www («всемирной паутине»), а для доступа к файлу используется протокол http.

Адрес ftp://ftp.netscape.com/books/history.doc используется при получении файла history.doc, расположенного на сервере netscape коммерческого домена Интернета с использованием протокола передачи файлов ftp (службы ftp).

 

Для работы с электронной почтой необходимо зарегистрировать на одном из серверов Интернета свой почтовый ящик, которому присваивается адрес электронной почты. Такой адрес состоит из доменного имени сервера и за­пи­санного перед ним имени почтового ящика (его выбирает пользователь при ре­гистрации). Две эти части адреса разделяются символом @ (читается «эт», часто используют жаргонные выражения «собака» или «ухо»).

Например, [e-mail] – почтовый ящик абонента, выбравшего имя director на сервере vt.miee.ru заменить на наш.