Протоколы уровня приложений tcp ip

Лекция №3

Стек протоколов TCP / IP

План лекции

Стек TCP/IP.

История создания стека TCP/IP.

Модель OSI.

Структура TCP/IP.

Документы RFC.

Обзор основных протоколов.

Утилиты диагностики TCP/IP.

Контрольные вопросы.

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.

4. Транспортный уровень (transport layer) решает задачу надежной передачи сообщений в составной сети с помощью подтверждения доставки и повторной отправки пакетов. Этот уровень и все следующие реализуются программно.

5. Сеансовый уровень (session layer) позволяет запоминать информацию о текущем состоянии сеанса связи и в случае разрыва соединения возобновлять сеанс с этого состояния.

6. Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование передаваемой информации из одной кодировки в другую (например, из ASCII в EBCDIC).

7. Прикладной уровень (application layer) реализует интерфейс между остальными уровнями модели и пользовательскими приложениями.

Структура TCP / IP

В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD (Department of Defense – Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2.2.

DIV_ADBLOCK187">

3) черновой стандарт (Draft Standard) – документ становится черновым стандартом, если не менее двух независимых разработчиков реализовали и успешно применили предлагаемые спецификации. На этом этапе ещё допускаются незначительные исправления и усовершенствования;

4) стандарт Интернета (Internet Standard) – наивысший этап утверждения стандарта, спецификации документа получили широкое распространение и хорошо зарекомендовали себя на практике. Список стандартов Интернета приведен в RFC 3700. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета».

Кроме стандартов документами RFC могут быть также описания новых сетевых концепций и идей, руководства, результаты экспериментальных исследований, представленных для информации и т. д. Таким документам RFC может быть присвоен один из следующих статусов:

экспериментальный (Experimental) – документ, содержащий сведения о научных исследованиях и разработках, которые могут заинтересовать членов ISOC;

информационный (Informational) – документ, опубликованный для предоставления информации и не требующий одобрения сообщества ISOC;

лучший современный опыт (Best Current Practice) – документ, предназначенный для передачи опыта конкретных разработок, например реализаций протоколов.

Статус указывается в заголовке документа RFC после слова Category (Категория). Для документов в статусе стандартов (Proposed Standard, Draft Standard, Internet Standard) указывается название Standards Track , так как уровень готовности может меняться.

Номера RFC присваиваются последовательно и никогда не выдаются повторно. Первоначальный вариант RFC никогда не обновляется. Обновленная версия публикуется под новым номером. Устаревший и замененный документ RFC получает статус исторический (Historic).

Все существующие на сегодня документы RFC можно посмотреть, например, на сайте www. rfc-editor. org . В августе 2007 года их насчитывалось более 5000. Документы RFC, упоминаемые в этом курсе, приведены в Приложении I.

Обзор основных протоколов

Протокол IP (Internet Protocol) – это основной протокол сетевого уровня, отвечающий за адресацию в составных сетях и передачу пакета между сетями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т. е. не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Обеспечением гарантий занимается протокол транспортного уровня TCP.

Протоколы RIP (Routing Information Protocol – протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First – « первыми открываются кратчайшие маршруты») – протоколы маршрутизации в IP-сетях.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol – протокол управляющих сообщений в составных сетях) предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов сообщает о невозможности доставки пакета, о продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol – протокол преобразования адресов) преобразует IP-адреса в аппаратные адреса локальных сетей. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RAPR (Reverse ARP).

TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными узлами сети за счет образования логических соединений. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт на любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части – сегменты и передает их сетевому уровню. После того как эти сегменты будут доставлены в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя) обеспечивает передачу данных дейтаграммным способом.

HTTP (HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) – протокол доставки web-документов, основной протокол службы WWW.

FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) – протокол для пересылки информации, хранящейся в файлах.

POP3 (Post Office Protocol version 3 – протокол почтового офиса) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) – протоколы для доставки входящей электронной почты (POP3) и отправки исходящей (SMTP).

Telnet – протокол эмуляции терминала1, позволяющий пользователю подключаться к другим удалённым станциям и работать с ними со своей машины, как если бы она была их удалённым терминалом.

SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью) предназначен для диагностики работоспособности различных устройств сети.

1 Терминал – это сочетание устройства ввода и устройства вывода, например клавиатура и дисплей.

Утилиты диагностики TCP / IP

В состав операционной системы Windows Server 2003 входит ряд утилит (небольших программ), предназначенных для диагностики функционирования стека TCP/IP. Каждый системный администратор должен знать эти утилиты и уметь применять их на практике.

Информацию о любой утилите можно вывести, набрав в командной строке имя утилиты с ключом «/?», например: IPconfig /?

IPconfig

Утилита предназначена, во-первых, для вывода информации о конфигурации стека TCP/IP, во-вторых, для выполнения некоторых действий по настройке стека.

При вводе названия утилиты в командной строке без параметров на экране отобразится информация об основных настройках TCP/IP (эти настройки рассматриваются в следующих лекциях):

– суффикс DNS (Connection-specific DNS Suffix);

– IP-адрес (IP Address);

– маска подсети (Subnet Mask);

– шлюз по умолчанию (Default Gateway).

Приведем основные ключи утилиты:

/ all – отображение полной информации о настройке стека TCP/IP на данном компьютере. Следует отметить, что при наличии нескольких сетевых адаптеров выводятся данные по каждому адаптеру отдельно. Наиболее важные сведения кроме представленных выше – физический адрес (МАС-адрес) сетевого адаптера (Physical Address) и наличие разрешения DHCP (DHCP Enabled).

/ release – освобождение IP-адреса (имеет смысл, если DHCP разрешен).

/ renew – обновление конфигурации TCP/IP (обычно выполняется, если DHCP разрешен).

/ displaydns – вывод на экран кэша имен DNS.

/ flushdns – очистка кэша имен DNS.

/ registerdns – обновление аренды DHCP и перерегистрация доменного имени в базе данных службы DNS.

Основная цель этой популярной утилиты – выяснение возможности установления соединения с удаленным узлом. Кроме того, утилита может обратиться к удаленному компьютеру по доменному имени, чтобы проверить способность преобразования символьного доменного имени в IP-адрес.

Принцип работы: утилита отправляет на удаленный узел несколько пакетов (число пакетов определяется ключом – n , по умолчанию четыре) по протоколу ICMP. Такие пакеты называются эхо-пакетами, т. е. требуют

ответа. Если удаленный узел доступен, он отвечает на каждый эхо-пакет своим пакетом, а утилита измеряет интервал между отправкой эхо-пакета и приходом ответа.

Нужно отметить, что отсутствие ответа может быть связано не с физической недоступностью удаленного компьютера, а с тем, что на нем установлено программное обеспечение, запрещающее отправку ответов на эхо-пакеты (брандмауэр – firewall).

Основные ключи:

– t – пакеты отправляются до тех пор, пока пользователь не нажмет комбинацию CTRL+C.

– a – определение доменного имени по IP-адресу.

– l <размер> – максимальный размер пакета (по умолчанию 32 байта).

– w <таймаут> – задание времени ожидания ответа в миллисекундах (по умолчанию 1000 миллисекунд = 1 секунда).

Название утилиты произошло от Trace Route – отслеживание маршрута. Утилита позволяет решить следующие задачи:

– проследить путь прохождения пакета от данного компьютера до удаленного узла (отображаются промежуточные узлы-маршрутизаторы);

– выявить участки задержки пакетов;

– выявить места потери пакетов.

Принцип работы: утилита отправляет эхо-пакеты на заданный удаленный узел. Отличие между эхо-пакетами заключается в параметре, который называется «время жизни» (TTL – Time To Live). Этот параметр обозначает количество маршрутизаторов (процесс перехода пакета через маршрутизатор называется hop – прыжок), которое может пройти пакет, прежде чем попадет на заданный узел. Каждый маршрутизатор уменьшает время жизни на единицу. Если на каком-то маршрутизаторе TTL станет равным нулю, тот отбрасывает пакет и отправляет служебное сообщение на узел-источник.

Первый эхо-пакет посылается с временем жизни, равным единице. Первый маршрутизатор отбрасывает эхо-пакет и отправляет служебное сообщение, в котором содержится информации об имени и адресе маршрутизатора. Следующий эхо-пакет имеет TTL = 2 и отбрасывается уже на втором маршрутизаторе. Таким образом, эхо-пакеты отправляются с увеличением времени жизни на единицу, пока не придет ответ от заданного удаленного узла или время ожидания не будет превышено.

Основные ключи:

/ h < maximum_ hops> – максимальное число хопов (маршрутизаторов) при поиске узла.

/ w <таймаут> – задание времени ожидания ответа в миллисекундах.

Утилита отображает статистическую информацию по протоколам IP, TCP, UDP и ICMP, а также позволяет отслеживать сетевые соединения. Основные ключи:

/ a – список всех подключений и прослушивающихся портов.

/e – статистика для Ethernet.

/ n – список всех подключений и портов в числовом формате.

/ s – статистика для перечисленных четырех протоколов.

< interval> – интервал в секундах, через который утилита выводит требуемую информацию (для прекращения вывода – CTRL+C).

Эта утилита работает с протоколами преобразования IP-адресов в МАС-адреса и обратно ARP и RARP. С её помощью можно выводить на экран таблицу соответствия IP-адресов и МАС-адресов (ARP-кэш), добавлять и удалять записи в ней.

Основные ключи:

/ a – отображение таблицы ARP или, если указан IP-адрес, запись только для этого адреса.

/ s – добавление записи в таблицу.

/ d – удаление записи из таблицы.

Hostname

Это самая простая утилита – она выводит на экран имя компьютера.

Резюме

Стек протоколов TCP/IP – это самый распространенный на сегодняшний день набор иерархически упорядоченных протоколов, применяемый как в локальных, так и в глобальных сетях. Важнейшие протоколы стека – IP, TCP и UDP – появились в начале 80-х годов в рамках проекта ARPANET, который являлся предшественником Интернета. В 90-е годы по мере развития Интернета роль стека TCP/IP сильно возросла.

Стек TCP/IP был разработан на основе модели сетевого взаимодействия DARPA, хотя между уровнями модели DARPA, международной семиуровневой моделью OSI и стеком TCP/IP может быть установлено соответствие. Стандарты протоколов TCP/IP отражены в свободно доступных документах RFC.

Основными протоколами стека являются IP, TCP, UDP, ICMP, ARP, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, протоколы прикладного уровня HTTP, FTP, POP3, SMTP, telnet, SNMP.

Для диагностики и управления стеком TCP/IP в операционной системе Microsoft Windows Server 2003 существуют специальные утилиты – IPconfig, ping, tracert, netstat, arp, hostname и др.

Контрольные вопросы

1. Объясните, что означают свойства «платформонезависимость» и «открытость» применительно к стеку протоколов TCP/IP.

2. Что такое ARPANET?

3. Поясните, для чего предназначена модель OSI? Где она применяется?

4. Назовите функции канального, сетевого и транспортного уровней модели OSI.

5. Чем отличается модель DARPA (DoD) от модели OSI? Как вы думаете, почему?

6. Что такое RFC? В файлах какого формата издаются RFC?

7. Для чего используется протокол ICMP? Протокол ARP?

8. Поясните принцип работы утилиты ping.

9. Поясните принцип работы утилиты tracert.

Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP (табл. 2.1), предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

Таблица 2.1. Семейство протоколов TCP/IP

Реализация TCP/IP фирмы Microsoft соответствует четырехуровневой модели вместо семиуровневой модели, как показано на рис. 2.2. Модель TCP/IP включает большее число функций на один уровень, что приводит к уменьшению числа уровней. В модели используются следующие уровни:

Уровень Приложения модели TCP/IP соответствует уровням Приложения, Представления и Сеанса модели OSI;

Уровень Транспорта модели TCP/IP соответствует аналогичному уровню Транспорта модели OSI;

Рис. 2.2. Соответствие семиуровневой модели OSI и четырехуровневой модели TCP/IP

Межсетевой уровень модели TCP/IP выполняет те же функции, что и уровень Сети модели OSI;

Уровень сетевого интерфейса модели TCP/IP соответствует Канальному и Физическому уровням модели OSI.

Уровень Приложения

Через уровень Приложения модели TCP/IP приложения и службы получают доступ к сети. Доступ к протоколам TCP/IP осуществляется посредством двух программных интерфейсов (API – Application Programming Interface):

Сокеты Windows;

Интерфейс сокетов Windows, или как его называют WinSock, является сетевым программным интерфейсом, предназначенным для облегчения взаимодействия между различными TCP/IP – приложениями и семействами протоколов.

Интерфейс NetBIOS используется для связи между процессами (IPC – Interposes Communications) служб и приложений ОС Windows. NetBIOS выполняет три основных функции: определение имен NetBIOS; служба дейтаграмм NetBIOS; служба сеанса NetBIOS.

Уровень транспорта

Уровень транспорта TCP/IP отвечает за установления и поддержания соединения между двумя узлами. Основные функции уровня:

Подтверждение получения информации;

Управление потоком данных;

Упорядочение и ретрансляция пакетов.

В зависимости от типа службы могут быть использованы два протокола:

TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей);

UDP (User Datagram Protocol – пользовательский протокол дейтаграмм).

TCP обычно используют в тех случаях, когда приложению требуется передать большой объем информации и убедиться, что данные своевременно получены адресатом. Приложения и службы, отправляющие небольшие объемы данных и не нуждающиеся в получении подтверждения, используют протокол UDP, который является протоколом без установления соединения.

Протокол управления передачей (TCP)

Протокол управления передачей данных – TCP (Transmission Control Protocol) – обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений . Появился в начальный период создания сетей, когда глобальные сети не отличались особой надежностью.

Надежность протокола TCP заключается в следующем:

– он диагностирует ошибки,

– при необходимости посылает данные повторно,

– если не может самостоятельно исправить ошибку, сообщает о ней на другие уровни.

Перед отправкой сегментов информации вниз по модели отправляющий протокол TCP контактирует с принимающим протоколом TCP с целью установления связи. В результате создается виртуальный канал. Такой тип коммуникации называется ориентированным на соединение.

Установление соединения происходит в три шага:

1. Клиент, запрашивающий соединение, отправляет серверу пакет, указывающий номер порта, который клиент желает использовать, а также код (определенное число) ISN (Initial Sequence number).

2. Сервер отвечает пакетом, содержащий ISN сервера, а также ISN клиента, увеличенный на 1.

3. Клиент должен подтвердить установление соединения, вернув ISN сервера, увеличенный на 1.

Принцип работы TCP:

Берет из приложения большие блоки информации, разбивает их на сегменты,

Нумерует и упорядочивает каждый сегмент так, чтобы протокол TCP на принимающей стороне мог правильно соединить все сегменты в исходный большой блок;

Согласовывает с протоколом принимающей стороны количество информации, которое должно быть отправлено до получения подтверждения от принимающего TCP;

После отправки сегментов TCP ждет подтверждения от целевого TCP о получении каждого из них;

Заново отправляет те сегменты, получение которых не было подтверждено.

Трехступенчатое открытие соединения устанавливает номер порта, а также ISN клиента и сервера. Каждый, отправляемый TCP-пакет содержит номера TCP-портов отправителя и получателя, номер фрагмента для сообщений, разбитых на меньшие части, а также контрольную сумму, позволяющую убедиться, что при передаче не произошло ошибок. Протокол TCP отвечает за надежную передачу данных от одного узла сети к другому. Он создает сеанс с установлением соединения, иначе говоря, виртуальный канал между машинами.

Пользовательский протокол дейтаграмм (UDP)

Протокол UDP предназначен для отправки небольших объемов данных (дейтаграмм) без установки соединения и используется приложениями, которые не нуждаются в подтверждении адресатом их получения . UDP считается более простым протоколом, так как не загромождает сеть служебной информацией и выполняет не все функции TCP. Однако он успешно справляется с передачей информации, не требующей гарантированной доставки, и при этом использует намного меньше сетевых ресурсов. UDP не создает виртуальных каналов и не контактирует с целевым устройством перед отправкой информации. Поэтому он считается протоколом без постоянного соединения, или не ориентированным на соединение .

Принцип работы UDP:

Получает с верхних уровней блоки информации, разбивает их на сегменты;

Нумерует каждый из сегментов, чтобы все сегменты можно было воссоединить в требуемый блок в пункте назначения, но не упорядочивает сегменты и не заботится о том, в каком порядке они поступят в место назначения,

Отправляет сегменты и «забывает» о них;

Не ждет подтверждений о получении и даже не допускает таких подтверждений и потому считается ненадежным протоколом. Но это не значит, что UDP неэффективен – просто он не относится к надежным протоколам.

UDP также использует номера портов для определения конкретного процесса по указанному IP-адресу. Однако UDP-порты отличаются от TCP-портов и, следовательно, могут использовать те же номера портов, что и TCP, без конфликта между службами.

Межсетевой уровень

Межсетевой уровень отвечает за маршрутизацию данных внутри сети и между различными сетями. На этом уровне работают маршрутизаторы, которые зависят от используемого протокола и используются для отправки пакетов из одной сети (или ее сегмента) в другую (или другой сегмент сети). В стеке TCP/IP на этом уровне используется протокол IP.

Протокол Интернета IP

Протокол IP обеспечивает обмен дейтаграммами между узлами сети и является протоколом, не устанавливающим соединения и использующим дейтаграммы для отправки данных из одной сети в другую. Данный протокол не ожидает получение подтверждения (ASK, Acknowledgment) отправленных пакетов от узла адресата. Подтверждения, а также повторные отправки пакетов осуществляется протоколами и процессами, работающими на верхних уровнях модели.

К его функциям относится фрагментация дейтаграмм и межсетевая адресация. Протокол IP предоставляет управляющую информацию для сборки фрагментированных дейтаграмм. Главной функцией протокола является межсетевая и глобальная адресация. В зависимости от размера сети, по которой будет маршрутизироваться дейтаграмма или пакет, применяется одна из трех схем адресации.

Адресация в IP-сетях

Каждый компьютер в сетях TCP/IP имеет адреса трех уровней: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя) .

Физический, или локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена сеть, в которую входит узел. Для узлов, входящих в локальные сети – это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем.

Сетевой, или IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

При разработке протокола IP на основе размера сетей были выделены их классы (табл. 2.2):

· Класс а – немногочисленные сети с очень большим количеством узлов; номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети.

· Класс В – сети средних размеров; под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов (по 2 байта).

· Класс С – сети с малым числом узлов; под адрес сети отводится 24 бита (3 байта), а под адрес узла – 8 битов (1 байт).

Таблица 2.2. Классы сетей

· Адреса класса D – особые, групповые адреса – multicast; могут использоваться для рассылки сообщений определенной группе узлов. Если в пакете указан адрес назначения, принадлежащий классу D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

· Адреса класса Е зарезервированы для будущих применений.

Помимо вышеописанных адресов существуют зарезервированные адреса, которые используются особым образом.

Если в поле номера сети стоят 0

0 0 0 0...................................0 Номер узла,

то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет: если адрес компьютера 128.187.0.0, то указанный в сообщении адрес 0.0.25.31 неявно преобразуется в адрес 128.187.25.31;

Адрес 127.0.0.Х зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback или localhost. Если программа отправит пакет с таким адресом, то этот пакет, не выйдя за пределы компьютера, пройдется по всем уровням сетевой подсистемы и вернется к этой программе. Позволяет разрабатывать и тестировать сетевое программное обеспечение на локальном компьютере, в т. ч. и вообще не имеющем сетевого адаптера.

Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1

1 1 1 1...................................1 1,

то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и отправитель. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

Если в поле адреса узла назначения стоят сплошные 1

Адрес сети 1111................11,

то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным адресом. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

Адреса класса D ‑ форма группового IP-адреса – multicast. Пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения, в отличие от широковещательных, называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

Символьный адрес, или DNS-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Числовая адресация удобна для машинной обработки таблиц маршрутов. Для использования человеком она представляет определенные трудности. Для облегчения взаимодействия вначале применялись таблицы соответствия числовых адресов именам машин. Например, в ОС UNIX в каталоге /etc находится файл с именем hosts, который может иметь следующий вид:

IP-адрес Имя машины

127.0.0.1 localhost

144.206.160.32 Polyn

144.206.160.40 Apollo

По мере роста сети была разработана система доменных имен – DNS (Domain Name System), которая позволяет присваивать компьютерам легко запоминаемые имена, например yahoo.com, и отвечает за перевод этих имен обратно в IP-адреса. DNS строится по иерархическому принципу, однако эта иерархия не является строгой. Фактически нет единого корня всех доменов Internet.

Компьютерное имя имеет по меньшей мере два уровня доменов, отделяемых друг от друга точкой (.). Идущие после доменов верхнего уровня домены обычно определяют либо регионы (msk), либо организации (ulstu). Следующие уровни иерархии могут быть закреплены за небольшими организациями, либо за подразделениями больших организаций или частными лицами (например, alvinsoft.h11.ru).

Все, что находится слева, является поддоменом для общего домена. Таким образом, в имени somesite.uln.ru, somesite является поддоменом uln, который в свою очередь является поддоменом ru.

Наиболее популярной программой поддержки DNS является BIND, или Berkeley Internet Name Domain, – сервер доменных имен, который широко применяется в Internet. Он обеспечивает поиск доменных имен и IP-адресов для любого узла сети. BIND обеспечивает также рассылку сообщений электронной почты через узлы Internet.

BIND реализован по схеме «клиент-сервер». Различают четыре вида серверов:

· primary master-сервер поддерживает свою базу данных имен и обслуживает местный домен;

· secondary master-сервер обслуживает свой домен, но данные об адресах части своих машин получает по сети с другого сервера;

· caching-сервер не имеет своего домена. Он получает данные либо с одного из master-серверов, либо из буфера;

· удаленный сервер обычный master-сервер, установленный на удаленной машине, к которому обращаются программы по сети.

Primary или secondary master-серверы устанавливаются обычно на машинах, которые являются шлюзами для локальных сетей.

Шлюз (Gateway) – система, выполняющая преобразование из одного формата в другой.

Сервер имен может быть установлен на любой компьютер локальной сети. При этом необходимо учитывать его производительность, так как многие реализации серверов держат базы данных имен в оперативной памяти. При этом часто подгружается информация и с других серверов. Поэтому это может быть причиной задержек при разрешении запроса на адрес по имени машины.

Протоколы сопоставления адреса ARP и RARP

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol (ARP) . ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети – протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило, не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу – нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP – RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным
IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным адресом. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета.

Протокол ICMP

Протокол управления сообщениями Интернета (ICMP – Internet Control Message Protocol) используется IP и другими протоколами высокого уровня для отправки и получения отчетов о состоянии переданной информации. Этот протокол используется для контроля скорости передачи информации между двумя системами. Если маршрутизатор, соединяющий две системы, перегружен трафиком, он может отправить специальное сообщение ICMP-ошибку для уменьшения скорости отправления сообщений. Является частью сетевого уровня набора протоколов TCP/IP.

Протокол ICMP для своих целей использует сообщения, два из которых называются эхо-запрос ICMP и эхо-ответ ICMP:

· Эхо-запрос подразумевает, что компьютер, которому он был отправлен, должен ответить на этот пакет.

· Эхо-ответ – это тип ICMP-сообщения, которое используется для ответа на такой запрос.

Эти сообщения отправляются и принимаются с помощью команды ping (Packet Internet Groper).

С помощью специальных пакетов ICMP можно получить информацию:

· о невозможности доставки пакета,

· о превышении времени жизни пакета,

· о превышении продолжительности сборки пакета из фрагментов,

· об аномальных величинах параметров,

· об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания,

· о состоянии системы и т. п.

Протокол IGMP

Узлы локальной сети используютпротокол управления группами Интернета (IGMP – Internet Group Management Protocol), чтобы зарегистрировать себя в группе. Информация о группах содержится на маршрутизаторах локальной сети. Маршрутизаторы используют эту информацию для передачи групповых сообщений.

Групповое сообщение, как и широковещательное, используется для отправки данных сразу нескольким узлам.

Network Device Interface Specification (NDIS) – спецификация интерфейса сетевого устройства, программный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между драйверами транспортных протоколов, и соответствующими драйверами сетевых интерфейсов. Позволяет использовать несколько протоколов, даже если установлена только одна сетевая карта.

Уровень сетевого интерфейса

Этот уровень модели TCP/IP отвечает за распределение IP-дейтаграмм. Он работает с ARP для определения информации, которая должна быть помещена в заголовок каждого кадра. Затем на этом уровне создается кадр, подходящий для используемого типа сети, такого как Ethernet, Token Ring или ATM, затем IP-дейтаграмма помещается в область данных этого кадра, и он отправляется в сеть.

Транспортный уровень (Transport Layer - TL) определяет правила транспортировки пакетов по сети. Транспортный уровень наблюдает за доставкой из конца в конец индивидуальных пакетов, он не учитывает никаких зависимостей между этими пакетами (даже принадлежащими к одному сообщению). Он обрабатывает каждый пакет как если бы каждая часть принадлежала отдельному сообщению, независимо от того, так это на самом деле или нет. Протоколы транспортного уровня гарантируют, что все сообщения прибывают в конечный пункт неповрежденными и пакеты располагаются в первоначальном порядке. На транспортном уровне осуществляется контроль нарушения информации и контроль ошибок, а также управление потоком по всему тракту "источник - пункт назначения".

Транспортный уровень выполняет следующие задачи:

• Адресация точки сервиса . Компьютеры часто выполняют несколько программ в одно и то же время. По этой причине доставка "источник - пункт назначения" означает доставку не только от одного компьютера до следующего, но также и от заданного процесса (функционирующей программы) на одном компьютере к заданному процессу (функционирующей программе) на другом. Поэтому заголовок транспортного уровня должен включать тип адреса, называемый адрес сервисной точки (или адрес порта). Сетевой уровень доставляет каждый пакет на корректный адрес компьютера; транспортный уровень доставляет полное сообщение к корректному процессу на этом компьютере.
• Сегментация и повторная сборка . Сообщение разделено на транспортируемые сегменты, каждый сегмент содержит порядковый номер. Эти номера дают возможность транспортному уровню после достижения пункта назначения правильно повторно собрать сообщение и заменять пакеты, которые были потеряны в передаче.
• Управление подключением . Транспортный уровень может быть ориентирован на работу без установления соединения ( connectionless transfer) или ориентирован на подключение ( connection-oriented transfer) - дейтаграммный режим. Транспортный уровень без установления соединения (по предварительно установленному виртуальному соединению) обрабатывает каждый сегмент как независимый пакет и поставляет его транспортному уровню в машине пункта назначения. Ориентированный на подключение транспортный уровень сначала перед поставкой пакетов устанавливает соединение с транспортным уровнем в компьютере пункта назначения. После того как все данные переданы, подключение заканчивается.

  В режиме, не ориентированном на соединение, транспортный уровень используется для передачи одиночных дейтаграмм, не гарантируя их надежную доставку. Режим, ориентированный на соединение, применяется для надежной доставки данных.

• Управление потоком . Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за управление потоком. Однако управление потоком на этом уровне выполняется от "конца концу".
• Контроль ошибок . Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за контроль ошибок. Транспортный уровень передачи удостоверяется, что полное сообщение достигло транспортного уровня приема без ошибки (повреждения, потери или дублирования). Исправление ошибки обычно происходит с помощью повторной передачи.

Уровень сеанса (Session Layer SL) - сетевой контроллер диалога. Он устанавливает, поддерживает и синхронизирует взаимодействие между связывающимися системами.

При помощи сеансового уровня ( Session Layer ) организуется диалог между сторонами, фиксируется, какая из сторон является инициатором, какая из сторон активна и каким образом завершается диалог.

Задачи сеансового уровня следующие:

• Управление диалогом . Сеансовый уровень дает возможность двум системам вступать в диалог. Он позволяет обмен сообщениями между двумя процессами. При этом возможны режимы: либо полудуплексный (один путь одновременно), либо дуплексный (два пути одновременно). Например, диалог между терминалом и универсальной ЭВМ может быть полудуплексным.
• Синхронизация . Сеансовый уровень позволяет процессу добавлять контрольные точки (точки синхронизации) в поток данных. Например, если система посылает файл из 2 000 страниц, желательно вставить контрольные точки после каждых 100 страниц, чтобы гарантировать, что каждый модуль со 100 страницами получен и опознается независимо. В этом случае, если случается нарушение в течение передачи страницы 523, единственная страница, которую требуется и которая будет снова послана после системного восстановления - страница 501 (первая страница пятой сотни)

Уровень представления (Presentation Layer) занимается формой предоставления информации нижележащим уровням, например, перекодировкой или шифрованием информации.

Задачи уровня представления следующие:

• Перекодировка информации . Процессы (функционирующие программы) в двух системах обычно меняют информацию в форме символьных строк, чисел и так далее. Информация, прежде чем быть переданной, должна быть изменена на потоки бит. Поскольку различные компьютеры используют различные системы кодирования, уровень представления несет ответственность за способность к взаимодействию между этими различными методами кодирования. Уровень представления в передатчике изменяет информацию от формы, зависящей от передатчика, в общую форму. Уровень представления в компьютере приема заменяет общий формат в формат его приемника.
• Шифрование . Чтобы доставлять конфиденциальную информацию, система должна обеспечить секретность. Шифрование означает, что передатчик преобразовывает первоначальную информацию к другой форме и посылает результирующее сообщение по сети. Расшифровка должна быть полностью противоположна первоначальному процессу, чтобы преобразовать сообщение назад к его первоначальной форме.
• Сжатие . Сжатие данных уменьшает число битов, содержавшихся в информации. Сжатие данных становится особенно важным в передаче мультимедиа, таких как текст, аудио и видео.

Прикладной уровень (Application Layer - AL) - это набор протоколов, которыми обмениваются удаленные узлы, реализующие одну и ту же задачу (программу). Прикладной уровень дает возможность пользователю (человеку либо программному обеспечению) обращаться к сети. Он обеспечивает интерфейсы пользователя и поддержку услуг - электронной почты, удаленного доступа и перевода средств, общедоступного управления базы данных и других типов распределенных информационных служб.

Примеры услуг, оказываемых прикладным уровнем:

• Сетевой виртуальный терминал . Сетевой виртуальный терминал - программная версия физического терминала, он позволяет пользователю войти в удаленный хост. Чтобы сделать это, приложение создает программную имитацию терминала в удаленном хосте. Компьютер пользователя общается с программным терминалом, который, в свою очередь, общается с хостом, и наоборот. Удаленный хост определяет эту связь как связь с одним из его собственных терминалов и позволяет вход.
• Передача файлов, доступ и управление . Это приложение позволяет пользователю обращаться к файлам в удаленном хосте, чтобы изменять или читать данные, извлекать файлы из удаленного компьютера для использования в местном компьютере и администрировать или управлять файлами на удаленном компьютере.
• Услуги почты . Это приложение обеспечивает базу для передачи и хранения электронной почты.
• Услуги каталога . Это приложение обеспечивает распределенные источники базы данных и доступ к глобальной информации о различных объектах и услугах.

Стек протоколов Интернета

Стек протоколов сети Интернет2 был разработан до модели OSI . Поэтому уровни в стеке протоколов Интернета не соответствуют аналогичным уровням в модели OSI . Стек протоколов Интернета состоит из пяти уровней: физического, звена передачи данных, сети, транспортного и прикладного. Первые четыре уровня обеспечивают физические стандарты, сетевой интерфейс , межсетевое взаимодействие и транспортные функции, которые соответствуют первым четырем уровням модели OSI . Три самых верхних уровня в модели OSI представлены в стеке протоколов Интернета единственным уровнем, называемым прикладным уровнем рис. 1.3.

Рис. 1.3.

Протоколы TCP/IP основа работы глобальной сети Интернет. Если быть более точным, то TCP/IP это список или стек протоколов, а по сути, набор правил по которым происходит обмен информации (реализуется модель коммутации пакетов).

В этой статье разберем принципы работы стека протоколов TCP/IP и попробуем понять принципы их работы.

Примечание: Зачастую, обревиатурой TCP/IP называют всю сеть, работающую на основе этих двух протоколов, TCP и IP.

В модель такой сети кроме основных протоколов TCP (транспортный уровень) и IP (протокол сетевого уровня) входят протоколы прикладного и сетевого уровней (смотри фото). Но вернемся непосредственно к протоколам TCP и IP.

Что такое протоколы TCP/IP

TCP — Transfer Control Protocol . Протокол управления передачей. Он служит для обеспечения и установление надежного соединения между двумя устройствами и надежную передачу данных. При этом протокол TCP контролирует оптимальный размер передаваемого пакета данных, осуществляя новую посылку при сбое передачи.

IP — Internet Protocol. Интернет протокол или адресный протокол — основа всей архитектуры передачи данных. Протокол IP служит для доставки сетевого пакета данных по нужному адресу. При этом информация разбивается на пакеты, которые независимо передвигаются по сети до нужного адресата.

Форматы протоколов TCP/IP

Формат IP протокола

Существуют два формата для IP адресов IP протокола.

Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.

Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.

Как работают протоколы TCP/IP

Если удобно представьте передаче пакетов данных в сети, как отправку письма по почте.

Если неудобно, представьте два компьютера соединенных сетью. Причем сеть соединения может быть любой как локальной, так и глобальной. Разницы в принципе передачи данных нет. Компьютер в сети также можно считать хостом или узлом.

Протокол IP

Каждый компьютер в сети имеют свой уникальный адрес. В глобальной сети Интернет, компьютер имеет этот адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address).

По аналогии с почтой, IP- адрес это номер дома. Но номера дома для получения письма недостаточно.

Передаваемая по сети информация передается не компьютером, как таковым, а приложениями, установленными на него. Такими приложениями являются сервер почты, веб-сервер, FTP и т.п. Для идентификации пакета передаваемой информации, каждое приложение прикрепляется к определенному порту. Например: веб-сервер слушает порт 80, FTP слушает порт 21, почтовый SMTP сервер слушает порт 25, сервер POP3 читает почту почтовых ящиков на порте 110.

Таким образом, в адресном пакете в протоколе TCP/IP, в адресатах появляется еще одна строка: порт. Аналог с почтой — порт это номер квартиры отправителя и адресата.

Пример:

Source address (Адрес отправителя):

IP: 82.146.47.66

Destination address (Адресполучателя):

IP: 195.34.31.236

Стоит запомнить: IP адрес + номер порта — называется «сокет». В примере выше: с сокета 82.146.47.66:2049 пакет отправляется на сокет 195.34.31.236: 53.

Протокол TCP

Протокол TCP это протокол следующего после протокола IP уровня. Предназначен этот протокол для контроля передачи информации и ее целостности.

Например, Передаваемая информация разбивается на отдельные пакеты. Пакеты доставят получателю независимо. В процессе передачи один из пакетов не передался. Протокол TCP обеспечивает повторные передачи, до получения этого пакета получателем.

Транспортный протокол TCP скрывает от протоколов высшего уровня (физического, канального, сетевого IP все проблемы и детали передачи данных).

Сегодня стек TCP/IP широко используется как в глобальных, так и в локальных сетях. Этот стек имеет иерархическую структуру, в которой определено 4 уровня (таб. 1).

Таб. 1. Иерархическая структура стека TCP/IP

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала telnet, простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах.

Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

• гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);
• оставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на хосте-отправителе и хосте-получателе могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов на любой другой компьютер, входящий в составную сеть.

Второй протокол этого уровня, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется тогда, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня - прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к транспортному уровню прикладным и сетевым уровнями. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню-получателю. Нижележащий сетевой уровень протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.
Сетевой уровень, называемый также уровнем Интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением нескольких подсетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов, о функциях которого мы расскажем далее.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней, протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах (шлюзах). Протокол IP - это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями. Такой тип сетевого сервиса называют также «ненадежным».

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, предназначенные для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакета, и некоторые другие протоколы.

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой архитектуры других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов.

Напомним, что нижцие уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют множество функций доступа к среде передачи, формированию кадров, согласованию величин электрических сигналов, кодированию и синхронизации, а также некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, РРР и многих других.

У нижнего уровня стека TCP/IP задача существенно проще - он отвечает только за организацию взаимодействия с подсетями разных технологий, входящими в составную сеть. TCP/IP рассматривает любую подсеть, входящую в составную сеть, как средство транспортировки пакетов между двумя соседними маршрутизаторами.

Задачу организации интерфейса между технологией TCP/IP и любой другой технологией промежуточной сети упрощенно можно свести к двум задачам:

• упаковка (инкапсуляция) IP-пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;
• преобразование сетевых адресов в адреса технологии данной промежуточной сети.

Такой гибкий подход упрощает решение проблемы расширения набора поддерживаемых технологий. При появлении новой популярной технологии она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующего стандарта, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (например, спецификация RFC 1577, определяющая работу протокола IP через сети ATM, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов ATM). Так как для каждой вновь появляющейся технологии разрабатываются собственные интерфейсные средства, функции этого уровня нельзя определить раз и навсегда, и именно поэтому нижний уровень стека TCP/IP не регламентируется.
Каждый коммуникационный протокол оперирует 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 (рис. 1).

Рис. 1. Названия протокольных единиц данных в TCP/IP

Потоком данных, информационным потоком, или просто 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 IP, поэтому его единицу данных иногда тоже называют дейтаграммой, хотя достаточно часто используется и другой термин - пакет.

В стеке TCP/IP единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для их последующей передачи через сети составной сети, принято называть также кадрами, или фреймам. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в технологии составляющей сети. Для TCP/IP фреймом является и кадр Ethernet, и ячейка ATM, и пакет Х.25 в тех случаях, когда они выступают в качестве контейнера, в котором IP-пакет переносится через составную сеть.