UNIX , что способствовало росту популярности протокола, так как производители включали TCP/IP в набор программного обеспечения каждого UNIX -компьютера. TCP/IP находит свое отображение в эталонной модели OSI , как это показано на рисунке 3.1 .

Вы видите, что TCP/IP располагается на третьем и четвертом уровнях модели OSI . Смысл этого состоит в том, чтобы оставить технологию работы LAN разработчикам. Целью TCP/IP является передача сообщений в локальных сетях любого типа и установка связи с помощью любого сетевого приложения.

Протокол TCP/IP функционирует за счет того, что он связан с моделью OSI на двух самых нижних уровнях - на уровне передачи данных и физическом уровне. Это позволяет TCP/IP находить общий язык практически с любой сетевой технологией и, как результат, с любой компьютерной платформой. TCP/IP включает в себя четыре абстрактных уровня, перечисленных ниже.

Рис. 3.1.

• Сетевой интерфейс. Позволяет TCP/IP активно взаимодействовать со всеми современными сетевыми технологиями, основанными на модели OSI.
• Межсетевой. Определяет, как IP управляет пересылкой сообщений через маршрутизаторы сетевого пространства, такого как интернет.
• Транспортный. Определяет механизм обмена информацией между компьютерами.
• Прикладной. Указывает сетевые приложения для выполнения заданий, такие как пересылка, электронная почта и прочие.

Благодаря своему широкому распространению протокол TCP/IP фактически стал интернет -стандартом. Компьютер , на котором реализована сетевая технология , основанная на модели OSI ( Ethernet или Token Ring ), имеет возможность устанавливать связь с другими устройствами. В "Основы организации сети" мы рассматривали уровни 1 и 2 при обсуждении LAN -технологий. Теперь мы перейдем к стеку OSI и посмотрим, каким образом компьютер устанавливает связь в интернете или в частной сети. В этом разделе рассматривается протокол TCP/IP и его конфигурации.

Что такое TCP/IP

То, что компьютеры могут общаться между собой, само по себе представляется чудом. Ведь это компьютеры от разных производителей, работающие с различными операционными системами и протоколами. При отсутствии какой-то общей основы такие устройства не смогли бы обмениваться информацией. При пересылке по сети данные должны иметь такой формат, который был бы понятен как отправляющему устройству, так и принимающему.

TCP/IP удовлетворяет этому условию за счет своего межсетевого уровня. Этот уровень напрямую совпадает с сетевым уровнем эталонной модели OSI и основан на фиксированном формате сообщений, называемом IP-дейтаграммой. Дейтаграмма - это нечто вроде корзины, в которую помещена вся информация сообщения. Например, при загрузке веб-страницы в браузер то, что вы видите на экране, доставлено по частям дейтаграммой.

Легко перепутать дейтаграммы с пакетами. Дейтаграмма - это информационная единица, в то время как пакет - это физический объект сообщения (созданный на третьем и более высоких уровнях), который действительно пересылается в сети. Хотя некоторые считают эти термины взаимозаменяемыми, их различие на самом деле имеет значение в определенном контексте - не здесь, конечно. Важно понять то, что сообщение разбивается на фрагменты, передается по сети и собирается заново на принимающем устройстве.

Положительным в таком подходе является то, что если один-единственный пакет будет испорчен во время передачи, то потребуется повторная передача только этого пакета, а не сообщения целиком. Другой положительный момент состоит в том, что ни одному хосту не приходится ждать неопределенно долгое время, пока не закончится передача на другом хосте, чтобы послать свое собственное сообщение.

TCP и UDР

При пересылке IP-сообщения по сети используется один из протоколов транспортировки: TCP или UDР. TCP (Transmission Control Protocol) составляет первую половину аббревиатуры TCP/IP. Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDР) используется вместо ТСР для транспортировки менее важных сообщений. Оба протокола служат для корректного обмена сообщениями в сетях TCP/IP. Между этими протоколами есть одно существенное различие.

ТСР называют надежным протоколом, так как он связывается с получателем для проверки факта получения сообщения.

UDР называют ненадежным протоколом, так как он даже не пытается устанавливать связь с получателем, чтобы убедиться в доставке.

Важно помнить, что для доставки сообщения можно воспользоваться только одним протоколом. Например, при загрузке веб-страницы доставкой пакетов управляет ТСР без всякого вмешательства UDP. С другой стороны, простой протокол передачи файлов (Trivial File Transfer Protocol, TFTP) загружает или отправляет сообщения под контролем протокола UDP.

Используемый способ транспортировки зависит от приложения - это может быть электронная почта, НТТР, приложение, отвечающее за сетевую работу, и так далее. Разработчики сетевых программ используют UDP везде, где только можно, так как этот протокол снижает избыточный трафик. Протокол ТСР прилагает больше усилий для гарантированной доставки и передает гораздо больше пакетов, чем UDP. На рисунке 3.2 представлен список сетевых приложений, и показано, в каких приложениях применяется ТСР, а в каких - UDP. Например, FTP и TFTP делают практически одно и то же. Однако TFTP, в основном, применяется для загрузки и копирования программ сетевых устройств. TFTP может использовать UDP, потому что при неудачной доставке сообщения ничего страшного не происходит, поскольку сообщение предназначалось не конечному пользователю, а администратору сети, уровень приоритета которого гораздо ниже. Другим примером является сеанс голосовой видеосвязи, в котором могут быть задействованы порты как для ТСР-сессий, так и для UDP. Так, сеанс TCP инициируется для обмена данными при установке телефонной связи, в то время как сам телефонный разговор передается посредством UDP. Это связано со скоростью потоковой передачи голоса и видео. В случае потери пакета не имеет смысла повторно посылать его, так как он уже не будет соответствовать потоку данных.

Рис. 3.2.

Формат IP-дейтаграммы

IP-пакеты можно разбивать на дейтаграммы. Формат дейтаграммы создает поля для полезной нагрузки и для данных управления передачей сообщения. На рисунке 3.3 показана схема дейтаграммы.

Примечание. Пусть вас не вводит в заблуждение величина поля данных в дейтаграмме. Дейтаграмма не перегружена дополнительными данными. Поле данных является на самом деле самым большим полем дейтаграммы.

Рис. 3.3.

Важно помнить, что IP-пакеты могут иметь различную длину. В "Основы организации сети" говорилось о том, что информационные пакеты в сети Ethernet имеют размер от 64 до 1400 байт. В сети Token Ring их длина составляет 4000 байт, в сети ATM - 53 байта.

Примечание. Использование в дейтаграмме байтов может привести вас в недоумение, так как передача данных чаще связана с такими понятиями, как мегабиты и гигабиты в секунду. Однако в связи с тем, что компьютеры предпочитают работать с байтами данных, в дейтаграммах также используются байты.

Если вы еще раз посмотрите на формат дейтаграммы на рисунке 3.3 , то заметите, что крайние поля слева имеют постоянную величину. Так происходит, потому что центральный процессор, работающий с пакетами, должен знать, где начинается каждое поле. Без стандартизации этих полей конечные биты будут представлять собой мешанину из нулей и единиц. В правой части дейтаграммы находятся пакеты переменной длины. Назначение различных полей дейтаграммы состоит в следующем.

• VER . Версия протокола IP, используемого станцией, где появилось исходное сообщение. Текущей версией IP является версия 4. Это поле обеспечивает одновременное существование различных версий в межсетевом пространстве.
• HLEN. Поле информирует получающее устройство о длине заголовка, чтобы центральный процессор знал, где начинается поле данных.
• Service type (Тип сервиса). Код, сообщающий маршрутизатору о типе управления пакетом с точки зрения уровня сервиса (надежность, первоочередность, отсрочка и т. д.).
• Length (Длина). Общее количество байт в пакете, включая поля заголовка и поле данных.
• ID, frags и frags offset. Эти поля указывают маршрутизатору, как следует проводить фрагментацию и сборку пакета и как компенсировать различия в размере кадров, которые могут возникать во время прохождения пакета по сегментам локальной сети с различными сетевыми технологиями (Ethernet, FDDI и т.д.).
• TTL. Аббревиатура для Time to Live (Время жизни) - число, которое уменьшается на единицу при каждой последующей пересылке пакета. Если время жизни становится равным нулю, то пакет прекращает существование. TTL предотвращает возникновение циклов и бесконечное блуждание потерянных пакетов в межсетевом пространстве.
• Protocol. Протокол транспортировки, который следует использовать для передачи пакета. Чаще всего в этом поле указывается протокол TCP, но могут быть использованы и другие протоколы.
• Header checksum . Контрольная сумма - это число, которое используется для проверки целостности сообщения. Если контрольные суммы всех пакетов сообщения не совпадают с правильным значением, то это означает, что сообщение было искажено.
• Source IP address (Адрес отправителя). 32-битный адрес хоста, отправившего сообщение (обычно персональный компьютер или сервер).
• Destination IP address (Адрес получателя). 32-битный адрес хоста, которому отправлено сообщение (обычно персональный компьютер или сервер).
• IP options. Используются для тестирования сети или других специальных целей.
• Padding. Заполняет все неиспользованные (пустые) позиции битов, чтобы процессор мог правильно определить позицию первого бита в поле данных.
• Data. Полезная нагрузка отправленного сообщения. Например, в поле данных пакета может содержаться текст электронного письма.

Как говорилось ранее, пакет состоит из двух основных компонентов: данных об обработке сообщения, размещенных в заголовке, и собственно информации. Информационная часть находится в секторе полезной нагрузки. Можете представить себе этот сектор в виде грузового отсека космического корабля. Заголовок - это все бортовые компьютеры шаттла в кабине управления. Он распоряжается всей информацией, необходимой всевозможным маршрутизаторам и компьютерам на пути следования сообщения, и используется для поддержания определенного порядка сборки сообщения из отдельных пакетов.

Введение в TCP/IP

Работа сети Internet основана на использовании семейства коммуникационных протоколов ТСР/IР,что расшифровывается как Transmission Control Protocol/Intemet Protocol (Протокол правления передачей Данных/Протокол Internet). TCP/IP используется для передачи данных как в глобальной сети Internet, так и во многих локальных сетях.
Разумеется, для работы с Internet в качестве пользователя не требуется никаких специальных знаний о протоколах TCP/IP, но понимание основных принципов поможет вам в решении возможных проблем общего характера, возникающих, в частности, при настройке системы электронной почты.
TCP/IP также тесно связан с двумя другими базовыми приложениями Internet: FTP и Telnet. Наконец, знание ряда основополагающих концепций Internet поможет вам в полной мере оценить степень сложности этой системы, подобно тому как представление о работе двигателя внутреннего сгорания помогает проникнуться уважением к устройству автомобиля.
TCP/IP - достаточно сложная и обширная тема, которой посвящено множество справочников и объемных статей. В этом разделе рассматриваются лишь базовые концепции, а технические подробности не описываются.

Что такое TCP/IP

TCP/IP - это название семейства протоколов передачи данных в сети. Протокол - это набор правил, которых должны придерживаться все компании, чтобы обеспечить совместимость производимого аппаратного и программного обеспечения. Эти правила гарантируют, что машина фирмы Digital Equipment, работающая с пакетом TCP/IP, сможет общаться с PC Compaq, также работающим с TCP/IP. При соблюдении определенных стандартов для функционирования всей системы нс имеет значения, кто является производителем программного обеспечения или аппаратных средств. Идеология открытых систем предполагает использование стандартных аппаратных средств и программного обеспечения. TCP/IP - открытый протокол, и это значит, что вся специальная информация о протоколе издана и может быть свободно использована.
Протокол определяет, каким образом одно приложение связывается с другим. Эта связь программного обеспечения подобна диалогу: "Я посылаю вам эту порцию информации, затем вы посылаете мне обратно то-то, потом я отправлю вам это. Вы должны сложить все биты и послать обратно общий результат, а если возникнут проблемы, вы должны послать мне соответствующее сообщение."Протокол определяет, как различные части полного пакета управляют передачей информации. Протокол показывает, содержит ли пакет сообщение электронной почты, статью телеконференции или служебное сообщение. Стандарты протокола сформулированы таким образом.что принимают во внимание возможные непредвиденные обстоятельства. Протокол также включает правила обработки ошибок.
Термин TCP/IP включает названия двух протоколов - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). TCP/IP не является одной программой, как ошибочно полагают многие пользователи. Напротив, TCP/IP относится к целому семейству связанных между собой протоколов, разработанных для передачи информации по сети и одновременного обеспечения информацией о состоянии самой сети. TCP/IP является программным компонентом сети. Каждая часть семейства TCP/IP решает определенную задачу: отправление электронной почты, обеспечение удаленного обслуживания входа в систему, пересылку файлов, маршрутизацию сообщений или обработку сбоев в сети. Применение TCP/IP не ограничено глобальной сетью Internet. Это наиболее широко используемые во всем мире сетевые протоколы, применяемые как в крупных корпоративных сетях, так и в локальных сетях с небольшим числом компьютеров.
Как только что говорилось, TCP/IP - не один протокол, а их семейство. Почему иногда употребляют термин TCP/IP, хотя имеется в виду сервис, отличный от TCP или IP? Обычно общее название используют при обсуждении всего семейства сетевых протоколов. Однако некоторые пользователи, говоря о TCP/IP, имеют в виду лишь некоторые из протоколов семейства: они предполагают, что другая сторона в диалоге понимает, о чем конкретно идет речь. В действительности лучше называть каждый из сервисов своим именем, чтобы внести большую ясность в предмет разговора.

Компоненты TCP/IP

Различный сервис, включаемый в TCP/IP, и их функции могут быть классифицированы по типу выполняемых задач. Далее приводится описание групп протоколов и их назначение.
Транспортные протоколы управляют передачей данных между двумя машинами.

• TCP (Transmission Control Protocol). Протокол, поддерживающий передачу данных, основанную на логическом соединении между посылающим и принимающим компьютерами.
• UDP (User Datagram Protocol). Протокол, поддерживающий передачу данных без установления логического соединения. Это означает, что данные посылаются без предварительного установления соединения между компьютерами получателя и отправителя. Можно провести аналогию с отправлением почты по какому-то адресу, когда нет никакой гарантии, что это сообщение прибудет к адресату, если он вообще существует. , (Две машины соединены в том смысле, что обе подключены к Internet, но они не поддерживают связь между собой через логическое соединение.)

Протоколы маршрутизации обрабатывают адресацию данных и определяют наилучшие пути до адресата. Они также могут обеспечивать разбиение больших сообщений на несколько сообщений меньшей длины, которые затем последовательно передаются и компонуются в единое целое на компьютере-адресате.

• IP (Internet Protocol). Обеспечивает фактическую передачу данных.
• ICMP (Internet Control Message Protocol). Обрабатывает сообщения состояния для IP, например, ошибки и изменения в сетевых аппаратных средствах, которые влияют на маршрутизацию.
• RIP (Routing Information Protocol). Один из нескольких протоколов, которые определяют наилучший маршрут доставки сообщения.
• OSPF (Open Shortest Path First). Альтернативный протокол для определения маршрутов.

Поддержка сетевого адреса - это способ идентификации машины с уникальным номером и именем. (Более подробно об адресах см. ниже)

• ARP (Address Resolution Protocol). Определяет уникальные числовые адреса машин в сети.
• DNS (Domain Name System). Определяет числовые адреса по именам машин.
• RARP (Revere Address Resolution Protocol). Определяет адреса машин в сети, но способом, обратным ARP.

Прикладные сервисы - это программы, которые пользователь (или компьютер) использует для получения доступа к различным услугам.

• ВООТР (Boot Protocol) загружает сетевую машину, читая информацию для начальной загрузки с сервера.
• FTP (File Transfer Protocol) передает файлы между компьютерами.
• TELNET обеспечивает уличенный терминальный доступ к системе, т. с. пользователь одного компьютера может соединяться с другим компьютером и чувствоиать себя так, как будто он работает за клавиатурой удаленной машины.

Шлюзовые протоколы помогают передавать по сети сообщения о маршрутизации и информацию о состоянии сети, а также обрабатывать данные для локальных сетей.

• EGP (Exterior Gateway Protocol) служит для передачи маршрутизационной информации для внешних сетей.
• GGP (Gateway-to-Gateway Protocol) служит win передачи маршрутизационной информации между шлюзами.
• IGP (Interior Gateway Protocol) служит для передам маршрутизационной информации для внутренних сетей.

Другие протоколы не относятся к категориям, упомянутым выше, но играют важную роль в сети.

• NFS (Network File System) позволяет использовать каталоги и файлы удаленного компьютера так, как если бы они существовали на локальной машине.
• NIS (Network Information Service) поддерживает в сети информацию о пользователях нескольких компьютеров, упрощая вход в систему и проверку паролей .
• RPC (Remote Procedure Call) позволяет удаленным прикладным программам связываться друг с другом простым и эффективным способом.
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - это протокол, который передает сообщения электронной почты между машинами.
• SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для администрирования, который посылает сообщения о состоянии сети и подключенных к ней устройств.

Все эти виды сервиса в совокупности составляют TCP/IP - мощное и эффективное семейство сетевых протоколов.
Мы не будем рассматривать все эти протоколы подробно, потому что технические подробности несущественны для конечного пользователя. Вместо этого мы кратко остановимся на некоторых важных аспектах протоколов TCP/IP. Если вы хотите больше узнать о TCP/IP, то обратитесь к специально посвященным этой теме книгам.

Краткая история TCP/IP и Internet

Internet, как уже говорилось ранее, не является единой сетью, а представляет собой совокупность многих сетей, поддерживающих связь путем использования общих протоколов. TCP/IP и Internet так тесно связаны, что архитектура TCP/IP-сетеИ часто называется Internet-apхитектурой. Internet появился на базе первой сети ARPANET (the Advanced Research Projects Agency"s network), которая была разработана, чтобы предоставить исследователям, работающим над военными проектами, возможность быстро общаться друг с другом. На начальном этапе сеть была разработана фирмой Bolt, Beranek и Newinan (BBN) - компанией, которая оказала сильное влияние на пути развития этой сети.
ARPANET начала функционировать в 1971 г. С самого начала сеть постоянно модернизировалась в соответствии с требованиями пользователей, предоставляя им все большее количество функциональных возможностей. Одним из важных требований была возможность передачи (файлов между компьютерами, что в конечном счете привело к разработке щютокола передачи файлов (FTP).
Другой важной потребностью была поддержка удаленного терминального доступа в систему, который позволил бы пользователю одной системы соединиться с другой машиной в сети и работать на ней, как на своей собственной. Для этого были созданы Telnet и login - две утилиты, реализующие удаленный терминальный доступ к системе.
С увеличением количества пользователей и ростом интенсивности использования сети уже подключенными пользователями существенно увеличился сетевой трафик. Вследствие этого стало очевидным, что не только сеть должна расширяться, но должен быть разработан улучшенный протокол связи. Протоколы TCP/IP были предложены в 1973 г. и приняты в стандартизованной версии в 1982 г. Одна из исследовательских лабораторий, работающих над программным обеспечением для сетей, находилась в Калифорнийском Университете в Беркли (University of California at Berkeley - UCB). Этот университет многие годы был центром разработки операционной системы UNIX и внес большой вклад в усовершенствование TCP/IP. В 1983 г. UCB выпустил версию системы UNIX, которая включала в себя TCP/IP как неотъемлемую часть операционной системы. TCP/IP стал очень популярным благодаря широкому использованию UNIX, особенно в сетях, соединенных с растущим ARPANET.
Когда TCP/IP стал достаточно развит, были поданы предложения в National Science Foundation, которые привели к открытию финансирования проекта создания Computer Science Network (Научной компьютерной сети) в качестве замены перегруженной ARPANET. В 1984 г. это привело к разделению сети на две. Одна сеть, названная MILNET, была выделена для военного ведомства. Другая часть ARPANET была отдана для проведения исследований и для иных невоенных применений.
Сеть ARPANET была преобразована, когда был утвержден проект создания сети для широкомасштабного доступа к суперкомпьютерам, реализация которого была поручена Office of Advanced Scientific Computing (OASC, Центр перспективных научных вычислений). OASC создал другую сеть - NSFNET, которая с использованием высокоскоростных телефонных каналов соединила шесть суперкомпьютеров, находящихся в разных частях страны. Другие сети присоединились к этой сети для совместного использования доступа к суперкомпьютерам и высокоскоростных каналов связи. NFSNET стал основной магистральной структурой (backbone) сети Internet. В 1990 г. Министерство обороны, которое создало сеть ARPANET, официально объявило об ее упразднении как выполнившей свои задачи и ныне устаревшей.

Числовой адрес компьютера

Каждая машина, которая подключена к Internet или любой другой TCP/IP-ссти, должна быть уникально идентифицирована. Без уникального идентификатора сеть не знает, как доставить сообщение для вашей машины. Если один и тот же идентификатор окажется у нескольких компьютеров, то сеть не сможет адресовать сообщение.
В Internet компьютеры сети идентифицируются путем назначения Internet-адреса или, более правильно, IP-адреса. IP-адреса всегда имеют длину 32 бита и состоят из четырех частей по 8 бит. Это значит, что каждая часть может принимать значение в пределах от 0 до 255. Четыре части объединяют в запись, в которой каждое восьмибитовое значение отделяется точкой. Например, 255.255.255.255 или 147.120.3.28 - это два IP-адреса. Когда речь идет о сетевом адресе, то обычно имеется в виду IP-адрес.
Если бы использовались все 32 бита в IP-адресе, то получилось бы свыше четырех миллиардов возможных адресов - более чем достаточно для будущего расширения Internet! Однако некоторые комбинации битов зарезервированы для специальных целей, что уменьшает число потенциальных адресов. Кроме того, 8-битные четверки сгруппированы специальными способами в зависимости от типа сети, так что фактическое число возможных адресов еще меньше.
IP-адреса назначаются не по принципу перечисления хостов в сети -1,2,3,.... На самом деле IP-адрес как бы состоит из двух частей: адреса сети и адреса хоста в этой сети. Благодаря такой структуре IP-адреса компьютеры в разных сетях могут иметь одинаковые номера. Поскольку адреса сетей различны, то компьютеры идентифицируются однозначно. Без такой схемы нумерация быстро становится очень неудобной.
IP-адреса выделяются в зависимости от размеров организации и типа ее деятельности. Если это небольшая организация, то скорее всего в ее сети немного компьютеров (и, следовательно, IP-адресов). Напротив, у большой корпорации могут быть тысячи компьютеров, объединенных в несколько соединенных между собой локальных сетей. Для обеспечения максимальной гибкости IP-адреса выделяются в зависимости от количества сетей и компьютеров в организации и разделяются на классы А, В и С. Еще существуют классы D и Е, но они используются для специфических целей.
Три класса IP-адресов позволяют распределять их в зависимости от размера сети организации. Так как 32 бита - допустимый полный размер IP-адреса, то классы разбивают четыре 8-битные части адреса на адрес сети и адрес хоста в зависимости от класса. Один или несколько битов зарезервированы в начале IP-адреса для идентификации класса.
Адрес сети класса А имеет только 7 бит для сетевого адреса и 24 бита для адреса хоста. Это позволяет идентифицировать более 16 миллионов различных хостов в одной подсети - более чем достаточно для самой большой организации. Конечно, может существовать только 128 (2 в седьмой степени) сетей класса А.
Адрес сети класса В имеет 14 бит для сетевого адреса и 16 бит для адреса хоста, что позволяет выделить большее количество сетей класса В, но с меньшим количеством хостов. Тем не менее 16 бит позволяют идентифицировать более 65000 хостов. И, наконец, IP-сети класса С могут иметь максимум 254 хоста, но таких сетей может быть очень много. Большинство сетей относятся к классам В или С, хотя решающее слово относительно назначения класса сети оставлено за Internet Network Information Center (InterNIC).
Тип класса, к которому относится сеть компании, можно узнать по первому числу IP-адреса. Существуют следующие правила для первого 8-битного числа:

• Адреса класса А - числа между 0 и 127
• Адреса класса В - числа между 128 и 191
• Адреса класса С - числа между 192 и 223

Если IP-адрес вашей машины - 147.14.87.23, то вы знаете, что ваша машина находится в сети класса В, сетевой идентификатор - 147.14, а уникальный номер вашей машины в этой сети - 87.23. Если IP-адрес - 221.132.3.123, то машина находится в сети класса С с сетевым идентификатором 221.132.3 и идентификатором хоста 123.
Всякий раз, когда посылается сообщение какому-либо хост-компьютеру в Internet, IP-адрес используется для указания адреса отправителя и получателя. Конечно, вам не придется самому запоминать все IP-адреса, так как для этого существует специальный сервис TCP/IP, называемый Domain Name System (Доменная система имен).

Шлюзовые протоколы

Для быстрого и эффективного перенаправления датаграмм шлюзы должны знать, что происходит в сети. Помимо информации о маршрутизации сообщений, им необходима информация о параметрах подсетей, подключенных к более крупной сети, для корректировки маршрутов в случае сбоев в некоторых частях сети.
Существуют шлюзы двух типов: внутренние и внешние. Шлюзы, которые расположены в небольшой подсети, могут обеспечивать связь с более крупной корпоративной сетью. Такие шлюзы называются автономными или самодостаточными, потому что соединения между этими шлюзами являются постоянными и редко изменяются. Эти шлюзы поддерживают связь между собой с помощью внутреннего шлюзового протокола - IGP (Internal Gateway Protocol).
Большие сети, подобные Internet, не являются статическими по своей структуре. Настройки шлюзов постоянно меняются, поскольку происходят изменения в многочисленных мелких подсетях. Связь между такими шлюзами осуществляется через внешний шлюзовый протокол - EGP (Extenor Gateway Protocol).
Существует еще один шлюзовый протокол, о котором вы, может быть, слышали, называемый Gateway-to-Gateway Protocol, или GGP. Он используется между специальными шлюзами в магистральных каналах Internet. Такие шлюзы относятся ко всему Internet в целом и обес- печивают передачу трафика в скоростной магистральной части сети.

TCP и UDP

Как уже говорилось в начале этой главы при рассмотрении уровней протоколов, транспортый уровень архитектуры TCP/IP обеспечивает сервис доставки сообщений. В семейство TCP/IP входят два различных протокола, реализующие этот сервис: Transmission Control Protocol (TCP) и User Datagram ProtocolUser Datagram Protocol (UDP). Оба нашли широкое применение.
Различие между ними заключается в способе установления соединения между двумя компь- ютерами. TCP устанавливает непосредственное логическое соединение, т. е. компьютеры как бы соединяются напрямую и каждый из них знает о состоянии другого. UDP не пытается устанавливать такое соединение. Этот протокол просто добавляет к сформированному сообщению IP-адрес и отправляет его в сеть.
Очевидно, что TCP - более надежный метод связи, поскольку происходит подтверждение каждого принятого сообщения. С использованием UDP нет никакой гарантии, что сообщение будет действительно получено. Для подтверждения приема сообщения UDP использует схему, при которой машина адресата должна послать подтверждение о принятом сообщении, и если в течение некоторого промежутка времени такое подтверждение не будет получено отправителем, то передача сообщения повторяется.
Можно подумать, что все захотят использовать TCP для передачи сообщения, но на самом деле большинство полагается на UDP. Представьте, сколько соединений неоходимо установить со всеми машинами в сети - это гигантская цифра, и каждую секунду появляются новые и исчезают старые соединения. Использование UDP чрезвычайно упрощает сетевой трафик.
Каждый вид сервиса TCP/IP разработан так, что допускает использование или UDP, или TCP. Например, Telnet и FTP используют TCP, так как соединение должно постоянно существовать между двумя компьютерами. Другой способ передачи файлов - протокол, называемый Trivial FTP (TFTP, тривиальный FTP) использует UDP (см. "Тривиальный FTP" далее в этой главе).
Оба протокола (TCP и UDP) добавляют заголовок в начало сообщения, которое транспортный уровень получает от более высоких уровней. Содержание и структура заголовка TCP отличны от UDP, но оба содержат одну и ту же базовую информацию о том, кто послал пакет и кому, специальную информацию о типе сообщения и статистические данные.
И в заключение несколько слов о связанном с TCP/IP термином "датаграмма". Датагралма - это скомпонованное сообщение, переданное через все уровни в сеть. Когда говорят о TCP/IP, то правильнее использовать именно термин "датаграмма" вместо термина "сообщение".

TCP-порты и сокеты

Прикладные программы, которые используют TCP, должны иметь способ установления связи с определенным сервисом. Для этого введены номера портов, соответствующих каждому виду сервиса. Например, Telnet использует порт с номером 23. Номер порта определяет тип сервиса, запрашиваемого одной машиной у другой, поэтому когда одна машина посылает запрос на 23-й порт другой машины, ответ придет тоже на 23-й порт.
Не путайте порты TCP с портами на задней панели вашего компьютера. Последовательные порты машины, например, являются физическими, в то время как порты TCP - логические. При установлении соединения с компьютером может быть использован его физический порт (к нему может быть подключена линия передачи данных), но система потом назначит логический TCP-порт для каждого типа сервиса.
Номера портов могут быть переназначены администратором, но при изменении номера порта могут появиться проблемы. Большинство систем используют стандартные номера портов, список которых имеется в документации по TCP/IP. Обычные пользователи могут не знать, какой порт когда используется, но в этом нет никакой необходимости, так как все Windows-версии TCP/IP пакетов используют стандартные номера портов. Список наиболее часто используемых портов приведен ниже:

Каждая точка входа/выхода любого из TCP-уровней на каждой машине уникально идентифицируется парой чисел, вместе называемых номером сокета (socket number), который состоит из IP-адреса и номера порта. Компьютер может использовать номер сокета для связи с другим компьютером и сети, так как IP-адреса однозначно идентифицируют все компьютеры в сети.
Каждая машина в сети поддерживает небольшую таблицу, которая содержит описание использования всех портов. Она называется таблицей портов (port table). Когда устанавливается соединение, в таблицу портов заносится номер порта другой машины, поддерживающей соединение. Таким образом, обе машины, участвующие в соединении, будут иметь номера портов другой машины, что называется port bindings (связывание портов). Порт может быть одновременно использован для нескольких соединений - это называется мультиплексированием.

Протокол IP

Internet Protocol (IP) - основной протокол TCP/IP. Важно понимать, что хотя слово "Internet" встречается в имени протокола, это не ограничивает его использование. IP определяет протокол, а не соединение.
Internet Protocol не устанавливает логического соединения. Это значит, что IP не контролирует доставку сообщений конечному адресату. IP-адреса машины-отправителя и машины-получателя включаются в заголовок датаграммы и используются для передают датаграмм между шлюзами. При этом используется информация о маршрутизации, находящаяся на шлюзе и указывающая, куда передать датаграмму на каждом этапе.
Основной задачей IP является адресация датаграмм и их передача между компьютерами. Он анализирует информацию об адресате и использует ее для определения наилучшего маршрута. IP добавляет свой собственный заголовок к сообщению, полученному от более высоких уровней (TCP или UDP).
IP решает также другую задачу, связанную с разбиением длинных датаграмм на несколько частей меньшего размера и последующей сборкой в первоначальный вид в точке назначения. Большие датаграммы могут быть разбиты по ряду причин, включая ограничение размера IP-сообщений (приблизительно 64К). Обычно сеть не может непосредственно передать такое большое сообщение, требуя разрыва датаграммы на маленькие фрагменты по несколько килобайт.
Для описания этого процесса используются несколько специальных терминов:

• Segmentation (сегментация) - процесс разбиения датаграммы на несколько меньших датаграмм.
• Reassembly (компоновка) - процесс объединения маленьких датаграмм в первоначальную большую датаграмму.
• Separation (разделение) - обратный конкатенации процесс разбиения целой датаграммы на несколько небольших сообщений для различных прикладных программ.

Все эти процессы IP выполняет незаметно для вас. Реализованы специальные алгоритмы проверки того, что сообщение восстановлено правильно и в первоначальном виде, и что все части большого сообщения получены правильно. Это обеспечивает информация в заголовке IP и ряд специальных счетчиков, которые IP использует, чтобы дождаться всех частей сообщения. Одна из проблем, связанных с такой разбивкой сообщений, состоит в том, что фрагментированное сообщение имеет меньшую вероятность доставки, чем нефрагментированное сообщение. Большинство прикладных программ стараются избегать фрагментации везде, где это возможно.

Протокол IСМР

В сети могут происходить сбои, связанные с неправильной маршрутизацией, потерей или повреждением датаграмм. При этом уведомление отправителя о возникших проблемах нe менее важно, чем обработка ошибочных ситуаций в самой сети. Для выполнения этой задачи был создан Internet Control Message Protocol (IСМР, Протокол управляющих сообщений Internet).
IСМР является системой уведомления об ошибках, встроенной в Internet Protocol. Сообщения IСМР могут рассматриваться как специальные IP-сообщения. Другими словами, IСМР является коммуникационной системой уровня IP. Заголовок ICMP-сообщений такой же, как и у обычных IP-пакетов, и их обработка в сети полностью совпадает с обработкой датаграмм. В большинстве случаев сообщения об ошибках, посылаемые IСМР, направляются обратно отправителю, IP-адрес которого находится в заголовке.
Сообщение IСМР содержит информацию о возникшей проблеме, а также фрагмент исходного сообщения. Этот фрагмент служит для идентификации ошибочного сообщения, а также содержит некоторую информацию для диагностики.

Приложения TCP/IP

Теперь, когда вы знаете, как TCP, UDP и IP обеспечивают упаковку и передачу сообщений, мы можем познакомиться с протоколами семейства TCP/IP, которые непосредственно используются в прикладных программах. Одними из наиболее часто используемых протоколов являются Telnet и FTP. К числу основных прикладных протоколов относится также протокол Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), применяемый для передачи сообщений электронной почты. И, наконец, существует набор утилит, называемых г-утилитами Беркли (Berkeley r-utilities) по имени университета, в котором они были разработаны.

Telnet

Протокол Telnet (от слов telecommurncation network - телекоммуникационная сеть) обеспечивает возможность входа в удаленную систему. Он позволяет пользователю одного компьютера зарегистрироваться на удаленном компьютере, расположенном в другой части сети. При этом пользователю кажется, что он работает за терминалом удаленного компьютера. Telnet может оказаться полезным, если вы, работая на медленном компьютере, хотите воспользоваться вычислительными ресурсами более мощной машины, а также если на удаленном компьютере имеется необходимое вам программное обеспечение.
До того, как был разработан Telnet, единственным способом доступа к ресурсам другого компьютера являлось непосредственное подключение через модем или через выделенные порты сети, которое наряду с простотой имело и ряд существенных ограничений.
Работу Telnet обеспечивает специальная программа (сервер), запущенная на компьютере, к которому вы подключаетесь, и обрабатывающая поступающие запросы. На вашем компьютере выполняется программа Telnet (Telnet-KAiiCHT), которая обращается к серверу. В процессе установления соединения компьютеры догопариваются о режиме эмуляции терминала в данном сеансе работы. По-сушеству, одна машина запрашивает у другой, какие (функции она поддерживает.
Для начала сеанса работы Telnet необходимо ввести доменное имя или IP-адрес удаленного компьютера. Применение доменного имени возмож"но только в том случае, когда система может преобразовать это имя в числовой IP-адрес, используя сервис DMS. После установления соединения уд:итснная система обычно запрашивает имя пользователя и пароль , хотя это зависит от типа операционной системы и программного обеспечения Telnet, установленных на удушенном компьютере.
Команды Telnet различаются в зависимости от используемого Tclnet-клиента, особенно при работе с графическим интерфейсом типа Windows. В большинстве случаев Tclnet-клиент создаст окно, работа в котором происходит в режиме командной строки.
После установления соединения ваш компьютер играет роль терминала удаленной машины. Все вводимые вами команды выполняются на удаленном компьютере. Для завершения сеанса работы следует ввести соответствующую команду (для UNIX-систем - обычно logout или +.
Находясь в режиме ввода команд для удаленной системы, вы можете персити в командный режим Telnet, используя, как правило, комбинацию клавиш +. В этом режиме вы управляете работой Tclnet-клиента, а не удаленного компьютера.

FTP

В отличие от Telnet, протокол FTP (File Transfer Protocol) предназначен не для работы на удаленном компьютере, а для передачи файлов между подключенными к сети компьютерами. Так же как и Telnet, сервис FTP основан на совместном использовании двух программ - программы-ссрвер, которая выполняется постоянно в фоновом режиме, и программы-клиент, которую вы должны запустить на своем компьютере, чтобы начать сеанс работы по протоколу FTP. Протокол FTP позволяет передавать фаилы как в текстовом, так п и двоичном формате.
Для установления FTP-соединения требуется ввести доменное имя или числовой IP-адрес компьютера, на котором работает программа-сервер.
После установления соединения с удаленным компьютером, как правило, требуется зарегистрироваться на нем. (Некоторые FTP-серверы поддерживают так называемый анонимный доступ, позволяющий всем пользователям свободно копировать хранящиеся там файлы.) Зарегистрировавшись на удаленном компьютере, вы тем не менее продолжаете работать на своем компьютере, отправляя на удаленную машину только команды для просмотра каталогов и передачи файлов. В этом заключается существенное отличие FTP от Telnet, поскольку используя Telnet, вы по-существу работаете на удаленном компьютере.
Большинство FTP-клиентов предназначены для работы в режиме командной строки. Однако FTP-клиенты для Windows предоставляют пользователю графический интерфейс, позволяющий обойтись без ввода команд в режиме командной строки. Все действия выполняются с помощью мента, диалоговых окон и графических кнопок. Поэтому соединение с удаленным компьютером, просмотр каталогов и передача файлов требуют лишь выбора соответствующих пунктов меню и кнопок.
В общем случае работа с FTP-сервером требует ввода идентификатора пользователя и пароля , но многие системы предоставляют возможность свободного копирования находящихся на них файлов всеми пользователями Internet. Такой сервис называют анонимным FTP. Для работы с анонимным FTP не требуется быть зарегистрированным пользователем системы, а достаточно ввести в качестве имени пользователя (login name) "anonymous". При этом пароль либо вообще не вводится, либо в качестве пароля можно ввести слово "guest" (гость), или ваше настоящее имя, или ваш адрес электронной почты.

Тривиальный FTP

Trivial File Transfer Protocol (TFTP, Тривиальный протокол передачи файлов) - это один из простейших протоколов, используемых для передаём файлов. Он отличается от FTP тем, что для передачи файлов не требуется регистрации на удаленном компьютере. Пользователь просто вводит запрос на передачу файла, указывая имя удаленного компьютера. При этом TFTP формирует UDP-сообщения, которые отправляются на удаленную машину и с помощью которых происходит передача файла. По окончанию передачи некоторые версии TFTP отправ- ляют соответствующее уведомление пользователю. Заметим, что многие версии программного обеспечения TCP/IP для Windows не предусматривают поддержку TFTP.

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol (SMTP, Простой протокол передачи почты) поддерживает работу электронной почты в Internet и в других сетях. Поскольку способы передачи сообщении электронной почты различаются в разных операционных системах, во многих локальных сетях протокол SMTP не применяется, но он используется для передачи почты в Internet.
Internet (а также большая часть крупных корпоративных сетей) построен на основе UNIX-систем, в которых SMTP принят в качестве стандартного протокола передачи почты. В UNIX-системах SMTP поддерживается с помощью программы, называемой sendmail. Пользователи не взаимодействуют непосредственно с sendmail, а используют различные прикладные программы работы с электронной почтой. Эти программы, в свою очередь, обмениваются сообщениями с sendmail.
Пакеты для работы с электронной почтой в среде Windows базируются на использовании различных протоколов, в том числе и SMTP. Многие развитые почтовые системы имеют встроенную поддержку SMTP, позволяющую обмениваться сообщениями с глобальными ТСР/IР-сетями.

Стек протоколов TCP/IP – это альфа и омега Интернета, и нужно не только знать, но также понимать модель и принцип работы стека.

Мы разобрались с классификацией, стандартами сетей и моделью OSI. Теперь поговорим о стеке, на базе которого построена всемирная система объединенных компьютерных сетей Интернет.

Модель TCP/IP

Изначально данный стек создавался для объединения больших компьютеров в университетах по телефонным линиям связи соединения «точка-точка». Но когда появились новые технологии, широковещательные (Ethernet) и спутниковые, возникла необходимость адаптировать TCP/IP, что оказалось непростой задачей. Именно поэтому наряду с OSI появилась модель TCP/IP.

Через модель описывается, как необходимо строить сети на базе различных технологий, чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.

В таблице представлено сравнение моделей OSI и TCP/IP. Последняя включает в себя 4 уровня:

1. Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов , обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
2. Уровень интернет стоит выше, и по задачам перекликается с сетевым уровнем модели OSI. Он обеспечивает поиск оптимального маршрута, включая выявление неполадок в сети. Именно на этом уровне работает маршрутизатор.
3. Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
4. Прикладной объединил в себе 3 уровня модели OSI: сеансовый, представления и прикладной. То есть он выполняет такие функции, как поддержка сеанса связи, преобразование протоколов и информации, а также взаимодействие пользователя и сети.

Иногда специалисты пытаются объединить обе модели в нечто общее. Например, ниже приведено пятиуровневое представление симбиоза от авторов «Компьютерные сети» Э. Таненбаума и Д. Уэзеролла:

Модель OSI обладает хорошей теоретической проработкой, но протоколы не используются. С моделью TCP/IP все иначе: протоколы широко используются, но модель подходит исключительно для описания сетей на базе TCP/IP.

Не путайте их:

• TCP/IP – это стек протоколов, представляющий собой основу Интернета.
• Модель OSI (Базовая Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем) подходит для описания самых разных сетей.

Стек протоколов TCP/IP

Рассмотрим каждый уровень более подробно.

Нижний уровень сетевых интерфейсов включает в себя Ethernet, Wi-Fi и DSL (модем). Данные сетевые технологии формально не входят в состав стека, но крайне важны в работе интернета в целом.

Основной протокол сетевого уровня – IP (Internet Protocol). Это маршрутизированный протокол, частью которого является адресация сети (IP-адрес). Здесь также работают такие дополнительные протоколы, как ICMP, ARRP и DHCP. Они обеспечивают работу сетей.

На транспортной уровне расположились TCP – протокол, обеспечивающий передачу данных с гарантией доставки, и UDP – протокол для быстрой передачи данных, но уже без гарантии.

Прикладной уровень – это HTTP (для web), SMTP (передача почты), DNS (назначение IP-адресам понятных доменных имен), FTP (передача файлов). Протоколов на прикладном уровне стека TCP/IP больше, но приведенные можно назвать самыми значимыми для рассмотрения.

Помните, что стек протоколов TCP/IP задает стандарты связи между устройствами и содержит соглашения о межсетевом взаимодействии и маршрутизации.

Поскольку семейство протоколов TCP/IP является основой построения Интернета, рассмотрим эти протоколы более подробно.

В пределах каждой физической компьютерной сети подсоединенные к ней компьютеры используют ту или иную сетевую технологию: Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, соединение типа «точка-точка», а в последнее время к этому списку добавились сеть АТМ и беспроводные технологии. Между механизмами коммуникаций, зависящими от данных физических сетей, и прикладными системами встраивается программное обеспечение, которое делает возможным соединение различных физических сетей друг с другом. При этом детали подобного соединения «скрыты» от пользователей, которым предоставляется возможность работать как бы в одной большой физической сети.

Для соединения двух и более сетей используются маршрутизаторы (routers) - компьютеры, которые физически соединяют сети друг с другом и с помощью специального программного обеспечения передают пакеты из одной сети в другую.

Технология Интернета не навязывает какой-то определенной топологии межсетевых соединений. Добавление новой сети к Интернету не влечет за собой ее подсоединения к некоторой центральной точке коммутации или установке непосредственных физических соединений со всеми уже входящими в Интернет сетями. Маршрутизатор «знает» топологию Интернета за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и, основываясь на адресе в сети назначения, передает пакет по тому или иному маршруту.

В Интернете используются универсальные идентификаторы (адреса) подсоединенных к Сети компьютеров, поэтому любые две машины имеют возможность взаимодействовать друг с другом. В нем также реализован принцип независимости пользовательского интерфейса от физической сети, то есть существует множество способов установления соединений и передачи данных, одинаковых для всех физических сетевых технологий.

С точки зрения конечных пользователей, Интернет представляет собой единую виртуальную сеть, к которой подсоединены все компьютеры - независимо от их реальных физических соединений.

Фундаментальным принципом Интернета является равнозначность всех объединенных с его помощью физических сетей: любая система коммуникаций рассматривается как компонент Интернета, независимо от ее физических параметров, размеров передаваемых пакетов данных и географического масштаба.

Семейство протоколов ТСР/IP позволяет построить универсальную сеть, осуществляющую указанные выше принципы. Оно включает в себя протоколы 4-х уровней коммуникаций (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Уровни стека протоколов TCP/IP

Уровень сетевого интерфейса отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети. На этом уровне работают драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера.

Сетевой уровень - основа ТСР/IP. Именно на этом уровне реализуется принцип межсетевого соединения, в частности маршрутизация пакетов через Интернет. На сетевом уровне протокол реализует ненадежную службу доставки пакетов по сети от системы к системе без установления соединения (connectionless packet delivery service). Это означает, что будет выполнено все необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т. д. Служба, работающая без установления соединения, обрабатывает пакеты независимо друг от друга. Но главное, что именно на этом уровне принимается решение о маршрутизации пакета по межсетевым соединениям.

Надежную передачу данных реализует следующий, транспортный уровень, на котором два основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной - отправителем пакетов и машиной - адресатом пакетов.

Наконец, прикладной уровень - это приложения типа клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и для них обычно не важны способы передачи данных по сети. Среди основных приложений ТСР/IP, имеющихся практически в каждой его реализации, - протокол эмуляции терминала Telnet, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web протокол передачи гипертекста НТТР и др.

На рис. 2.3 показано, как осуществляется взаимодействие двух компьютеров из разных сетей с использованием стека протоколов TCP/IP. Программное обеспечение IP-протокола с помощью маршрутизатора передает пакеты из одной сети Ethernet в другую. Протоколы верхних уровней, прикладного и транспортного, осуществляют соединения между компьютерами, клиентом и сервером приложения, в то время как IP обеспечивает связь между конечной и промежуточной системами.

Рис. 2.3. Взаимодействие двух компьютеров с использованием стека протоколов TCP/IP

Поскольку в Интернете детали физических соединений скрыты от приложений, прикладной уровень совершенно «не заботится» о том, что клиент и сервер приложения работают в разных сетях, и что в качестве канального протокола в обеих сетях используется протокол Ethernet. Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов. Приложение в любом случае будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это обуславливает основную силу и привлекательность технологии Интернета.

Коммуникационная система считается универсальной, если при помощи нее два любых компьютера могут взаимодействовать друг с другом. Для того чтобы добиться такой универсальности, необходимо установить глобальный метод идентификации компьютеров в распределенной системе для доступа к ним. В TCP/IP выбрана схема идентификации, аналогичная адресации в физических сетях. Каждому сетевому интерфейсу присваивается уникальный 32-битный адрес (IP-адрес). IP-адрес компьютера имеет определенную структуру. Она задает идентификатор сети, к которой подсоединен компьютер, и уникальный идентификатор самого компьютера. На рис. 2.4 показаны различные классы IP-адресов.

Рис. 2.4. Классы IP-адресов

Для 32-битных IP-адресов принята десятичная нотация, в которой каждый из четырех байтов адреса записывается десятичным числом. Адреса класса С, например, охватывают диапазон от 192.0.0.0 до 223.255.255.255. Структура адресов различных классов делает достаточно очевидным их применение. Адреса класса С, в которых 21 бит отводится для идентификатора сети и только 8 бит для идентификатора оконечного узла сети (хоста), присваиваются компьютерам локальных сетей небольших организаций, которые объединяют до 255 машин. Более крупные организации могут получить адреса класса В, которые способны обслужить до 256 сетей, в состав которых входит до 64 тысяч рабочих станций. И наконец, адреса класса А присваиваются компьютерам, подключенным к ограниченному числу глобальных сетей очень большого масштаба, например, в Arpanet.

Компьютеры, подсоединенные к нескольким физическим сетям (multihomed), имеют несколько IP-адресов - по одному для каждого сетевого интерфейса. Соответственно, эти IP-адреса различаются своими сетевыми идентификаторами. Таким образом, адрес характеризует не отдельную машину, а ее сетевое соединение.

Помимо адресов, предназначенных для одного хоста (unicast), существуют также широковещательные (broadcast) и групповые (multicast) адреса.

Уникальный IP-адрес присваивается каждому сетевому интерфейсу. Назначение идентификаторов хостов обычно находится в ведении системного администратора или поставщика услуг Интернета, а выделение адресов сетям, объединенным в мировую Сеть, в юрисдикции специальной организации - InterNIC (Internet Network Information Center Internet).

В связи с бурным ростом Интернета 32-битная схема адресации нынешней версии IP - IPv4, уже не удовлетворяет потребности мировой Сети. Новая версия, IPv6, проект которой был обнародован в 1991 г., призвана решить эти проблемы. IPv6 обеспечит 128-битный формат IP-адреса и будет поддерживать автоматическое назначение адресов.

TCP/IP предоставляет пользователям возможность работать не только с адресами компьютеров, но и с их именами. Это обеспечивается при помощи распределенной базы данных - доменной системы имен (Domain Name System, DNS), которая обеспечивает отображение IP-адресов в имена хостов. Эта база данных является распределенной, поскольку ни один объект в Интернете не обладает всей информацией об именах компьютеров. Каждый объект поддерживает свою базу данных и имеет серверную программу, к которой могут обращаться другие системы (клиенты) в сети.

Открытость, масштабируемость, универсальность и простота использования - неоспоримые преимущества TCP/IP, но у этого семейства протоколов есть и очевидные недостатки. Столь привлекательная простота доступа оборачивается для Интернета серьезнейшей проблемой защиты информации, которая приобретает особую остроту сейчас, когда мировая Сеть все активнее используется для электронной коммерции. Неупорядоченность передачи пакетов и невозможность отследить маршрут их продвижения также являются важными проблемами, поскольку препятствуют реализации таких необходимых в современных коммуникациях возможностей, как передача мультимедийных данных в реальном времени. Наконец, как уже упоминалось, предоставляемый нынешней версией протокола IP объем адресного пространства, особенно в связи с его неэффективным использованием, уже с большим трудом позволяет удовлетворять потребности гигантской и все более разрастающейся Сети.

Многие указанные проблемы должны быть сняты реализацией уже упоминавшегося протокола IPv6. Помимо четырехкратного увеличения размера адреса, что обеспечит адресное пространство объемом около 4 квадриллионов адресов в сравнении с современными 4 млрд, новый стандарт обеспечивает осуществление встроенных функций защиты от несанкционированного доступа, поддержку передачи данных мультимедиа в реальном времени и возможности автоматического реконфигурирования адресов.

Контролем использования TCP/IP, определением основных направлений развития, разработкой и утверждением стандартов сегодня занимается несколько организаций. Основной из них является ISOC (Internet Society) - профессиональное сообщество, которое занимается общими вопросами эволюции и роста Интернета как глобальной инфраструктуры исследовательских коммуникаций.

Под управлением ISOC действует IAB (Internet Architecture Board) - организация, в ведении которой находится технический контроль и координация Интернета. IAB координирует направления исследований и новых разработок для TCP/IP и является конечной инстанцией при определении новых стандартов для Интернета.

В IAB входят две основные группы: IETF (Internet Engineering Task Force) и IRTF (Internet Research Task Force). IETF - инженерная группа, которая занимается решением ближайших технических проблем Интернета. Она делится на девять подгрупп в соответствии с основными областями (приложения, маршрутизация и адресация, защита информации и т. д.) и определяет спецификации, которые затем становятся стандартами Интернета. В частности, протоколы IPv6 и DHCP являются плодом усилий IETF. В свою очередь, IRTF координирует долгосрочные исследовательские проекты по протоколам TCP/IP и технологии Интернета в целом.

Разнообразная документация, связанная с Интернетом, предложения по стандартам и сами официальные стандарты протоколов TCP/IP публикуются в серии технических сообщений Internet Request for Comments, или RFC. RFC могут быть короткими или длинными, излагать глобальные концепции или описывать детали того или иного проекта, формулировать официальный стандарт или давать предложения по новым протоколам.

В современном мире информация распространяется за считанные секунды. Вот только что появилась новость, а через секунду она уже доступна на каком-либо сайте в сети интернет. Интернет считается одной из самых полезных разработок человеческого разума. Чтобы пользоваться всеми благами, которые предоставляет интернет, необходимо подключиться к этой сети.

Мало кто знает, что простой процесс посещения веб-страничек подразумевает незаметную для пользователя, сложную систему действий. Каждый переход по ссылке активирует сотни различных вычислительных операций в сердце компьютера. В их числе передачи запросов, прием ответов и многое другое. За каждое действие в сети отвечают так называемые протоколы TCP/IP. Что они собой представляют?

Любой протокол интернета TCP/IP работает на своем уровне. Иными словами, каждый занимается своим делом. Все семейство TCP/IP протоколов одновременно выполняет колоссальную работу. А пользователь в это время видит только яркие картинки и длинные строки текста.

Понятие стека протоколов

Стек протоколов TCP/IP - это организованный набор основных сетевых протоколов, который иерархическим способом разделен на четыре уровня и представляет собой систему транспортного распределения пакетов по компьютерной сети.

TCP/IP - это наиболее известный стек сетевых протоколов, который используется на данный момент. Принципы стека TCP/IP применяются как в локальных, так и в глобальных сетях.

Принципы использования адресов в стеке протоколов

Стек сетевых протоколов TCP/IP описывает пути и направления отправки пакетов. Это основная задача всего стека, выполняющаяся на четырех уровнях, которые взаимодействуют между собой протоколированным алгоритмом. Для правильной отправки пакета и его доставки ровно в ту точку, которая его запросила, была введена и стандартизирована адресация IP. Этому послужило наличие следующих задач:

• Адреса различного типа, должны быть согласованы. Например преобразование домена сайта в IP адрес сервера и обратно, или преобразование имени узла в адрес и обратно. Таки образом становится возможен доступ к точке не только с помощью IP адреса, но и по интуитивному названию.
• Адреса должны быть уникальны. Это вызвано тем, что в некоторых частных случаях пакет должен попасть только в одну конкретную точку.
• Необходимость конфигурирования локальных вычислительных сетей.

В малых сетях, где используется несколько десятков узлов, все эти задачи выполняются элементарно, с помощью простейших решений: составление таблицы с описанием принадлежности машины и соответствующего ей IP адреса, или можно вручную раздать всем сетевым адаптерам IP адреса. Однако для крупных сетей на тысячу или две тысячи машин задача ручной выдачи адресов не кажется такой выполнимой.

Именно поэтому для сетей TCP/IP был изобретен специальный подход, который и стал отличительной чертой стека протоколов. Было введено понятие - масштабируемость.

Уровни стека протоколов TCP/IP

Здесь существует определенная иерархия. Стек протоколов TCP/IP предусматривает четыре уровня, каждый из которых обрабатывает свой набор протоколов:

Прикладной уровень : создан для обеспечения работы пользователя с сетью На этом уровне обрабатывается все то, что видит и делает пользователь. Уровень позволяет пользователю получить доступ к различным сетевым службам, например: доступ к базам данных, возможность прочитать список файлов и открыть их, отправить электронное сообщение или открыть веб-страницу. Вместе с пользовательскими данными и действиям, на этом уровне передается служебная информация.

Транспортный уровень: это механизм передачи пакетов в чистом виде. На этом уровне совершенно не имеет значения ни содержимое пакета, ни его принадлежность к какому бы то ни было действию. На этом уровне имеет значение только адрес узла отправки пакета и адрес узла, на который пакет должен быть доставлен. Как правило, размер фрагментов, передаваемых с использованием разных протоколов, может изменяться, потому на этом уровне блоки информации могут дробиться на выходе и собираться в единое целое в точке назначения. Этим обусловлена возможная потеря данных, если в момент передачи очередного фрагмента произойдет кратковременный разрыв соединения.

Транспортный уровень включает в себя много протоколов, которые делятся на классы, от простейших, которые просто передают данные, до сложных, которые оснащены функционалом подтверждения приема, или повторного запроса недополученного блока данных.

Данный уровень, предоставляет вышестоящему (прикладному) два типа сервиса:

• Осуществляет гарантированную доставку, с помощью протокола ТСР.
  
• Осуществляет доставку по возможности по протоколу UDP.

Чтобы обеспечить гарантированную доставку, согласно протоколу TCP устанавливается соединение, которое позволяет выставлять на пакетах нумерацию на выходе и подтверждать их прием на входе. Нумерация пакетов и подтверждение приема - это так называемая служебная информация. Этот протокол поддерживает передачу в режиме "Дуплекс". Кроме того, благодаря продуманному регламенту протокола, он считается очень надежным.

Протокол UDP предназначен для моментов, когда невозможно настроить передачу по протоколу TCP, либо приходится экономить на сегменте сетевой передачи данных. Также протокол UDP может взаимодействовать с протоколами более высокого уровня, для повышения надежности передачи пакетов.

Сетевой уровень или "уровень интернета": базовый уровень для всей модели TCP/IP. Основной функционал этого уровня идентичен одноименному уровню модели OSI и описывает перемещение пакетов в составной сети, состоящей из нескольких, более мелких подсетей. Он связывает соседние уровни протокола TCP/IP.

Сетевой уровень является связующим между вышестоящим транспортным уровнем и нижестоящим уровнем сетевых интерфейсов. Сетевой уровень использует протоколы, которые получают запрос от транспортного уровня, и посредством регламентированной адресации передают обработанный запрос на протокол сетевых интерфейсов, указывая, по какому адресу направить данные.

На этом уровне используются следующие сетевые протоколы TCP/IP: ICMP, IP, RIP, OSPF. Основным, и наиболее популярным на сетевом уровне, конечно же является протокол IP (Internet Protocol). Основной его задачей является передача пакетов от одного роутера к другому до тех пор, пока единица данных не попадет на сетевой интерфейс узла назначения. Протокол IP разворачивается не только на хостах, но и на сетевом оборудовании: маршрутизаторах и управляемых коммутаторах. Протокол IP работает по принципу негарантированной доставки с максимальными усилиями. Т. е., для отправки пакета нет необходимости заранее устанавливать соединение. Такой вариант приводит к экономии трафика и времени на движении лишних служебных пакетов. Пакет направляется в сторону назначения, и вполне возможно, что узел останется недоступным. В таком случае возвращается сообщение об ошибке.

Уровень сетевых интерфейсов: отвечает за то, чтобы подсети с разными технологиями могли взаимодействовать друг с другом и передавать информацию в том же режиме. Реализовано это двумя простыми шагами:

• Кодирование пакета в единицу данных промежуточной сети.
• Преобразование информации о месте назначения в стандарты необходимой подсети и отправка единицы данных.

Этот подход позволяет постоянно расширять количество поддерживаемых технологий построения сетей. Как только появляется новая технология, она сразу попадает в стек проколов TCP/IP и позволяет сетям со старыми технологиями передавать данные в сети, построенные с применением более современных стандартов и способов.

Единицы передаваемых данных

За время существования такого явления, как протоколы TCP/IP, установились стандартные термины по части единиц передаваемых данных. Данные при передаче могут дробиться по-разному, в зависимости от технологий, используемых сетью назначения.

Чтобы иметь представление о том, что и в какой момент времени происходит с данными, нужно было придумать следующую терминологию:

• Поток данных - данные, которые поступают на транспортный уровень от протоколов вышестоящего прикладного уровня.
• Сегмент - фрагмент данных, на которые дробится поток по стандартам протокола TCP.
• Датаграмма (особо безграмотные произносят как "Дейтаграмма") - единицы данных, которые получаются путем дробления потока с помощью протоколов, работающих без установления соединения (UDP).
• Пакет - единица данных, производимая посредством протокола IP.
• Протоколы TCP/IP упаковывают IP-пакеты в передаваемые по составным сетям блоки данных, которые называются кадрами или фреймами .

Типы адресов стека протоколов TCP/IP

Любой протокол передачи данных TCP/IP для идентификации узлов использует один из следующих типов адресов:

• Локальные (аппаратные) адреса.
• Сетевые адреса (IP адреса).
• Доменные имена.

Локальные адреса (MAC-адреса) - используются в большинстве технологий локальных вычислительных сетей, для идентификации сетевых интерфейсов. Под словом локальный, говоря о TCP/IP, следует понимать интерфейс, который действует не в составной сети, а в пределах отдельно взятой подсети. Например, подсеть интерфейса, подключенного к интернет - будет локальной, а сеть интернет - составной. Локальная сеть может быть построена на любой технологии, и независимо от этого, с точки зрения составной сети машина, находящаяся в отдельно выделенной подсети, будет называться локальной. Таким образом, когда пакет попадает в локальную сеть, дальше его IP адрес ассоциируется с локальным адресом, и пакет направляется уже на MAC-адрес сетевого интерфейса.

Сетевые адреса (IP-адреса). В технологии TCP/IP предусмотрена собственная глобальная адресация узлов, для решения простой задачи - объединения сетей с разной технологией в одну большую структуру передачи данных. IP-адресация совершенно не зависит от технологии, которая используется в локальной сети, однако IP адрес позволяет сетевому интерфейсу представлять машину в составной сети.

В итоге была разработана система, при которой узлам назначается IP адрес и маска подсети. Маска подсети показывает, какое количество бит отводится под номер сети, а какое количество под номер узла. IP адрес состоит из 32 бит, разделенных на блоки по 8 бит.

При передаче пакета ему назначается информация о номере сети и номере узла, в который пакет должен быть направлен. Сначала маршрутизатор направляет пакет в нужную подсеть, а потом выбирается узел, который его ждет. Этот процесс осуществляется протоколом разрешения адресов (ARP).

Доменные адреса в сетях TCP/IP управляются специально разработанной системой доменных имен (DNS). Для этого существуют серверы, которые сопоставляют доменное имя, представленное в виде строки текста, с IP адресом, и отправляет пакет уже в соответствии с глобальной адресацией. Между именем компьютера и IP адресом не предусмотрено соответствий, поэтому, чтобы преобразовать доменное имя в IP адрес, передающему устройству необходимо обратиться к таблице маршрутизации, которая создается на DNS сервере. Например, мы пишем в браузере адрес сайта, DNS сервер сопоставляет его с IP адресом сервера, на котором сайт расположен, и браузер считывает информацию, получая ответ.

Кроме сети интернет, есть возможность выдавать компьютерам доменные имена. Таким образом, упрощается процесс работы в локальной сети. Пропадает необходимость запоминать все IP-адреса. Вместо них можно придумать каждому компьютеру любое имя и использовать его.

IP-адрес. Формат. Составляющие. Маска подсети

IP адрес - 32-битное число, которое в традиционном представлении записывается в виде чисел, от 1 до 255, разделенных между собой точками.

Вид IP адреса в различных форматах записи:

• Десятичный вид IP адреса: 192.168.0.10.
• Двоичный вид того же IP адреса: 11000000.10101000.00000000.00001010.
• Запись адреса в шестнадцатеричной системе счисления: C0.A8.00.0A.

Между ID сети и номером точки в записи нет разделительного знака, но компьютер способен их разделять. Для этого существует три способа:

1. Фиксированная граница. При этом способе весь адрес условно делится на две части фиксированной длины побайтно. Таким образом, если под номер сети отдать один байт, тогда мы получим 2 8 сетей по 2 24 узлов. Если границу сдвинуть еще на байт вправо, тогда сетей станет больше - 2 16 , а узлов станет меньше - 2 16 . На сегодняшний день подход считается устаревшим и не используется.
2. Маска подсети. Маска идет в паре с IP адресом. Маска имеет последовательность значений "1" в тех разрядах, которые отведены под номер сети, и определенное количество нулей в тех местах IP адреса, которые отведены на номер узла. Граница между единицами и нулями в маске - это граница между идентификатором сети и ID узла в IP-адресе.
3. Метод классов адресов. Компромиссный метод. При его использовании размеры сетей не могут быть выбраны пользователем, однако есть пять классов - А, В, С, D, Е. Три класса - А, В и С - предназначены для различных сетей, а D и Е - зарезервированы для сетей специального назначения. В классовой системе каждый класс имеет свою границу номера сети и ID узла.

Классы IP адресов

К классу А относятся сети, в которых сеть идентифицируется по первому байту, а три оставшихся являются номером узла. Все IP адреса, которые имеют в своем диапазоне значение первого байта от 1 до 126 - это сети класса А. Количественно сетей класса А получается совсем мало, зато в каждой из них может быть до 2 24 точек.

Класс В - сети, в которых два высших бита равны 10. В них под номер сети и идентификатор точки отводится по 16 бит. В результате получается, что количество сетей класса В в большую сторону отличается от количества сетей класса А количественно, но они имеют меньшее количество узлов - до 65 536 (2 16) шт.

В сетях класса С - совсем мало узлов - 2 8 в каждой, но количество сетей огромно, благодаря тому, что идентификатор сети в таких структурах занимает целых три байта.

Сети класса D - уже относятся к особым сетям. Он начинается с последовательности 1110 и называется групповым адресом (Multicast adress). Интерфейсы, имеющие адреса класса А, В и С, могут входить в группу и получать вдобавок к индивидуальному еще и групповой адрес.

Адреса класса Е - в резерве на будущее. Такие адреса начинаются с последовательности 11110. Скорее всего, эти адреса будут применяться в качестве групповых, когда наступит нехватка IP адресов в глобальной сети.

Настройка протокола TCP/IP

Настройка протокола TCP/IP доступна на всех операционных системах. Это - Linux, CentOS, Mac OS X, Free BSD, Windows 7. Протокол TCP/IP требует только наличия сетевого адаптера. Разумеется, серверные операционные системы способны на большее. Очень широко, с помощью серверных служб, настраивается протокол TCP/IP. IP адреса в в обычных настольных компьютерах задаются в настройках сетевых подключений. Там настраивается сетевой адрес, шлюз - IP адрес точки, имеющий выход в глобальную сеть, и адреса точек, на которых располагается DNS сервер.

Протокол интернета TCP/IP может настраиваться в ручном режиме. Хотя не всегда в этом есть необходимость. Можно получать параметры протокола TCP/IP с динамически-раздающего адреса сервера в автоматическом режиме. Такой способ используют в больших корпоративных сетях. На DHCP сервер можно сопоставить локальный адрес к сетевому, и как только в сети появится машина с заданным IP адресом, сервер сразу даст ему заранее подготовленный IP адрес. Этот процесс называется резервирование.

TCP/IP Протокол разрешения адресов

Единственный способ установить связь между MAC-адресом и IP адресом - ведение таблицы. При наличии таблицы маршрутизации каждый сетевой интерфейс осведомлен о своих адресах (локальном и сетевом), однако встает вопрос, как правильно организовать обмен пакетами между узлами, применяя протокол TCP/IP 4.

Для чего был придуман протокол разрешения адресов (ARP)? Для того, чтобы связывать семейство TCP/IP протоколов и других систем адресации. На каждом узле создается таблица соответствия ARP, которая заполняется путем опроса всей сети. Происходит это после каждого выключения компьютера.

ARP таблица

Так выглядит пример составленной ARP таблицы.