Описание стека протоколов tcp ip. Способы передачи данных

02.08.2019

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:

Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов , обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
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.
Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
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.

В этой статье будут рассказаны основы модели TCP/IP. Для лучшего понимания описаны основные протоколы и службы. Главное - не торопиться и стараться понимать каждую вещь поэтапно. Все они взаимосвязаны и без понимания одной, трудно будет понять другую. Здесь скомпонована весьма поверхностная информация, так что эту статью смело можно назвать «стеком протоколов TCP/IP для чайников». Однако, многие вещи здесь не так трудны для понимания, как может показаться на первый взгляд.

TCP/IP

Стек TCP/IP - сетевая модель передачи данных в сети, она определяет порядок взаимодействия устройств. Данные поступают на канальный уровень и обрабатываются поочередно каждым уровнем выше. Стек представлен в виде абстракции, которая объясняет принципы обработки и приема данных.

Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:

Канальный (Link).
Сетевой (Internet).
Транспортный (Transport).
Прикладной (Application).

Прикладной уровень

Прикладной уровень обеспечивает возможность взаимодействия между приложением и другими уровнями стека протоколов, анализирует и преобразовывает поступающую информацию в формат, подходящий для программного обеспечения. Является ближайшим к пользователю и взаимодействует с ним напрямую.

HTTP;
SMTP;

Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.

HTTP (HyperText Transfer Protocol) предназначен для передачи данных. По нему отправляются, например, документы в формате HTML, которые служат основой веб-страницы. Упрощенно схема работы представляется как «клиент - сервер». Клиент отправляет запрос, сервер его принимает, должным образом обрабатывает и возвращает конечный результат.

Служит стандартом передачи файлов в сети. Клиент посылает запрос на некий файл, сервер ищет этот файл в своей базе и при успешном обнаружении отправляет его как ответ.

Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:

Определение адреса отправителя. Это необходимо для возвращения писем.
Определение получателя. Этот шаг может повторяться некоторое количество раз при указании нескольких адресатов.
Определение содержимого сообщения и отправка. В качестве служебной информации передаются данные о типе сообщения. Если сервер подтверждает готовность принять пакет, то совершается сама транзакция.

Заголовок (Header)

В заголовке содержатся служебные данные. Важно понимать, что они предназначаются только для конкретного уровня. Это значит, что как только пакет отправится к получателю, то будет обработан там по такой же модели, но в обратном порядке. Вложенный заголовок будет нести специальную информацию, которая может быть обработана только определенным образом.

Например, заголовок, вложенный на транспортном уровне, на другой стороне может быть обработан только транспортным уровнем. Другие просто его проигнорируют.

Транспортный уровень

На транспортном уровне полученная информация обрабатывается как единый блок, вне зависимости от содержимого. Полученные сообщения делятся на сегменты, к ним добавляется заголовок, и все это отправляется ниже.

Протоколы передачи данных:

Самый распространенный протокол. Он отвечает за гарантированную передачу данных. При отправке пакетов контролируется их контрольная сумма, процесс транзакции. Это значит, что информация дойдет «в целости и сохранности» независимо от условий.

UDP (User Datagram Protocol) - второй по популярности протокол. Он также отвечает за передачу данных. Отличительное свойство кроется в его простоте. Пакеты просто отправляются, не создавая особенной связи.

TCP или UDP?

У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.

Основное преимущество UDP заключается в скорости передачи. TCP является сложным протоколом с множеством проверок, в то время как UDP представляется более упрощенным, а значит, и более быстрым.

Недостаток кроется в простоте. Ввиду отсутствия проверок не гарантируется целостность данных. Таким образом, информация просто отправляется, а все проверки и подобные манипуляции остаются за приложением.

UDP используется, например, для просмотра видео. Для видеофайла не критична потеря небольшого количества сегментов, в то время как скорость загрузки - важнейший фактор.

Однако если необходимо отправить пароли или реквизиты банковской карты, то необходимость использования TCP очевидна. Потеря даже самой мизерной части данных может повлечь за собой катастрофические последствия. Скорость в этом случае не так важна, как безопасность.

Сетевой уровень

Сетевой уровень из полученной информации образует пакеты и добавляет заголовок. Наиболее важной частью данных являются IP и MAC-адреса отправителей и получателей.

IP-адрес (Internet Protocol address) - логический адрес устройства. Содержит информацию о местоположении устройства в сети. Пример записи: .

MAC-адрес (Media Access Control address) - физический адрес устройства. Используется для идентификации. Присваивается сетевому оборудованию на этапе изготовления. Представлен как шестибайтный номер. Например: .

Сетевой уровень отвечает за:

Определение маршрутов доставки.
Передачу пакетов между сетями.
Присвоение уникальных адресов.

Маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Они прокладывают путь между компьютером и сервером на основе полученных данных.

Самый популярный протокол этого уровня - IP.

IP (Internet Protocol) - интернет-протокол, предназначенный для адресации в сети. Используется для построения маршрутов, по которым происходит обмен пакетами. Не обладает никакими средствами проверки и подтверждения целостности. Для обеспечения гарантий доставки используется TCP, который использует IP в качестве транспортного протокола. Понимание принципов этой транзакции во многом объясняет основу того, как работает стек протоколов TCP/IP.

Виды IP-адресов

В сетях используются два вида IP-адресов:

Публичные.
Приватные.

Публичные (Public) используются в Интернете. Главное правило - абсолютная уникальность. Пример их использования - маршрутизаторы, каждый из которых имеет свой IP-адрес для взаимодействия с сетью Интернет. Такой адрес называется публичным.

Приватные (Private) не используются в Интернете. В глобальной сети такие адреса не являются уникальными. Пример - локальная сеть. Каждому устройству присваивается уникальный в пределах данной сети IP-адрес.

Взаимодействие с сетью Интернет ведется через маршрутизатор, который, как уже было сказано выше, имеет свой публичный IP-адрес. Таким образом, все компьютеры, подключенные к маршрутизатору, представляются в сети Интернет от имени одного публичного IP-адреса.

IPv4

Самая распространенная версия интернет-протокола. Предшествует IPv6. Формат записи - четыре восьмибитных числа, разделенные точками. Через знак дроби указывается маска подсети. Длина адреса - 32 бита. В подавляющем большинстве случаев, когда речь идет об IP-адресе, имеется в виду именно IPv4.

Формат записи: .

IPv6

Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.

Основная проблема, которую решает IPv6 - это исчерпание адресов IPv4. Предпосылки начали проявляться уже в начале 80-х годов. Несмотря на то, что эта проблема вступила в острую стадию уже в 2007-2009 годах, внедрение IPv6 очень медленно «набирает обороты».

Главное преимущество IPv6 - более быстрое интернет-соединение. Это происходит из-за того, что для этой версии протокола не требуется трансляции адресов. Выполняется простая маршрутизация. Это является менее затратным и, следовательно, доступ к интернет-ресурсам предоставляется быстрее, чем в IPv4.

Пример записи: .

Существует три типа IPv6-адресов:

Unicast.
Anycast.
Multicast.

Unicast - тип одноадресных IPv6. При отправке пакет достигает только интерфейса, расположенного на соответствующем адресе.

Anycast относится к групповым IPv6-адресам. Отправленный пакет попадет в ближайший сетевой интерфейс. Используется только маршрутизаторами.

Multicast являются многоадресными. Это значит, что отправленный пакет достигнет всех интерфейсов, находящихся группе мультивещания. В отличие от broadcast, который является «вещанием для всех», multicast вещает лишь определенной группе.

Маска подсети

Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.

Например, IP-адрес имеет маску . В таком случае формат записи будет выглядеть так . Число «24» - это количество бит в маске. Восемь бит равняется одному октету, который также может называться байтом.

Если подробнее, то маску подсети можно представить в двоичной системе счисления таким образом: . В ней имеется четыре октета, и запись состоит из «1» и «0». Если сложить количество единиц, то получим в сумме «24». К счастью, считать по единице не обязательно, ведь в одном октете - 8 значений. Видим, что три из них заполнены единицами, складываем и получаем «24».

Если говорить именно о маске подсети, то в двоичном представлении она имеет в одном октете либо единицы, либо нули. При этом последовательность такова, что сначала идут байты с единицами, а только потом с нулями.

Рассмотрим небольшой пример. Есть IP-адрес и маска подсети . Считаем и записываем: . Теперь сопоставляем маску с IP-адресом. Те октеты маски, в которых все значения равны единице (255) оставляют соответствующие им октеты в IP-адресе без изменения. Если же в значении нули (0), то октеты в IP-адресе также становятся нулями. Таким образом, в значении адреса подсети получаем .

Подсеть и хост

Подсеть отвечает за логическое разделение. По сути, это устройства, использующие одну локальную сеть. Определяется диапазоном IP-адресов.

Хост - это адрес сетевого интерфейса (сетевой карты). Определяется из IP-адреса с помощью маски. Например: . Так как первые три октета - подсеть, то остается . Это и есть номер хоста.

Диапазон адресов хоста - от 0 до 255. Хост под номером «0» является, собственно, адресом самой подсети. А хост под номером «255» является широковещательным.

Адресация

Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

Локальные.
Сетевые.
Доменные имена.

Локальными называются MAC-адреса. Они используются для адресации в таких технологиях локальной сети как, например, Ethernet. В контексте TCP/IP слово «локальные» означает, что они действуют лишь в пределах подсети.

Сетевым адресом в стеке протоколов TCP/IP является IP-адрес. При отправке файла из его заголовка считывается адрес получателя. С его помощью маршрутизатор узнает номер хоста и подсеть и, основываясь на этой информации, прокладывает маршрут к конечному узлу.

Доменные имена - это удобочитаемые адреса веб-сайтов в Интернете. Веб-сервера в сети Интернет доступны по публичному IP-адресу. Он успешно обрабатывается компьютерами, однако для людей представляется слишком неудобным. Для того чтобы избежать подобных сложностей, используются доменные имена, которые состоят из областей, называемых «доменами». Они располагаются в порядке строгой иерархии, от верхнего уровня к нижнему.

Домен первого уровня представляет конкретную информацию. Общие (.org, .net) не ограничены какими-либо строгими границами. Обратная ситуация - с локальными (.us, .ru). Они, как правило, привязаны территориально.

Домены низших уровней - это все остальное. Он может быть любого размера и содержать любое количество значений.

Например, "www.test.quiz.sg" - корректное доменное имя, где «sg» - локальный домен первого (верхнего) уровня, «quiz.sg» - домен второго уровня, «test.quiz.sg» - домен третьего уровня. Доменные имена также могут называться DNS-именами.

DNS (Domain Name System) устанавливает соответствие между доменными именами и публичным IP-адресом. При наборе доменного имени в строке браузера DNS обнаружит соответствующий IP-адрес и сообщит устройству. Устройство обработает этот и вернет его в виде веб-страницы.

Канальный уровень

На канальном уровне определяется взаимосвязь между устройством и физической средой передачи, добавляется заголовок. Отвечает за кодировку данных и подготовку фреймов для передачи по физической среде. На этом уровне работают сетевые коммутаторы.

Самые распространенные протоколы:

Ethernet.
WLAN.

Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.

WLAN - локальная сеть на основе беспроводных технологий. Взаимодействие устройств происходит без физических кабельных соединений. Пример самого распространенного метода - Wi-Fi.

Настройка TCP/IP для использования статического IPv4-адреса

Статический IPv4-адрес назначается напрямую в настройках устройства или автоматически при подключении к сети и является постоянным.

Для настройки стека протоколов TCP/IP на использование постоянного IPv4-адреса необходимо ввести в консоль команду ipconfig/all и найти следующие данные.

Настройка TCP/IP для использования динамического IPv4-адреса

Динамический IPv4-адрес используется какое-то время, сдается в аренду, после чего меняется. Присваивается устройству автоматически при подключении к сети.

Чтобы настроить стек протоколов TCP/IP на использование непостоянного IP-адреса необходимо зайти в свойства нужного соединения, открыть свойства IPv4 и поставить отметки так, как указано.

Способы передачи данных

Данные передаются через физическую среду тремя способами:

Simplex.
Half-duplex.
Full Duplex.

Simplex - это односторонняя связь. Передача ведется только одним устройством, в то время как другое только принимает сигнал. Можно сказать, что информация транслируется только в одном направлении.

Примеры симплексной связи:

Телевещание.
Сигнал от спутников GPS.

Half-duplex - это двусторонняя связь. Однако только один узел может передавать сигнал в определенный момент времени. При такой связи два устройства не могут одновременно использовать один канал. Полноценная двусторонняя связь может быть невозможна физически или приводить к коллизиям. Говорится, что они конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании коаксиального кабеля.

Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.

Full Duplex - полноценная двусторонняя связь. Устройства могут одновременно транслировать сигнал и производить прием. Они не конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании технологии Fast Ethernet и соединении с помощью витой пары.

Пример - общение по телефону через мобильную сеть.

TCP/IP vs OSI

Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:

Физический (Physical).
Канальный (Data Link).
Сетевой (Network).
Транспортный (Transport).
Сеансовый (Session).
Представительский (Presentation).
Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.

Физический представляет собой собственно физическую связь - электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.

TCP/IP

Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:

Канальный (Link).
Сетевой (Internet).
Транспортный (Transport).
Прикладной (Application).

Прикладной уровень

HTTP;
SMTP;

Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.

Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:

Определение адреса отправителя. Это необходимо для возвращения писем.
Определение получателя. Этот шаг может повторяться некоторое количество раз при указании нескольких адресатов.
Определение содержимого сообщения и отправка. В качестве служебной информации передаются данные о типе сообщения. Если сервер подтверждает готовность принять пакет, то совершается сама транзакция.

Заголовок (Header)

Транспортный уровень

Протоколы передачи данных:

TCP или UDP?

У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.

Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за:

Определение маршрутов доставки.
Передачу пакетов между сетями.
Присвоение уникальных адресов.

Самый популярный протокол этого уровня - IP.

Виды IP-адресов

В сетях используются два вида IP-адресов:

Публичные.
Приватные.

IPv4

Формат записи: .

IPv6

Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.

Пример записи: .

Существует три типа IPv6-адресов:

Unicast.
Anycast.
Multicast.

Маска подсети

Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.

Подсеть и хост

Адресация

Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

Локальные.
Сетевые.
Доменные имена.

Канальный уровень

Самые распространенные протоколы:

Ethernet.
WLAN.

Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.

Настройка TCP/IP для использования статического IPv4-адреса

Настройка TCP/IP для использования динамического IPv4-адреса

Способы передачи данных

Данные передаются через физическую среду тремя способами:

Simplex.
Half-duplex.
Full Duplex.

Примеры симплексной связи:

Телевещание.
Сигнал от спутников GPS.

Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.

Пример - общение по телефону через мобильную сеть.

TCP/IP vs OSI

Физический (Physical).
Канальный (Data Link).
Сетевой (Network).
Транспортный (Transport).
Сеансовый (Session).
Представительский (Presentation).
Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

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:

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.
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.
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.

Лекция 3. Стек TCP/IP. Базовые протоколы TCP/IP

Протокол TCP/IP является базовым транспортным сетевым прото- колом. Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие.

Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных пакетных подсетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут обмениваться пакетами.

Стек протоколов TCP/IP имеет четыре уровня (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Стек TCP/IP

Уровень IV соответствует уровню доступа к сети, который работает на основе стандартных протоколах физического и канального уровня, таких, как Ethernet, Token Ring, SLIP, PPP и других. Протоколы этого уровня отвечают за пакетную передачу данных в сети на уровне аппаратных средств.

Уровень III обеспечивает межсетевое взаимодействие при передаче пакетов данных из одной подсети в другую. При этом работает протокол IP.

Уровень II является основным и работает на базе протокола управления передачей TCP. Этот протокол необходим для надежной передачи сообщений между размещенными на разных машинах прикладными программами за счет образования виртуальных соединений между ними.

Уровень I – прикладной. Стек TCP/IP существует давно и он включает в себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня (протокол передачи файлов FTP, протокол Telnet, протокол Gopher для доступа к ресурсам всемирного пространства GopherSpace, самый известный протокол HTTP для доступа к удаленным гипертекстовым базам данных во всемирный паутине и др.).

Все протоколы стека можно разделить на две группы: протоколы передачи данных, передающие полезные данные между двумя сторонами; служебные протоколы, необходимые для корректной работы сети.

Служебные протоколы обязательно используют какой-либо протокол передачи данных. Например, служебный протокол ICMP использует протокол IP. Интернет – совокупность всех связных компьютерных сетей, использующих протоколы стека TCP/IP.

Функции транспортного уровня. Протоколы TCP, UDP.

Четвертый уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Транспортным уровнем предоставляются следующие виды услуг:

– установление транспортного соединения;

– передача данных;

– разрыв транспортного соединения.

Функции, выполняемые транспортным уровнем:

– преобразование транспортного адреса в сетевой;

– мультиплексирование транспортных соединений в сетевые;

– установление и разрыв транспортных соединений;

– упорядочивание блоков данных по отдельным соединениям;

– обнаружение ошибок и необходимый контроль за качеством услуг;

– восстановление после ошибок;

– сегментирование, объединение и сцепление;

– управление потоком данных по отдельным соединениям;

– супервизорные функции;

– передача срочных транспортных блоков данных.

Протокол управления передачей TCP предоставляет надежную службу доставки пакетов, ориентированную на установление соединения.

Протокол TCP:

– гарантирует доставку IP-датаграмм;

– выполняет разбиение на сегменты и сборку больших блоков данных, отправляемых программами;

– обеспечивает доставку сегментов данных в нужном порядке;

– выполняет проверку целостности переданных данных с помощью контрольной суммы;

– посылает положительные подтверждения, если данные получены успешно. Используя избирательные подтверждения, можно также посылать отрицательные подтверждения для данных, которые не были получены;

– предлагает предпочтительный транспорт для программ, которым требуется надежная передача данных с установлением сеанса связи, например для баз данных «клиент-сервер» и программ электронной почты.

TCP основан на связи «точка – точка» между двумя узлами сети. TCP получает данные от программ и обрабатывает их как поток байтов. Байты группируются в сегменты, которым TCP присваивает последовательные номера, необходимые для правильной сборки сегментов на узле-приемнике.

Чтобы два узла TCP могли обмениваться данными, им нужно сначала установить сеанс связи друг с другом. Сеанс TCP инициализируется с помощью процесса, называемого трехэтапным установлением связи, котором синхронизируются номера последовательности и передается управляющая информация, необходимая для установления виртуального соединения между узлами. По завершении этого процесса установления связи начинается пересылка и подтверждение пакетов в последовательном порядке между этими узлами. Аналогичный процесс используется TCP перед прекращением соединения для того, чтобы убедиться, что оба узла закончили передачу и прием данных (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Формат заголовка сегмента TCP

Поля порт источника и порт получателя занимают по 2 байта и идентифицируют процесс-отправитель процесс-получатель. Поля порядковый номер и номер подтверждения (длины по 4 байта) нумеруют каждый отправленный или полученный байт данных. Реализуются как целые числа без знака, которые сбрасываются, когда достигают максимального значения. Каждая сторона ведет собственную порядковую нумерацию. Поле длина заголовка занимает 4 бита и представляет собой длину заголовка TCP-сегмента, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле параметры. Поле резерв занимает 6 бит. Поле флаги занимает 6 бит и содержит шесть 1-битовых флагов:

– флаг URG (Urgent Pointer – указатель точности) устанавливается в 1 в случае использования поля указатель на срочные данные;

– флаг ACK (Acknowledgment – подтверждение) устанавливается в 1 в случае, если поле номер подтверждения содержит данные. В противном случае это поле игнорируется;

– флаг PSH (Push – выталкивание) означает, что принимающий стек TCP должен немедленно информировать приложение о поступивших данных, а не ждать пока буфер заполнится;

– флаг RST (Reset – сброс) используется для отмены соединения: из-за ошибки приложения, отказа от неверного сегмента, попытки создать соединение при отсутствии затребованного сервиса;

– флаг SYN (Synchronize – синхронизация) устанавливается при инициировании соединения и синхронизации порядкового номера;

– флаг FIN (Finished – завершение) используется для разрыва соединения. Он указывает, что отправитель закончил передачу данных.

Поле размер окна (длина 2 байта) содержит количество байт, которое может быть послано после байта, получение которого уже подтверждено. Поле контрольная сумма (длина 2 байта) служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений поле контрольная сумма устанавливается равным нулю, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы.

Протокол UDP, являясь дейтаграммным протоколом, реализует сервис по возможности, то есть не гарантирует доставку своих сообщений, а, следовательно, никоим образом не компенсирует ненадежность дейтаграммного протокола IP. Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой. Каждая дейтаграмма переносит отдельное пользовательское сообщение. Это приводит к ограничению: длина дейтаграммы UDP не может превышать длины поля данных протокола IP, которое, в свою очередь, ограничено размером кадра технологии нижнего уровня. Поэтому если UDP-буфер переполняется, то данные приложения отбрасываются. Заголовок UDP-пакета, состоящий из четырех 2-байтовых полей, содержит поля порт источника, порт получателя, длина UDP и контрольная сумма (рисунок 3.3).

Поля порт источника и порт получателя идентифицируют передающий и получающий процессы. Поле длина UDP содержит длину пакета UDP в байтах. Поле контрольная сумма содержит контрольную сумму пакета UDP, вычисляемую по всему пакету UDP с добавленным псевдозаголовком.