Лекция: Сетевые протоколы, используемые в сети Интернет

Иерархия протоколов TCP/IP

Протоколы TCP/IP широко применяются во всем мире для соединения компьютеров в сеть Internet. Архитектура протоколов TCP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных компьютерных подсетей. Иерархию управления в TCP/IP-сетях обычно представляют в виде двух уровневой модели, приведенной на рисунке.

Этот нижний уровень hardware описывает ту или иную среду передачи данных

На уровне network interface (сетевой интерфейс) лежит аппаратно — зависимое программное обеспечение, реализующее, распространение информации на том или ином отрезке среды передачи данных. Отметим, что TCP/IP, изначально ориентированный на независимость от среды передачи данных, никаких ограничений «от себя» на программное обеспечение, этих двух уровней не накладывает. Понятия «среда передачи данных» и «программное обеспечение сетевого интерфейса» могут на практике иметь различные по сложности и функциональности наполнения. Это могут быть и простое модемное двухточечное звено, и представляющая сложную многоузловую коммуникационную структуру сеть Х.25 или Frame Relay.

Уровень internet (межсетевой) представлен протоколом IP. главная задача — маршрутизация (выбор пути через множество промежуточных узлов) при доставке информации от узла отправителя до узла-адресата. Вторая важная задача протокола IP — сокрытие аппаратно-программных особенностей среды передачи данных и предоставление вышележащим уровням единого унифицированного и аппаратно независимого интерфейса для доставки информации. Достигаемая при этом канальная (аппаратная) независимость и обеспечивает много платформенное применение приложений, работающих над TCP/IP.

Протокол IP не обеспечивает транспортную службу в том смысле, что не гарантирует доставку пакетов, сохранение порядка и целостности потока пакетов и не различает логические объекты (процессы), порождающие поток информации. Это задачи других протоколов — TCP и UDP, относящихся к следующему transport (транспортному) уровню. TCP и UDP реализуют различные режимы доставки данных. TCP, как говорят, — протокол с установлением соединения. Это означает, что два узла, связывающиеся помощи этого протокола, «договариваются» о том, что будут обмениваться потоком данных, и принимают некоторые соглашения об управлении этим потоком. UDP (как, собственно, и IP) является дейтаграммным протоколом, т. е. таким, что каждый блок передаваемой информации (пакет) обрабатывается и распространяется от узла к узлу не как часть некоторого потока, а как независимая единица информации — дейтаграмма (datagram).

Выше — на уровне application (прикладном) — лежат прикладные задачи, такие как обмен, файлами (File Transfer Protocol, FTP) и сообщениями электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), терминальный доступ к удаленным серверам (Telnet)

В связи с особой ролью протоколов TCP/IP в сети Internet остановимся на них более подробно. Знание этого семейства протоколов поможет узнать, как работает Internet. Передаваемая по сети информация разбивается на пакеты — небольшие (не более 1500 символов) порции данных Пакеты посылают независимо друг от друга, а в пункте приема собираются в нужной последовательности. Такой режим передачи называется дейтаграммным. Другими словами, протокол TCP/IP распределяет информацию по множеству дейтаграмм, после чего в пункте приема проверяет их достоверность и собирает снова. Протокол IP управляет адресацией, последовательностью и пересылкой. Протоколы TCP/IP относятся к транспортному уровню Эталонной модели взаимодействия открытых систем и не зависят от протоколов других уровней этой модели. Благодаря этому протоколы TCP/IP идеально подходят для современной Internet. Когда сорок (или около того) миллионов людей используют в своей работе самые разнообразные системы, значительно удобнее осуществлять проверку ошибок на уровне протокола, который поддерживают все эти системы.

В TCP/IP для проверки правильности пакета используется механизм, который носит название контрольная сумма. Контрольная сумма — это число, помещаемое в дейтаграмму и вычисляемое по специальному алгоритму для всех символов дейтаграммы. Заголовок содержит также номер дейтаграммы в передаваемой последовательности дейтаграмм, служащий для определения порядка дейтаграмм при восстановлении первоначальной информации. После добавления заголовка TCP передает дейтаграмму протоколу IP.

Протокол IP добавляет к каждой дейтаграмме заголовок адреса. Заголовок включает в себя адреса отправителя и получателя каждой дейтаграммы. После этого IP передает дейтаграмму компьютеру-отправителю, использующему собственный протокол (например, протокол Internet Point-to-Point (точка-точка) или сокращенно — РРР), который помещает дейтаграмму в кадр данных.

Пока кадр данных путешествует по Internet, он проходит через несколько IP-маршрутизаторов Internet. Каждый маршрутизатор читает адрес назначения кадра и выбирает адрес следующего маршрутизатора, которому нужно послать кадр, чтобы тот достиг пункта назначения. Вследствие того, что поток информации в сети никогда не бывает постоянным, то разные кадры могут идти через различные маршрутизаторы. Кроме того, некоторые маршрутизаторы могут не работать по какой-либо причине. Если маршрутизатор IP обнаруживает, что адрес занят или не работает, то он выбирает альтернативный адрес, по которому и посылает кадр.

Из всего этого следует, что кадры могут прибыть по назначению совсем не в том порядке, в котором они были отправлены из исходного пункта, следовательно, их нужно проверить и выстроить по порядку.

После того как получающий компьютер принимает кадр, он первым делом проверяет верхний и нижний заголовки кадра, чтобы удостовериться в корректности содержащейся в нем дейтаграммы. IP отвечает за адрес каждой дейтаграммы, а TCP проверяет корректность дейтаграммы. Для этого рассчитывается контрольная сумма, которая сравнивается с исходной. Если контрольные суммы не совпадают, то TCP посылает запрос на повторную отправку пакета. После получения и проверки всех дейтаграмм, TCP восстанавливает их порядок, удаляет заголовки и передает информацию получающему компьютеру.