Набор протоколов tcp ip. Что такое протокол TCP-IP

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.

Рисунок 3.3 – Формат заголовка пакета UDP

Основная литература: 2

Дополнительная литература: 7

Контрольные вопросы:

1. Каким протоколом в OSI является TCP/IP?

2. Для чего предназначена архитектура протоколов TCP/IP?

3. Какие уровни имеет стек TCP/IP?

4. Какие функции выполняет протокол управления передачей TCP?

5. Какие отличия существуют между протоколами TCP и UDP?

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.

Взаимодействие между компьютерами в интернете осуществляется посредством сетевых протоколов, представляющих собой согласованный набор определенных правил, в соответствии с которыми разные устройства передачи данных обмениваются информацией. Существуют протоколы для форматов для контроля ошибок и другие виды протоколов. В глобальном межсетевом взаимодействии чаще всего используется протокол TCP-IP.

Что же это за технология? Название TCP-IP произошло от двух сетевых протоколов: TCP и IP. Конечно, этими двумя протоколами построение сетей не ограничивается, но они являются базовыми в том, что касается именно организации передачи данных. Фактически, TCP-IP есть набор протоколов, позволяющих индивидуальным сетям объединяться для образования

Протокол TCP-IP, описание которого невозможно обозначить только определениями IP и TCP, включает в себя также протоколы UDP, SMTP, ICMP, FTP, telnet, и не только. Эти и другие протоколы TCP-IP обеспечивают наиболее полноценную работу сети Интернет.

Ниже приведем развернутую характеристику каждому протоколу, входящему в общее понятие TCP-IP.

. Интернет-протокол (IP) отвечает за непосредственную передачу информации в сети. Информация делится на части (другими словами, пакеты) и передается получателю от отправителя. Для точной адресации нужно задать точный адрес или координаты получателя. Такие адреса состоят из четырех байт, которые отделены друг от друга точками. Адрес каждого компьютера уникален.

Однако использования одного лишь IP-протокола может быть недостаточно для корректной передачи данных, так как объем большей части пересылаемой информации более 1500 символов, что уже не вписывается в один пакет, а некоторые пакеты могут быть потеряны в процессе передачи или присланы не в том порядке, что требуется.

. Протокол управления передачей (TCP) используется на более высоком уровне, чем предыдущий. Основываясь на способности IP-протокола переносить информацию от одного узла другому, TCP-протокол позволяет пересылать большие объемы информации. TCP отвечает также за разделение передаваемой информации на отдельные части - пакеты - и правильное восстановление данных из пакетов, полученных после передачи. При этом данный протокол автоматически повторяет передачу пакетов, которые содержат ошибки.

Управление организацией передачи данных в больших объемах может осуществляться с помощью ряда протоколов, имеющих специальное функциональное назначение. В частности, существуют следующие виды TCP-протоколов.

1. FTP (File Transfer Protocol) организует перенос файлов и используется для передачи информации между двумя узлами Internet с использованием TCP-соединений в виде бинарного или же простого текстового файла, как поименованной области в памяти компьютера. При этом не имеет никакого значения, где данные узлы расположены и как соединяются между собой.

2. Протокол пользовательских дейтаграмм , или User Datagram Protocol, не зависит от подключений, он передает данные пакетами, которые называют UDP-дейтаграммами. Однако этот протокол не так надежен, как TCP, потому что отравитель не получает данных о том, был ли принят пакет в действительности.

3. ICMP (Internet Control Message Protocol) существует для того, чтобы передавать сообщения об ошибках, возникающих в процессе обмена данными в сети Internet. Однако при этом ICMP-протокол только лишь сообщает об ошибках, но не устраняет причины, которые привели к возникновению этих ошибок.

4. Telnet - который используется для реализации текстового интерфейса в сети с помощью транспорта TCP.

5. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - это специальный электронными сообщениями, определяющий формат сообщений, которые пересылаются с одного компьютера, называемого SMTP-клиентом, на другой компьютер, на котором запущен SMTP-сервер. При этом данная пересылка может быть отложена на некоторое время до тех пор, пока не активируется работа как клиента, так и сервера.

Схема передачи данных по протоколу TCP-IP

1. Протокол TCP разбивает весь объем данных на пакеты и нумерует их, упаковывая в TCP-конверты, что позволяет восстановить порядок получения частей информации. При помещении данных в такой конверт происходит вычисление контрольной суммы, которая записывается потом в TCP-заголовок.

3. Затем с помощью протокола TCP происходит проверка того, все ли пакеты получены. Если во время приема вычисленная заново не совпадает с указанной на конверте, это свидетельствует о том, что часть информации была утеряна или искажена при передаче, протокол TCP-IP заново запрашивает пересылку этого пакета. Также требуется подтверждение прихода данных от получателя.

4. После подтверждения получения всех пакетов протокол TCP упорядочивает их соответствующим образом и собирает заново в единое целое.

Протоколом TCP используются повторные передачи данных, периоды ожидания (или таймауты), что обеспечивает надежность доставки информации. Пакеты могут передаваться в двух направлениях одновременно.

Тем самым протокол TCP-IP снимает необходимость использования повторных передач и ожиданий для прикладных процессов (таких, как Telnet и FTP).

Когда статья начинала формироваться, планировалось уложиться в одну, но к завершению, размеры статьи стали неподъемные, было решено разделить статью на две: теория сетей и работа сетевой подсистемы в линукс. Ну что ж, начнем с теории...

Стек протоколов TCP/IP

Собственно, что есть сеть ? Сеть - это более 2х компьютеров, объединенных между собой какими-то проводами каналами связи, в более сложном примере - каким-то сетевым оборудованием и обменивающиеся между собой информацией по определенным правилам. Эти правила "диктуются" стеком протоколов TCP/IP.

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (Стек протоколов TCP/IP) - если сказать простым языком, это набор взаимодействующих протоколов разных уровней (можно дополнить, что каждый уровень взаимодействует с соседним, то есть состыковывается, поэтому и стек , имхо, так проще понять), согласно которым происходит обмен данными в сети. Каждый протокол - это набор правил, согласно которым происходит обмен данными. Итого, стек протоколов TCP/IP - это набор наборов правил Тут может возникнуть резонный вопрос: а зачем же иметь много протоколов? Неужели нельзя обмениваться всем по одному протоколу?

Все дело в том, что каждый протокол описывает строго отведенные ему правила. Кроме того, протоколы разделены по уровням функциональности, что позволяет работе сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще, прозрачнее и выполнять "свой" круг задач. Для разделения данного набора протоколов по уровням была разработана модель сетевого взаимодействия OSI (англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 г., она же - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем). Модель OSI состоит из семи различных уровней. Уровень отвечает за отдельный участок в работе коммуникационных систем, не зависит от рядом стоящих уровней – он только предоставляет определённые услуги. Каждый уровень выполняет свою задачу в соответствии с набором правил, называемым протоколом. Проиллюстрировать работу модели OSI можно следующим рисунком: Как передаются данные?

Из рисунка видно, что существует 7 уровней сетевого взаимодействия , которые делятся на: прикладной, представлений, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический . Каждый из уровней содержит свой набор протоколов. Список протоколов по уровням взаимодействия хорошо представлен в Википедии:

Сам стек протоколов TCP/IP развивался параллельно с принятием модели OSI и "не пересекался" с ней, в результате получилось небольшое разногласие в несоответствии стека протоколов и уровней модели OSI. Обычно, в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представления и сеансовый ) модели OSI объединяют в один - прикладной . Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению. Упрощенно интерпретацию стека TCP/IP относительно модели OSI можно представить так:

Данную модель сетевого взаимодействия еще называют модель DOD (от бурж. Department of Defense - Министерство обороны США). Итак, общее представление о сетевом взаимодействии рассмотрели. Для более глубокого понимания сути вопроса, могу посоветовать скачать и почитать книгу (Вито Амато "Основы организации сетей Cisco Т1 и Т2" ), ниже.

Адресация

В сети, построенной на стеке протоколов TCP/IP каждому хосту (компьютеру или устройству подключенному к сети) присвоен представляет собой 32-битовое двоичное число. Удобной формой записи IP-адреса (IPv4) является запись в виде четырёх десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками, например, 192.168.0.1. В общем случае, IP-адрес делиться на две части : адрес сети (подсети) и адрес хоста :

Как видно из иллюстрации, есть такое понятие как сеть и подсеть . Думаю, что из значений слов понятно, что IP адреса делятся на сети, а сети в свою очередь делятся на подсЕти с помощью маски подсетИ (корректнее будет сказать: адрес хоста может быть разбит на подсЕти ). Изначально, все IP адреса были поделены на определенные группы (классы адресов/сети). И существовала классовая адресация, согласно которой сети делились на строго определенные изолированные сети:

Нетрудно посчитать, что всего в пространстве адресов IP - 128 сетей по 16 777 216 адресов класса A, 16384 сети по 65536 адресов класса B и 2 097 152 сети по 256 адресов класса C, а также 268 435 456 адресов многоадресной рассылки и 134 317 728 зарезервированных адресов. С ростом сети Интернет эта система оказалась неэффективной и была вытеснена CIDR (бесклассовой адресацией), при которой количество адресов в сети определяется маской подсети.

Существует так же классификация IP адресов, как "частные" и "публичные". Под частные (они же локальные сети) сети зарезервированы следующие диапазоны адресов:

• 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10.0.0.0/8 или 10/8),
• 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16.0.0/12 или 172.16/12),
• 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168.0.0/16 или 192.168/16).
• 127.0.0.0 - 127.255.255.255 зарезервировано для петлевых интерфейсов (не используется для обмена между узлами сети), т.н. localhost

Кроме адреса хоста в сети TCP/IP есть такое понятие как порт. Порт является числовой характеристикой какого-то системного ресурса. Порт выделяется приложению, выполняемому на некотором сетевом хосте, для связи с приложениями, выполняемыми на других сетевых хостах (в том числе c другими приложениями на этом же хосте). С программной точки зрения, порт есть область памяти, которая контролируется каким-либо сервисом.

Для каждого из протоколов TCP и UDP стандарт определяет возможность одновременного выделения на хосте до 65536 уникальных портов, идентифицирующихся номерами от 0 до 65535. Соответствие номера порта и службы, использующей этот номер можно посмотреть в файле /etc/services или на сайте http://www.iana.org/assignments/port-numbers. Весь диапазон портов делиться на 3 группы:

• 0 до 1023, называемые привилегированными или зарезервированными (используются для системных и некоторых популярных программ)
• 1024 - 49151 называются зарегистрированными портами.
• 49151 - 65535 называются динамическими портами.

IP протокол , как видно из иллюстраций находится ниже TCP и UDP в иерархии протоколов и отвечает за передачу и маршрутизацию информации в сети. Для этого, протокол IP заключает каждый блок информации (пакет TCP или UDP) в другой пакет - IP пакет или дейтаграмма IP, который хранит заголовок о источнике, получателе и маршруте.

Если провести аналогию с реальным миром, сеть TCP/IP - это город. Названия улиц и проулков - это сети и подсети. Номера строений - это адреса хостов. В строениях, номера кабинетов/квартир - это порты. Точнее, порты - это почтовые ящики, в которые ожидают прихода корреспонденции получатели (службы). Соответственно, номера портов кабинетов 1,2 и т.п. обычно отдаются директорам и руководителям, как привилегированным, а рядовым сотрудникам достаются номера кабинетов с большими цифрами. При отправке и доставке корреспонденции, информация упаковывается в конверты (ip-пакеты ), на которых указывается адрес отправителя (ip и порт ) и адрес получателя (ip и порт ). Простым языком как-то так...

Следует отметить, что протокол IP не имеет представления о портах, за интерпретацию портов отвечает TCP и UDP, по аналогии TCP и UDP не обрабатывают IP-адреса.

Для того чтобы не запоминать нечитаемые наборы цифр в виде IP-адресов, а указывать имя машины в виде человекопонятного имени "придумана" такая служба как DNS (Domain Name Service) , которая заботится о преобразовании имен хостов в IP адрес и представляет собой огромную распределенную базу данных. Об этой службе я обязательно напишу в будущих постах, а пока нам достаточно знать, что для корректного преобразования имен в адреса на машине должен быть запущен демон named или система должна быть настроена на использование службы DNS провайдера.

Маршрутизация

Давайте рассмотрим (на иллюстрации) пример инфраструктуры с несколькими подсетями. Может возникнуть вопрос, а как же один компьютер соединиться с другим? Откуда он знает, куда посылать пакеты?

Для разрешения этого вопроса, сети между собой соединены шлюзами (маршрутизаторами ). Шлюз - это тот же хост, но имеющий соединение с двумя и более сетями, который может передавать информацию между сетями и направлять пакеты в другую сеть. На рисунке роль шлюза выполняет pineapple и papaya , имеющих по 2 интерфейса, подключенные к разным сетям.

Чтобы определить маршрут передачи пакетов , IP использует сетевую часть адреса (маску подсети ). Для определения маршрута, на каждой машине в сети имеется таблица маршрутизации (routing table), которая хранит список сетей и шлюзов для этих сетей. IP "просматривает" сетевую часть адреса назначения в проходящем пакете и если для этой сети есть запись в таблице маршрутизации, то пакет отправляется на соответствующий шлюз.

В Linux ядро операционной системы хранит таблицу маршрутизации в файле /proc/net/route . Просмотреть текущую таблицу маршрутизации можно командой netstat -rn (r - routing table, n - не преобразовывать IP в имена) или route . Первая колонка вывода команды netstat -rn (Destination - назначение) содержит адреса сетей (хостов) назначения . При этом, при указании сети, адрес обычно заканчивается на ноль. Вторая колонка (Gateway) - адрес шлюза для указанного в первой колонке хоста/сети. Третья колонка (Genmask) - маска подсети, для которой работает данный маршрут. Колонка Flags дает информацию об адресе назначения (U - маршрут работает (Up), N - маршрут для сети (network), H - маршрут для хоста и т.п.). Колонка MSS показывает число байтов, которое может быть отправлено за 1 раз, Window - количество фреймов, которое может быть отправлено до получения подтверждения, irtt - статистика использования маршрута, Iface - указывает сетевой интерфейс, используемый для маршрута (eth0, eth1 и т.п.)

Как видно в примере ниже, первая запись (строка) указана для сети 128.17.75, все пакеты для данной сети будут отправлены на шлюз 128.17.75.20, который является IP адресом самого хоста. Вторая запись - это маршрут по умолчанию , который применяется ко всем пакетам, посылаемым в сети, не указанные в данной таблице маршрутизации. Здесь маршрут лежит через хост papaya (IP 128.17.75.98), который можно считать дверью во внешний мир. Данный маршрут должен быть прописан на всех машинах сети 128.17.75, которые должны иметь доступ к другим сетям. Третья запись создана для петлевого интерфейса . Данный адрес используется, если машине необходимо подключиться к самой себе по протоколу TCP/IP. Последняя запись в таблице маршрутизации сделана для IP 128.17.75.20 и направляется на интерфейс lo, т.о. при подключении машины к самой себе на адрес 128.17.75.20, все пакеты будут посылаться на интерфейс 127.0.0.1.

Если хост eggplant пожелает послать пакет хосту zucchini , (соответственно, в пакете будет указан отправитель - 128.17.75.20 и получатель - 128.17.75.37), протокол IP определит на основании таблицы маршрутизации, что оба хоста принадлежат одной сети и пошлет пакет прямо в сеть, где zucchini его получит. Если более подробно сказать.. сетевая карта широковещательно кричит ARP-запросом "Кто такой IP 128.17.75.37, это кричит 128.17.75.20?" все машины, получившие данное послание - игнорируют его, а хост с адресом 128.17.75.37 отвечает "Это я и мой MAC - адрес такой-то...", далее происходит соединение и обмен данными на основе arp таблиц , в которых занесено соответствие IP-MAC адресов. "Кричит", то есть этот пакет посылается всем хостам, это происходит потому что, MAC-адрес получателя указан широковещательный адрес (FF:FF:FF:FF:FF:FF). Такие пакеты получают все хосты сети.

Пример таблицы маршрутизации для хоста eggplant :

# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags MSS Window irtt Iface 128.17.75.0 128.17.75.20 255.255.255.0 UN 1500 0 0 eth0 default 128.17.75.98 0.0.0.0 UGN 1500 0 0 eth0 127.0.0.1 127.0.0.1 255.0.0.0 UH 3584 0 0 lo 128.17.75.20 127.0.0.1 255.255.255.0 UH 3584 0 0 lo

Давайте рассмотрим ситуацию, когда хост eggplant хочет послать пакет хосту, например, pear или еще дальше?.. В таком случае, получатель пакета будет - 128.17.112.21, протокол IP попытается найти в таблице маршрутизации маршрут для сети 128.17.112, но данного маршрута в таблице нет, по этому будет выбран маршрут по умолчанию , шлюзом которого является papaya (128.17.75.98). Получив пакет, papaya отыщет адрес назначения в своей таблице маршрутизации:

# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags MSS Window irtt Iface 128.17.75.0 128.17.75.98 255.255.255.0 UN 1500 0 0 eth0 128.17.112.0 128.17.112.3 255.255.255.0 UN 1500 0 0 eth1 default 128.17.112.40 0.0.0.0 UGN 1500 0 0 eth1 127.0.0.1 127.0.0.1 255.0.0.0 UH 3584 0 0 lo 128.17.75.98 127.0.0.1 255.255.255.0 UH 3584 0 0 lo 128.17.112.3 127.0.0.1 255.255.255.0 UH 3584 0 0 lo

Из примера видно, что papaya подключена к двум сетям 128.17.75, через устройство eth0 и 128.17.112 через устройство eth1 . Маршрут по умолчанию , через хост pineapple , который в свою очередь, является шлюзом во внешнюю сеть.

Соответственно, получив пакет для pear , маршрутизатор papaya увидит, что адрес назначения принадлежит сети 128.17.112 и направит пакет в соответствии со второй записью в таблице маршрутизации.

Таким образом, пакеты передаются от маршрутизатора к маршрутизатору, пока не достигнут адреса назначения.

Стоит отметить, что в данных примерах маршруты

128.17.75.98 127.0.0.1 255.255.255.0 UH 3584 0 0 lo 128.17.112.3 127.0.0.1 255.255.255.0 UH 3584 0 0 lo

Не стандартные. И в современном linux вы такого не увидите.

Резюме

В данной статье я постарался как можно коротко и понятно описать основные понятия взаимодействия сетевой инфраструктуры на примере нескольких взаимосвязанных сетей, в следующей части я опишу работу сети в операционной системе Linux. Буду рад Вашим комментариям и дополнениям.

Для упорядочения обмена данными между компьютерами применяются наборы правил, или протоколы . В настоящее время наиболее широко распространен набор протоколов под общим названием TCP/IP . (Следует помнить, что во многих странах Европы применяется протокол X.25 ). Основные функции семейства протоколов TCP/IP : электронная почта, передача файлов между компьютерами и удаленный вход в систему.

Пользовательская команда mail , пользовательские команды обработки сообщений (MH) и команда сервера sendmail могут применять TCP/IP для передачи сообщений между системами, а основные сетевые утилиты (BNU) могут применять TCP/IP для передачи файлов и команд между системами.

TCP/IP - это набор протоколов, который задает стандарты связи между компьютерами и содержит подробные соглашения о маршрутизации и межсетевом взаимодействии. TCP/IP широко применяется в Internet, поэтому с его помощью могут общаться пользователи из исследовательских институтов, школ, университетов, правительственных учреждений и промышленных предприятий.

TCP/IP обеспечивает связь подключенных к сети компьютеров, обычно называемых хостами. Любую сеть можно подключить к другой сети и организовать связь с ее хостами. Несмотря на то, что существуют различные сетевые технологии, многие из которых основаны на коммутации пакетов и потоковом режиме передачи, набор протокол TCP/IP обладает одним важным преимуществом: он обеспечивает аппаратную независимость.

Так как в протоколах Internet определяется только блок передачи и способ его отправки, TCP/IP не зависит от особенностей сетевого аппаратного обеспечения, позволяя организовать обмен информацией между сетями с различной технологией передачи данных. Система IP-адресов позволяет установить соединение между любыми двумя машинами сети. Кроме того, в TCP/IP также определены стандарты для многих служб связи, предназначенных для конечных пользователей.

TCP/IP обеспечивает средства, позволяющие вашему компьютеру выступать в роли хоста Internet, который может подключиться к сети и установить соединение с любым другим хостом Internet. В TCP/IP предусмотрены команды и средства, которые позволяют выполнять следующие действия:

• Передавать файлы в другую систему
• Входить в удаленную систему
• Выполнять команды в удаленной системе
• Печатать файлы в удаленной системе
• Отправлять электронные сообщения удаленным пользователям
• Вести интерактивный диалог с удаленными пользователями
• Управлять сетью

Примечание: TCP/IP предусмотрены только основные функции управления сетью. По сравнению с TCP/IP, Простой протокол управления сетью (SNMP) предоставляет более широкий набор команд и функций управления.

• Терминология TCP/IP
  Ознакомьтесь с основными понятиями Internet, связанными с TCP/IP.
• Планирование сети TCP/IP
  Стек протоколов TCP/IP - это гибкое средство организации сетевого взаимодействия, поэтому каждый пользователь может настроить его с учетом собственных потребностей. При планировании сети обратите внимание не следующие вопросы. Более подробно эти вопросы обсуждаются в других разделах. Данный список следует рассматривать лишь как общий обзор задач.
• Установка TCP/IP
  В этом разделе рассмотрена процедура установки TCP/IP .
• Настройка TCP/IP
  Настройку программного обеспечения TCP/IP можно начинать сразу после его установки в системе.
• Идентификация и защищенные rcmds
  Теперь у этих команд появились дополнительные способы идентификации.
• Настройка TCP/IP
  Для настройки TCP/IP создайте файл .netrc .
• Способы организации взаимодействия с другой системой или пользователем
  Существует несколько способов организации взаимодействия с другой системой или пользователем. В данном разделе описаны два возможных способа. Во-первых, можно установить соединение между локальным и удаленным хостами. Второй способ - это диалог с удаленным пользователем.
• Передача файлов
  Несмотря на то, что сравнительно небольшие файлы можно передавать с помощью электронной почты, для больших файлов существуют более эффективные способы передачи.
• Печать на удаленном принтере
  Если к вашему хосту подключен локальный принтер, то с помощью приведенной в этом разделе информации вы сможете печатать на удаленном принтере. Кроме того, если локального принтера нет, то вы сможете печатать на удаленном принтере, отличном от заданного по умолчанию.
• Печать файлов из удаленной системы
  Вам может понадобиться напечатать файл, который расположен на удаленном хосте. В этом случае расположение напечатанного файла зависит от того, какие удаленные принтеры доступны удаленному хосту.
• Просмотр сведений о состоянии
  С помощью команд TCP/IP вы можете получить информацию о состоянии, пользователях и хостах сети. Эта информация может потребоваться для связи с другим хостом или пользователем.
• Протоколы TCP/IP
  Протоколом называется набор правил, задающих форматы сообщений и процедуры, которые позволяют компьютерам и прикладным программам обмениваться информацией. Эти правила соблюдаются каждым компьютером в сети, в результате чего любой хост-получатель может понять отправленное ему сообщение. Набор протоколов TCP/IP можно рассматривать как многоуровневую структуру.
• Карты сетевых адаптеров локальной сети TCP/IP
  Карта сетевого адаптера - это физическое устройство, которое непосредственно подключается к сетевому кабелю. Она отвечает за прием и передачу данных на физическом уровне.
• Сетевые интерфейсы TCP/IP
  На уровне сетевого интерфейса TCP/IP создает из IP-дейтаграмм пакеты, которые могут интерпретироваться и передаваться с помощью определенных сетевых технологий.
• Адресация TCP/IP
  Схема IP-адресации, применяемая в TCP/IP , позволяет пользователям и приложениям однозначно идентифицировать сети и хосты, с которыми устанавливаются соединения.
• Преобразование имен TCP/IP
  Несмотря на то, что 32-разрядные IP-адреса позволяют однозначно идентифицировать все хосты в сети Internet, пользователям гораздо удобнее работать с осмысленными, легко запоминающимися именами хостов. В Протоколе управления передачей/Протоколе Internet (TCP/IP) предусмотрена система имен, поддерживающая как одноуровневую, так и иерархическую структуру сети.
• Планирование и настройка преобразования имен LDAP (Схема IBM SecureWay Directory)
  Упрощенный протокол доступа к каталогам (LDAP) - это открытый стандартный протокол, регламентирующий способ получения и изменения информации в каталоге.
• Планирование и настройка преобразования имен NIS_LDAP (схема RFC 2307)
  В AIX 5.2 реализован новый механизм преобразования имен NIS_LDAP.
• Присвоение адреса и параметров TCP/IP - протокол динамической настройки хостов
  предназначен для организации связи между компьютерами с определенными адресами. Одной из обязанностей администратора сети является присвоение адресов и задание параметров для всех машин в сети. Обычно администратор информирует пользователей о том, какие адреса выделены их системам, и предоставляет пользователям возможность самим выполнить настройку. Однако ошибки при настройке или неправильное понимание могут вызвать у пользователей вопросы, которые администратор должен будет рассматривать индивидуально. позволяет администратору централизованно настраивать сеть без участия конечных пользователей.
• Протокол динамической настройки хостов версии 6
  Протокол динамической настройки хостов (DHCP) позволяет работать с сетевыми конфигурациями из централизованного расположения. Этот раздел посвящен DHCPv6 ; под IP-адресами понимаются адреса IPv6, а под DHCP - DHCPv6 (если не сказано обратное).
• Демон PXE Proxy DHCP
  Сервер PXE Proxy DHCP работает примерно так же, как и сервер DHCP : он просматривает сообщения клиентов DHCP и отвечает на некоторые запросы. Однако, в отличие от сервера DHCP , сервер PXE Proxy DHCP не управляет сетевыми адресами, а всего лишь отвечает на запросы клиентов PXE.
• Демон согласования загрузочных образов (BINLD)
  Сервер демона согласования загрузочных образов (BINLD) применяется на третьем этапе загрузки клиентов PXE.
• Демоны TCP/IP
  Демоны (или серверы ) - это процессы, которые работают в фоновом режиме и выполняют запросы других процессов. Протокол управления передачей/Протокол Internet применяет программы-демоны для выполнения определенных функций в операционной системе.
• Маршрутизация TCP/IP
  Маршрутом называется путь, по которому пакеты пересылаются от отправителя к получателю.
• Mobile IPv6
  Протокол Mobile IPv6 обеспечивает поддержку переадресации для IPv6 . С его помощью пользователь может применять один и тот же IP-адрес в любой точке земного шара, а приложения, работающие с этим адресом, сохраняют связь и соединения верхнего уровня, независимо от местонахождения пользователя. Поддержка переадресации осуществляется в однородных и разнородных средах.
• Виртуальный IP-адрес
  Виртуальный IP-адрес устраняет зависимость хоста от отдельных сетевых интерфейсов.
• Канал EtherChannel и объединение линий IEEE 802.3ad
  Канал EtherChannel и объединение линий IEEE 802.3ad - это технологии объединения сетевых портов, позволяющие объединить несколько адаптеров Ethernet в одно псевдоустройство Ethernet.
• Протокол IP для InfiniBand (IPoIB)
  Пакеты IP-протокола могут быть отправлены через интерфейс InfiniBand (IB). При этом IP-пакеты заключаются в пакеты IB с помощью сетевого интерфейса.
• Инициатор ПО iSCSI и целевой объект ПО
  Программный инициатор iSCSI позволяет AIX получать доступ к запоминающим устройствам по сети TCP/IP с использованием адаптеров Ethernet. Целевой объект ПО iSCSI обеспечивает AIX доступ других инициаторов iSCSI к экспортированной локальной памяти с использованием протокола iSCSI, определенного в RFC 3720.