Транспортный протокол TCP. Теоретические сведения. IP-адрес. Формат. Составляющие. Маска подсети

Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol - TCP) обеспечивает надежную передачу данных в среде IP. TCP относится к транспортному уровню эталонной модели OSI (4-й уровень). TCP предоставляет такие службы, как потоковая передача данных, надежность, эффективное управление потоком, дуплексный режим и мультиплексирование.

При потоковой передаче данных TCP передает неструктурированный поток байтов, идентифицируемых по порядковым номерам. Эта служба полезна для приложений, поскольку им не приходится разбивать данные на блоки перед их передачей по протоколу TCP. TCP группирует байты в сегменты и передает их на уровень протокола IP для пересылки.

Надежность TCP обеспечивается сквозной, ориентированной на соединение, передачей пакетов по объединенной сети. Она достигается упорядочением байтов при помощи номеров подтверждения передачи, по которым получатель определяет, какой байт должен поступить следующим. Байты, не получившие подтверждения в течение определенного времени, передаются заново. Надежный механизм протокола TCP позволяет устройствам обрабатывать потерянные, задержанные, дублированные и неверно прочитанные пакеты. Механизм лимита времени позволяет устройствам распознавать потерянные пакеты и запрашивать их повторную передачу.

TCP обеспечивает эффективное управление потоком. При отправке подтверждений источнику данных принимающий TCP-процесс указывает наибольший порядковый номер, который он может принять без переполнения внутренних буферов.

В дуплексным режиме TCP-процесс может одновременно пересылать и принимать пакеты.

Наконец, мультиплексирование TCP означает одновременную передачу по одному соединению нескольких диалогов верхнего уровня.

Установка ТСР-соединения

Для использования надежных транспортных служб TCP-узлы должны устанавливать друг с другом сеансы, ориентированные на соединение. Установка соединения выполняется по механизму, называемому трехэтапной синхронизацией (three-way handshake).

Этот механизм синхронизирует обе стороны соединения, позволяя им согласовать начальные порядковые номера. Он также обеспечивает готовность обеих сторон к передаче данных и информированность каждой из сторон о готовности другой. Это необходимо во избежание передачи или повторной передачи пакетов в процессе установки сеанса или после его разрыва.

Каждый узел выбирает случайным образом порядковый номер, чтобы следить за приемом и передачей байтов потока. Затем механизм трехэтапной синхронизации работает следующим образом.

Первый узел (Узел А) инициирует соединение, отправляя пакет с начальным порядковым номером и битом синхронизации SYN для индикации запроса соединения. Второй узел (Узел В) получает SYN, записывает порядковый номер X и отвечает подтверждением SYN (вместе с АСК = X + 1). Узел В указывает собственный порядковый номер (SEQ = Y). Тогда, если АСК равен 20, то это означает, что узел принял байты с 0 по 19 и ожидает следующий байт 20. Эта технология называется подтверждением передачи. Затем Узел А подтверждает прием всех байтов, посланных Узлом В с подтверждением передачи, указывая следующий байт, который Узел А ожидает получить (АСК = Y + 1). После этого может начинаться передача данных.

Подтверждение приема и повторная передача

Простой транспортный протокол может обеспечивать надежность и такую технологию управления потоком, при которой исходный узел посылает пакет, запускает таймер и ждет подтверждения приема перед отправкой нового пакета. Если подтверждение не получено по истечении времени, узел передает пакет еще раз. Эта технология называется подтверждением приема и повторной передачей (Positive Acknowledgment and Retransmission - PAR).

Присваивая каждому пакету порядковый номер, PAR позволяет узлам отслеживать пакеты, потерянные или дублированные вследствие сетевых задержек и преждевременной повторной передачи. Номера последовательностей посылаются обратно как уведомления в возможности отслеживания подтверждений приема.

Однако PAR неэффективно использует пропускную способность, потому что перед отправкой нового пакета узел должен ждать подтверждения и, следовательно, пакет можно передавать только один за другим.

Скользящее окно TCP

Скользящее окно TCP позволяет использовать пропускную способность сети более эффективно, чем PAR, поскольку с его помощью узелы могут отправлять несколько байтов или пакетов, не дожидаясь подтверждения.

В TCP принимающий узел определяет текущий размер окна каждого пакета. Так как по TCP-соединению данные передаются в виде потока байт, размеры окон тоже выражаются в байтах. Таким образом, окнопредставляет собой количество байт данных, которые отправитель может послать до ожидания подтверждения приема. Начальные размеры окон определяются при настройке соединения, но могут изменяться при передаче данных для управления потоком. Например, нулевой размер окна означает запрет на передачу данных.

Предположим, что TCP-отправителю надо послать с помощью скользящего окна последовательность байт (пронумерованных от 1 до 10) получателю с размером окна 5. Отправитель помещает в окно первые 5 байт, передает их все сразу и ждет подтверждения приема.

Получатель отвечает с АСК, равным 6, показывая, что получил байты с 1 по 5 и ждет байта 6. В том же пакете получатель показывает, что размер его окна равен 5. Отправитель сдвигает скользящее окно на 5 байт вправо и передает байты с 6 по 10. Получатель отвечает АСК, равным 11, показывая, что он ожидает байта 11. В этом пакете получатель может указать, что его размер окна равен 0 (поскольку, например, его внутренние буферы заполнены). Тогда отправитель больше не сможет посылать байты, пока получатель не пошлет другой пакет с ненулевым размером окна.

Формат ТСР-пакета

Поля и полный формат TCP-пакета показаны на рис. 35.10.

Рис. 35.10. Формат ТСР-пакета

Описание полей ТСР-пакета

Ниже описаны поля TCP-пакета, показанные на рис. 35.10.

Порт источника и порт получателя. Точки, в которых процессы верхнего уровня источника и получателя принимают услуги TCP.

Порядковый номер. Обычно это номер, присвоенный первому байту данных в текущем сообщении. При установке соединения может также использоваться для обозначения исходного порядкового номера в предстоящей передаче.

Номер подтверждения. Порядковый номер следующего байта данных, который ожидает получить получатель.

Сдвиг данных. Число 32-разрядных слов в заголовке TCP.

Резервные. Область, зарезервированная для использования в будущем.

Флаги. Различная управляющая информация, в том числе биты SYN и АСК, используемые для установки соединения, и бит FIN для разрыва соединения.

Окно. Размер приемного окна получателя (объем буфера для входящих данных).

Контрольная сумма. Показывает, не был ли заголовок поврежден при передаче.

Указатель срочности. Указывает на первый байт срочных данных в пакете.

Параметры. Различные дополнительные параметры TCP.

Данные. Информация верхнего уровня.

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. - 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

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.

Название данного протокола - Internet Protocol - отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями. В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надёжной доставки сообщений от отправителя к получателю, он обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для её исправления. Все вопросы обеспечения надёжности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол ТСР, работающий непосредственно над протоколом IP.

Важной особенностью протокола IР, отличающей его от других сетевых протоколов, является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными значениями полей данных.

Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и сложностью заголовка пакетов, которые этот пакет используют. Это объясняется тем, что основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов.

Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру рис.

Рис. 1. Структура заголовка IP-пакета.

Поле Номер версии (Version)указывает версию протокола IP, сейчас используется версия IPv4 и готовится переход на версию IРv6.

Поле Длина заголовка (IHL) указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объёма служебной информации эта длина может быть увеличена за счёт использования дополнительных байт в поле Опции. Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence). Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры принимают во внимание приоритет пакета и обрабатывают более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надёжности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трёх критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Lenth) означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслужить пакет такой длины.

Поле Идентификатор пакета (Identification) используется для распознавания пакетов, образовавшихся путём фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит D (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит М (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не конечным) фрагментом. Оставший ся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) задаёт смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке и разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными свойствами. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни каждого пакета задаётся источником передачи и измеряется в секундах. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего принадлежит информация, размещения в поле данных пакета, например, это могут быть сегменты протокола ТСР, дейтаграммы или иные пакеты.

Контрольная сумма (Header Checksum) рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка изменяют своё значение в процессе передачи пакета по сети, контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма - 16 бит - подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При её вычислении значение самого поля устанавливается в ноль. Если контрольная сумма не верна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определённых ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми типов. В этих подполях можно учитывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) в Windows NT 4.0 обеспечивает сетевое взаимодействие компьютеров под управлением Windows NT, и возможность подключения к ним сетевых устройств под управлением других ОС.

Протокол TCP/IP считается наиболее совершенным и распространенным протоколом из всех доступных на сегодняшний день. Все современные ОС поддерживают протокол TCP/IP и все сети используют его для обеспечения передачи большей части своих данных. Этот протокол представляет надежную, ориентированную на соединение службу доставки.

Протокол TCP

Данные протокола TCP передаются сегментами, и соединение должно быть установлено до того, как узлы начнут обмениваться данными. TCP обеспечивает надежность, присваивая номер последовательности каждому передаваемому сегменту. Если сегмент разбивается на мелкие пакеты, то узел-получатель сможет узнать, все ли части получены. Для этого используются подтверждения. Для каждого отправленного сегмента узел-получатель должен вернуть отправителю подтверждение в течение определенного времени.

Если отправитель не получил подтверждения, то данные передаются повторно. Если сегмент поврежден, то узел-получатель отвергает его. Поскольку подтверждение в этом случае не посылается, отправитель передает сегмент еще раз.

Приложения идентифицируют себя на компьютере посредством номера порта протокола. Например, FTP-сервер использует определенный TCP-порт, поэтому другие приложения могут связаться с ним.

Порты могут иметь любой номер от 0 до 65536. Номера портов для приложений клиентов динамически назначаются операционной системой при обработке запроса на обслуживание.

Порты протокола TCP

Порт протокола TCP указывает место доставки сообщения. Номера портов, меньшие 256, определены как широко используемые. В таблице перечислены некоторые из таких портов.

Номер порта	Описание


	Доменная система имен (DNS)
	Сервис NetBIOS

Установка связи по протоколу TCP.

Инициализация TCP-соединения происходит в три этапа. Ниже перечислены операции, из которых состоит этот процесс.

Узел-отправитель запрашивает соединение, посылая с установленным флагом синхронизации.

Узел-адресат подтверждает получение запроса, отправляя обратно сегмент с:

установленным флагом синхронизации;

порядковым номером начального байта сегмента, который он может послать, или номером последовательности;

подтверждением, включающий порядковый номер следующего сегмента, который он ожидает получить.

3. Запрашивающий узел посылает обратно сегмент с подтверждением номера последовательности и номером своего подтверждения (рис.2).

Для завершения соединения TCP действует аналогично. Это гарантирует, что оба узла закончат передачу и примут все данные.

Структура TCP-пакета

Все пакеты протокола TCP имеют две части - заголовок и данные. В таблице представлены поля заголовка TCP-пакета.

Протокол IP

Протокол IP не ориентирован на соединение, поскольку он не устанавливает сеанс связи, перед тем как начать обмен данными. Протокол ненадежный - он не гарантирует доставку, хотя делает все возможное для доставки пакета. По пути пакет может быть потерян, доставлен в неправильной последовательности, продублирован или задержан.

Протокол IP не требует подтверждения при приеме данных. Отправитель или получатель не информируется при потере пакета или доставке его в неправильной последовательности. Ответственность за подтверждение получения пакетов несут высокоуровневые транспортные протоколы, например TCP.

Маршрутизация (routing) - процесс выбора пути для передачи пакетов. Маршрутизация осуществляется на узле TCP/IP в момент отправки IP-пакетов, а затем - на IP-маршрутизаторе.

Маршрутизатор (router) - это устройство, которое перенаправляет пакеты из одной физической сети в другую. Маршрутизаторы также называют шлюзами (gateways).

Поля IP-пакета приведены в таблице.

	Описание
Source IP-address (IP-адрес отправителя)	Идентифицирует отправителя пакета при помощи IP-адреса
Destination IP-address (IP-адрес получателя)	Идентифицирует получателя пакета при помощи IP-адреса
Protocol (Протокол)	Информирует протокол IP узла-получателя о том, какому протоколу - TCP или UDP его передать.
Checksum (Контрольная сумма)	Используется для проверки целостности пришедшего пакета.
Time to live, или TTL (Время существования)	Определяет, сколько времени пакет находится в сети, перед тем как он будет отвергнут. Предотвращает бесконечное блуждание пакетов по сети. Маршрутизаторы должны уменьшать TTL на количество секунд, проведенных пакетом в маршрутизаторе. TTL уменьшается по меньшей мере на одну секунду каждый раз, когда пакет проходит через маршрутизаторе. По умолчанию в Windows NT 4.0 TTL равно 128 секундам.

Реализация IP на маршрутизаторе.

Маршрутизатор обрабатывает полученные им IP-пакеты следующим образом:

Уменьшает значение TTL на 1 секунду или больше, если пакет надолго задерживается на маршрутизаторе.

Если значение TTL достигает нуля, пакет отвергается.

2. Пакет может быть фрагментирован, если его размер слишком велик для сети дальнейшего следования

Если может быть фрагментирован, то IP создает для каждого нового пакета (фрагмента) отдельный заголовок, устанавливая:

Flag(флаг), указывающий, что существуют и другие фрагменты, которые будут отправлены в след;

Fragment ID(Идентификатор фрагмента), идентифицирующий все фрагменты, составляющие один пакет;

Fragment Offset(Смещение фрагмента), обеспечивающий правильную сборку пакета на узле-получателе.

Вычисляет новую контрольную сумму.

Определяет адрес сетевого адаптера следующего маршрутизатора.

Этот процесс повторяется на каждом маршрутизаторе до тех пор, пока пакет не дойдет до адресата; там протокол IP собирает из фрагментов пакет в первоначальном виде.

В процессе передачи размер окна варьируется. По значению W можно определить готовность принятия данных. Если W=0, то окно не принимает. Через определенный период t таймер повторения запросов посылает полноценный сегмент с размером 1 байт и ждем подтверждения. Если принимающая сторона готова к приему, то она отправляет на этот байт положительную квитанцию с размером окна > 0.

Используется механизм таймаута. Размер ожидания положительной квитанции фиксируется значением времени двойного оборота. Timeout=2 ср.зн.t двойного оборота = 2τ.

Структура заголовка сегмента протокола tcp

Порт отправитель 16		Порт приемник 16
Позиция сегмента 32			Псевдо-заголовок (96)
Первый ожидаемый байт 32
Смещение 4	Размер окна 16
Контрольная сумма 16		Указатель важности данных 16
Опции и заполнитель

Позиция сегмента – порядковый номер первого байта данных в исходном сообщении.

Первый ожидаемый байт – поле задает порядковый номер того байта, который ожидает принимающая сторона, одновременно подтверждая правильность приема байтов с меньшими номерами. Данное поле заполняется только тогда, когда сегмент положительной квитанцией. Флаг ASK будет при этом равен единице.

Смещение данных – задает длину заголовка в 32-х разрядных словах.

Резервное поле – не используется. Содержимое – нули.

Флаги – эти поля активны, когда в них единица

URG=1 – указатель важности данных. Если в полученном сегменте URG=1, то принимающая сторона должна принять «важные» данные, независимо от того, что буфер может быть заполнен.
ASK=1 – данный сегмент является положительной квитанцией
PCH=1 – указатель срочности данных. Данные сегмента должны быть переданы а первую очередь.
RST=1 – сегмент служит запросом для установление соединения и его первоначальных параметров.
SYN=1 – сегмент служит для синхронизации счетчиков передаваемых данных.
FIN=1 – сегмент является последним в передаваемом сообщении.

Размер окна – указатель количества байтов, которые готова принять принимающая сторона.

Контрольная сумма – определяется для всего сегмента (включая данные, псевдозаголовок и IP адреса отправителя и получателя). Разрядность псевдозаголовка = 96.

Указатель важности данных – заполняется только тогда, когда флаг URG=1. Данные будут обрабатываться только на прикладном уровне.

Опции и заполнитель (дополнитель) – опции используются для согласования параметров устанавливаемого соединения (размер сегмента, размер окна итд). Опции не ограничены в размерах, поле дополнитель дополняет опции до 32-х разрядного слова.

Сети х.25

Сети х.25 – это самые распространенные сети с коммутацией пакетов. Изначально был разработан стек протоколов Х.25, от которого и появилось название сетей. Протокол был разработан в 1974 году международным консультативным комитетом по телефоии и телеграфии (МККТТ).

В 1984 этот протокол был занесен в «Красную книгу», то есть принят как ISO – стандарт

С тех пор каждые 4 года данный стандарт рассматривался без значительных изменений.

Данная технология получила распространение по двум причинам:

Долгое время Х.25 были единственные доступные сети с коммутацией пакетов коммерческого типа.

Такие сети очень хорошо работают на низкоскоростных и ненадежных линиях связи, которые остаются основными линиями передачи данных.

ЦКП – центр коммутации пакетов

PAD – сборщик-разборщик пакетов. Является удаленным.

М-М – модем

М (который отдельно) - маршрутизатор

К – компьютер

* - встроенные сборщик-разборщик пакетов

** - телефонная сеть