Стек TCP / IP .

Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.

В операционной системе Microsoft Windows Server 2003 стек TCP/IP выбран в качестве основного, хотя поддерживаются и другие протоколы (например, стек IPX/SPX, протокол NetBIOS).

Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:

платформонезависимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных системах и процессорах;

открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.

История создания TCP / IP .

В 1967 году Агентство по перспективным исследовательским проектам министерства обороны США (ARPA – Advanced Research Projects Agency) инициировало разработку компьютерной сети, которая должна была связать ряд университетов и научно-исследовательских центров, выполнявших заказы Агентства. Проект получил название ARPANET. К 1972 году сеть соединяла 30 узлов.

В рамках проекта ARPANET были разработаны и в 1980–1981 годах опубликованы основные протоколы стека TCP/IP – IP, TCP и UDP. Важным фактором распространения TCP/IP стала реализация этого стека в операционной системе UNIX 4.2 BSD (1983).

К концу 80-х годов значительно расширившаяся сеть ARPANET стала называться Интернет (Interconnected networks – связанные сети) и объединяла университеты и научные центры США, Канады и Европы.

В 1992 году появился новый сервис Интернет – WWW (World Wide Web – всемирная паутина), основанный на протоколе HTTP. Во многом благодаря WWW Интернет, а с ним и протоколы TCP/IP, получил в 90-е годы бурное развитие.

В начале XXI века стек TCP/IP приобретает ведущую роль в средствах коммуникации не только глобальных, но и локальных сетей.

Модель OSI .

Модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open Systems Interconnection) была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) для единообразного подхода к построению и объединению сетей. Разработка модели OSI началась в 1977 году и закончилась в 1984 году утверждением стандарта. С тех пор модель является эталонной для разработки, описания и сравнения различных стеков протоколов.

Рассмотрим кратко функции каждого уровня.

Модель OSI включает семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления и прикладной.

Физический уровень (physical layer) описывает принципы передачи сигналов, скорость передачи, спецификации каналов связи. Уровень реализуется аппаратными средствами (сетевой адаптер, порт концентратора, сетевой кабель).

Канальный уровень (data link layer) решает две основные задачи – проверяет доступность среды передачи (среда передачи чаще всего оказывается разделена между несколькими сетевыми узлами), а также обнаруживает и исправляет ошибки, возникающие в процессе передачи. Реализация уровня является программно-аппаратной (например, сетевой адаптер и его драйвер).

Сетевой уровень (network layer) обеспечивает объединение сетей, работающих по разным протоколам канального и физического уровней, в составную сеть. При этом каждая из сетей, входящих в единую сеть, называется подсетью (subnet). На сетевом уровне приходится решать две основные задачи – маршрутизации (routing, выбор оптимального пути передачи сообщения) и адресации (addressing, каждый узел в составной сети должен иметь уникальное имя). Обычно функции сетевого уровня реализует специальное устройство – маршрутизатор (router) и его программное обеспечение.

Транспортный уровень (transport layer) решает задачу надежной передачи сообщений в составной сети с помощью подтверждения доставки и повторной отправки пакетов. Этот уровень и все следующие реализуются программно.

Сеансовый уровень (session layer) позволяет запоминать информацию о текущем состоянии сеанса связи и в случае разрыва соединения возобновлять сеанс с этого состояния.

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование передаваемой информации из одной кодировки в другую (например, из ASCII в EBCDIC).

Прикладной уровень (application layer) реализует интерфейс между остальными уровнями модели и пользовательскими приложениями.

Структура TCP / IP . В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD (Department of Defense – Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2.2.

Следует заметить, что нижний уровень модели DARPA – уровень сетевых интерфейсов – строго говоря, не выполняет функции канального и физического уровней, а лишь обеспечивает связь (интерфейс) верхних уровней DARPA с технологиями сетей, входящих в составную сеть (например, Ethernet, FDDI, ATM).

Все протоколы, входящие в стек TCP/IP, стандартизованы в документах RFC.

Документы RFC .

Утвержденные официальные стандарты Интернета и TCP/IP публикуются в виде документов RFC (Request for Comments – рабочее предложение). Стандарты разрабатываются всем сообществом ISOC (Internet Society – Сообщество Интернет, международная общественная организация). Любой член ISOC может представить на рассмотрение документ для его публикации в RFC. Далее документ рассматривается техническими экспертами, группами разработчиков и редактором RFC и проходит в соответствии с RFC 2026 следующие этапы, называемые уровнями готовности (maturity levels):

черновик (Internet Draft) – на этом этапе с документом знакомятся эксперты, вносятся дополнения и изменения;

предложенный стандарт (Proposed Standard) – документу присваивается номер RFC, эксперты подтвердили жизнеспособность предлагаемых решений, документ считается перспективным, желательно, чтобы он был опробован на практике;

черновой стандарт (Draft Standard) – документ становится черновым стандартом, если не менее двух независимых разработчиков реализовали и успешно применили предлагаемые спецификации. На этом этапе ещё допускаются незначительные исправления и усовершенствования;

стандарт Интернета (Internet Standard) – наивысший этап утверждения стандарта, спецификации документа получили широкое распространение и хорошо зарекомендовали себя на практике. Список стандартов Интернета приведен в RFC 3700. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета».

Кроме стандартов документами RFC могут быть также описания новых сетевых концепций и идей, руководства, результаты экспериментальных исследований, представленных для информации и т. д. Таким документам RFC может быть присвоен один из следующих статусов:

экспериментальный (Experimental) – документ, содержащий сведения о научных исследованиях и разработках, которые могут заинтересовать членов ISOC;

информационный (Informational) – документ, опубликованный для предоставления информации и не требующий одобрения сообщества ISOC;

лучший современный опыт (Best Current Practice) – документ, предназначенный для передачи опыта конкретных разработок, например реализаций протоколов.

Статус указывается в заголовке документа RFC после слова Category (Категория). Для документов в статусе стандартов (Proposed Standard, Draft Standard, Internet Standard) указывается название Standards Track , так как уровень готовности может меняться.

Номера RFC присваиваются последовательно и никогда не выдаются повторно. Первоначальный вариант RFC никогда не обновляется. Обновленная версия публикуется под новым номером. Устаревший и замененный документ RFC получает статус исторический (Historic).

Все существующие на сегодня документы RFC можно посмотреть, например, на сайте www.rfc-editor.org . В августе 2007 года их насчитывалось более 5000. Документы RFC, упоминаемые в этом курсе, приведены в Приложении I.

Обзор основных протоколов.

Протокол IP (Internet Protocol ) – это основной протокол сетевого уровня, отвечающий за адресацию в составных сетях и передачу пакета между сетями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т. е. не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Обеспечением гарантий занимается протокол транспортного уровня TCP.

Протоколы RIP (Routing Information Protocol – протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First – « первыми открываются кратчайшие маршруты») – протоколы маршрутизации в IP-сетях.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol – протокол управляющих сообщений в составных сетях) предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов сообщает о невозможности доставки пакета, о продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol – протокол преобразования адресов) преобразует IP-адреса в аппаратные адреса локальных сетей. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RAPR (Reverse ARP).

TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными узлами сети за счет образования логических соединений. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт на любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части – сегменты и передает их сетевому уровню. После того как эти сегменты будут доставлены в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя) обеспечивает передачу данных дейтаграммным способом.

HTTP (HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) – протокол доставки web-документов, основной протокол службы WWW.

FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) – протокол для пересылки информации, хранящейся в файлах.

POP 3 (Post Office Protocol version 3 – протокол почтового офиса) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) – протоколы для доставки входящей электронной почты (POP3) и отправки исходящей (SMTP).

Telnet – протокол эмуляции терминала 1 , позволяющий пользователю подключаться к другим удалённым станциям и работать с ними со своей машины, как если бы она была их удалённым терминалом.

SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью) предназначен для диагностики работоспособности различных устройств сети.

Набор интернет-протоколов обеспечивает сквозную передачу данных, определяющую, как данные должны пакетироваться, обрабатываться, передаваться, маршрутизироваться и приниматься. Эта функциональность организована в четыре слоя абстракции, которые классифицируют все связанные протоколы в соответствии с объемом задействованных сетей. От самого низкого до самого высокого уровня - это уровень связи, содержащий методы связи для данных, которые остаются в пределах одного сегмента сети (ссылка); интернет-уровень, обеспечивающий межсетевое взаимодействие между независимыми сетями; транспортный уровень, обрабатывающий связь между хостами; и прикладной уровень, который обеспечивает обмен данными между процессами для приложений.

Развитием архитектуры Интернета и протоколов в модели TCP/IP занимается открытое международное сообщество проектировщиков IETF .

История

Стек протоколов TCP/IP был создан на основе NCP (Network Control Protocol) группой разработчиков под руководством Винтона Серфа в 1972 году. В июле 1976 года Винт Серф и Боб Кан впервые продемонстрировали передачу данных с использованием TCP по трём различным сетям. Пакет прошел по следующему маршруту: Сан-Франциско - Лондон - Университет Южной Калифорнии. К концу своего путешествия пакет проделал 150 тысяч км, не потеряв ни одного бита. В 1978 году Серф, Джон Постел и Дэнни Кохэн решили выделить в TCP две отдельные функции: TCP и IP (англ. Internet Protocol , межсетевой протокол). TCP был ответственен за разбивку сообщения на датаграммы (англ. datagram ) и соединение их в конечном пункте отправки. IP отвечал за передачу (с контролем получения) отдельных датаграмм. Вот так родился современный протокол Интернета. А 1 января 1983 года ARPANET перешла на новый протокол. Этот день принято считать официальной датой рождения Интернета.

Уровни стека TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня :

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI . На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.

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

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

Модель TCP/IP

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

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

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

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

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

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

Не путайте их:

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

Стек протоколов TCP/IP

Рассмотрим каждый уровень более подробно.

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

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

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

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

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

TCP/IP представлено целым семейством протоколов, среди которых находятся протоколы UDP и TCP. В этом разделе описывается стек протоколов TCP/IP, а также протоколы UDP и TCP.

Протокол TCP обеспечивает прозрачный обмен данными между конечными системами, используя нижележащие службы сетевого уровня (Network layer) для перемещения пакетов между двумя системами, между которыми установлена связь. TCP является примером протокола транспортного уровня (Transport layer). IP — протоколом сетевого уровня.

Так же как и в эталонной модели OSI (см. рисунок), TCP/IP разбивает по группам все протоколы, работающие в сети, в соответствии с теми задачами, что они выполняют, и относит их к соответствующему уровню. Каждый уровень относится к различным аспектам передачи данных. Идеологически удобно представить TCP/IP как стек протоколов.

Стек протоколов организован таким образом, что верхние коммуникационные уровни располагаются на вершине модели. Например, верхний уровень может работать с приложениями для потокового аудио или видео, в то время как нижний уровень имеет дело с напряжениями или радиосигналами. Каждый уровень в стеке опирается на службы, которые обеспечиваются уровнем лежащим ниже рассматриваемого.

Функции UDP

Протокол UDP является расширением раннего набора IP протоколов.

Первоначальный набор IP протоколов состоял только из TCP и IP, хотя протокол IP в то время не выделялся в качестве отдельной службы. В тоже время некоторые приложения конечных пользователей нуждались больше в своевременности выполнения, чем в точности. Иначе говоря, скорость была более важна, чем восстановление потерянных пакетов. При передаче голоса или видео в реальном масштабе времени небольшая потеря пакетов вполне терпима. Восстановление же пакетов создаёт избыточный трафик, который снижает производительность.

Для соответствия нуждам трафика такого типа, создатели TCP/IP добавили протокол UDP к стеку протоколов. В качестве основной службы адресации и пересылки пакетов на сетевом уровне выступал протокол IP. Протоколы TCP и UDP располагаются над IP и оба используют сервисы протокола IP.

UDP предлагает только минимальные, негарантированные транспортные сервисы и предоставляет приложениям прямой доступ к уровню IP. UDP используется приложениями, которые не требуют уровня обслуживания TCP или используют такие коммуникационные сервисы, как многоадресная или широковещательная рассылка, недоступные для протокола TCP.

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) представляет собой стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и других подобных сетей (например, данный протокол используется и в ЛВС). Название TCP/IP произошло от двух наиболее важных протоколов:

• IP (интернет протокол) - отвечает за передачу пакета данных от узла к узлу. IP пересылает каждый пакет на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-адрес).
• TCP (протокол управления передачей) - отвечает за проверку корректной доставки данных от клиента к серверу. Данные могут быть потеряны в промежуточной сети. TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных данных и, как следствие, возможность запросить повторную передачу, до тех пор, пока данные корректно и полностью не будут получены.

Основные характеристики TCP/IP:

• Стандартизованные протоколы высокого уровня, используемые для хорошо известных пользовательских сервисов.
• Используются открытые стандарты протоколов, что дает возможность разрабатывать и дорабатывать стандарты независимо от программного и аппаратного обеспечения;
• Система уникальной адресации;
• Независимость от используемого физического канала связи;

Принцип работы стека протоколов TCP/IP такой же как и в модели OSI, данные верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней.

Если пакет продвигается по уровню сверху вниз - на каждом уровне добавляется к пакету служебная информация в виде заголовка и возможно трейлера (информации помещенной в конец сообщения). Этот процесс называется . Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере. Ее формат и интерпретация определяются протоколами данного уровня.

Если пакет продвигается по уровню снизу вверх - он разделяется на заголовок и данные. Анализируется заголовок пакета, выделяется служебная информация и в соответствии с ней данные перенаправляются к одному из объектов вышестоящего уровня. Вышестоящий уровень, в свою очередь, анализирует эти данные и также их разделяет их на заголовок и данные, далее анализируется заголовок и выделяется служебная информация и данные для вышестоящего уровня. Процедура повторяется заново пока пользовательские данные, освобожденные от всей служебной информации, не дойдут до прикладного уровня.

Не исключено, что пакет так и не дойдет до прикладного уровня. В частности, если компьютер работает в роли промежуточной станции на пути между отправителем и получателем, тогда объект, на соответствующем уровне, при анализе служебной информации определит, что пакет на этом уровня адресован не ему, в следствии чего, объект проведет необходимые мероприятия для перенаправления пакета к пункту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке. Но так или иначе не будет осуществлять продвижение данных на верхний уровень.

Пример инкапсуляции можно представить следующим образом:

Рассмотрим каждые функции уровней

Прикладной уровень

Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции представительного уровня и частично сеансового уровня модели OSI.

Распространенными примерами приложений являются программы:

• Telnet
• HTTP
• Протоколы электронной почты (SMTP, POP3)

Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного модуля.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных меду двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные, с помощью транспортного уровня идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта.

Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняется номером порта. Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя по какому из прикладных процессов направленны данные и передает эти данные к соответствующему прикладному процессу.

Номер порта получателя и отправителя записывается в заголовок транспортным модулем отправляющим данные. Заголовок транспортного уровня содержит также и некоторую другую служебную информацию, и формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

Средства транспортного уровня представляют собой функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи:

• обеспечение доставки данных между конкретными программами, функционирующими, в общем случае, на разных узлах сети;
• обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера.

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола – UDP , обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами, и TCP , обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения.

Сетевой (межсетевой) уровень

Основным протоколом этого уровня является протокол IP, который доставляет блоки данных (дейтаграммы) от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-х битным идентификатором компьютера, точнее его сетевого интерфейса. Данные для дейтаграммы передаются IP модулю транспортным уровнем. IP модуль добавляет к этим данным заголовок, содержащий IP-адрес отправителя и получателя, и другую служебную информацию.

Таким образом, сформированная дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи, для отправки по каналу передачи данных.

Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом, часто чтобы передать дейтаграмму по назначению требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или ному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.

Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP адрес назначения, если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня, если же адрес назначения дейтаграммы чужой, то модуль IP может принять два решения:

• Уничтожит дейтаграмму;
• Отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования, так поступают промежуточные станции – маршрутизаторы .

Также может потребоваться на границе сетей, с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать их в единое целое на компьютере получателя. Это также задача протокола IP.

Также протокол IP может отправлять сообщения – уведомления с помощью протокола ICMP , например, в случае уничтожения дейтаграммы. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения или доставки, предварительного соединения в протоколе нет, эти задачи возложены на транспортный уровень.

Уровень доступа к среде

Функции этого уровня следующие:

• Отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол ARP ;
• Инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров, при этом не требуется какого-либо контроля безошибочной передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису SAP, это поле содержащее код протокола;
• Определение метода доступа к среде передачи, т.е. способа, с помощью которого компьютеры устанавливает свое право на передачу данных;
• Определение представления данных в физической среде;
• Пересылка и прием кадра.

Рассмотрим инкапсуляцию на примере перехвата пакета протокола HTTP с помощью сниффера wireshark, который работает на прикладном уровне протокола TCP/IP:

Помимо самого перехваченного протокола HTTP, на основании стека TCP/IP сниффер описывает каждый нижележащий уровень. HTTP инкапсулируется в TCP, протокол TCP в IPv4, IPv4 в Ethernet II.