2.1. Стек протоколов TCP/IP

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

Модель TCP/IP

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

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

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

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

Структуру стека протоколов TCP/IP можно разделить на четыре уровня. Самый нижний — уровень сетевого интерфейса (уровень IV) -соответствует физическому и канальному уровню модели OSI. В стеке протоколов TCP/IP этот уровень не регламентирован. Уровень сетевого интерфейса отвечает за прием дейтаграмм и передачу их по конкретной сети. Интерфейс с сетью может быть реализован драйвером устройства или сложной системой, которая использует свой протокол канального уровня (коммутатор, маршрутизатор). Он поддерживает стандарты физического и канального уровня популярных локальных сетей: Ethernet, Token Pang, FDDI и т.д. Для распределенных сетей поддерживаются проколы соединений РРР и SLIP, а для глобальных сетей — протокол Х.25. Предусмотрена поддержка использования развивающейся технологии коммутации ячеек — ATM. Обычной практикой стало включение в стек протоколов TCP/IP новых технологий локальных или распределенных сетей и регламентация их новыми документами RFC.

Сетевой уровень (уровень III) — это уровень межсетевого взаимодействия. Уровень управляет взаимодействием между пользователями в сети. Он принимает от транспортного уровня запрос на посылку пакета от отправителя вместе с указанием адреса получателя. Уровень инкапсулирует пакет в дейтаграмму, заполняет ее заголовок и при необходимости использует алгоритм маршрутизации. Уровень обрабатывает приходящие дейтаграммы и проверяет правильность поступившей информации. На стороне получателя программное обеспечение сетевого уровня удаляет заголовок и определяет, какой из транспортных протоколов будет обрабатывать пакет.

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке TCP/IP используется протокол IP, который и создавался с целью передачи информации в распределенных сетях. Достоинством протокола IP является возможность его эффективной работы в сетях со сложной топологией. При этом протокол рационально использует пропускную способность низкоскоростных линий связи. В основе протокола IP заложен дейтаграммный метод, который не гарантирует доставку пакета, но направлен на ее осуществление.

К этому уровню относятся все протоколы, которые создают, поддерживают и обновляют таблицы маршрутизации. Кроме того, на этом уровне функционирует протокол обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами в сети и отправителями.

Следующий уровень — транспортный (уровень II). Основной его задачей является обеспечение взаимодействия между прикладными программами. Транспортный уровень управляет потоком информации с обеспечением надежной передачи. Для этого использован механизм подтверждения правильного приема с дублированием передачи утерянных или пришедших с ошибками пакетов. Транспортный уровень принимает данные от нескольких прикладных программ и посылает их более низкому уровню. При этом он добавляет дополнительную информацию к каждому пакету, в том числе и значение вычисленной контрольной суммы.

На этом уровне функционирует протокол управления передачей данных TCP (Transmission Control Protocol) и протокол передачи прикладных пакетов дейтаграммным методом UDP (User DatagramProtocol). Протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных за счет образования логических соединений между удаленными прикладными процессами. Работа протокола UDP аналогична работе протокола IP, но основной его задачей является выполнение функций связующего звена между сетевым протоколом и различными приложениями.

Самый верхний уровень (уровень I) — прикладной. На нем реализованы широко используемые сервисы прикладного уровня. К ним относятся: протокол передачи файлов между удаленными системами, протокол эмуляции удаленного терминала, почтовые протоколы и т.д. Каждая прикладная программа выбирает тип транспортировки — либо непрерывный поток сообщений, либо последовательность отдельных сообщений. Прикладная программа передает данные транспортному уровню в требуемой форме.

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.

Перед подробным рассмотрением протоколов стека TCP/IP введем базовые термины, определяющие названия фрагментов информации, передаваемой между уровнями. Название блока данных, передаваемого по сети, зависит от того, на каком уровне стека протоколов он находится. Блок данных, с которым имеет дело сетевой интерфейс, называется кадром. Если блок данных находится между сетевым интерфейсом и сетевым уровнем, то он называется IP-дейтаграммой (или просто дейтаграммой). Блок данных, циркулирующий между транспортным и сетевым уровнями и выше, называется IP-пакетом. На рисунке показано соответствие обозначений блоков данных уровням стека протоколов TCP/IP.

Обозначение фрагментов информации на уровнях стека TCP/IP.

Очень важно дополнить описание уровней стека протоколов TCP/IP описанием различия между передачей от отправителя непосредственно к получателю и передачей через несколько сетей. На рисунке показано различие между этими видами передач.

При доставке сообщения через две сети с применением маршрутизатора оно использует два разных сетевых кадра (кадр 1 и кадр 2). Кадр 1 — для передачи от отправителя до маршрутизатора, кадр 2 — от маршрутизатора до получателя.

Прикладной и транспортный уровни могут устанавливать соединения, поэтому принцип разделения на уровни определяет, что пакет, принятый транспортным уровнем получателя, должен быть идентичен пакету, посланному транспортным уровнем отправителя.

Так как стек протоколов TCP/IP был разработан до появления эталонной модели OSI, то соответствие его уровней уровням модели OSI достаточно условно. Структура стека протоколов TCP/IP приведена на рисунке.