Протоколы Интернета

  Благодаря протоколу TCP/IP Интернет стал тем, чем он является сегодня. В результате Интернет произвел в нашем стиле жизни и работы почти такие же революционные изменения, как печатный станок, электричество и компьютер. Без популярных протоколов и служб – таких, как HTTP, SMTP и FTP – Интернет был бы просто большим количеством компьютеров, связанных в бесполезный клубок.

  Протокол TCP/IP встречается повсеместно. Это семейство протоколов, благодаря которым любой пользователь с компьютером, модемом и договором, заключенным с поставщиком услуг Интернета, может получить доступ к информации по всему Интернету. Пользователи служб AOL Instant Messenger и ICQ (также принадлежащей AOL) получают и отправляют свыше 750 миллионов сообщений в день.

  Именно благодаря TCP/IP каждый день благополучно выполняются многие миллионы операций – а возможно, и миллиарды, поскольку работа в Интернете отнюдь не ограничивается электронной почтой и обменом сообщениями. Более того, в ближайшее время TCP/IP не собирается сдавать свои позиции. Это стабильное, хорошо проработанное и достаточно полное семейство протоколов.

Международная организация по стандартизации (ISO, International Organization for Standardization) разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI, Open Systems Interconnection) в 1978/1979 годах для упрощения открытого взаимодействия компьютерных систем. Открытым называется взаимодействие, которое может поддерживаться в неоднородных средах, содержащих системы разных поставщиков. Модель OSI устанавливает глобальный стандарт, определяющий состав функциональных уровней при открытом взаимодействии между компьютерами.

  Следует заметить, что модель настолько успешно справилась со своими исходными целями, что в настоящее время ее достоинства уже практически не обсуждаются. Существовавший ранее закрытый, интегрированный подход уже не применяется на практике, в наше время открытость коммуникаций является обязательной. Как ни странно, очень не многие продукты полностью соответствуют стандарту OSI. Вместо этого базовая многоуровневая структура часто адаптируется к новым стандартам. Тем не менее, эталонная модель OSI остается ценным средством для демонстрации принципов работы сети.

  В отличие от эталонной модели OSI, модель ТСР/IP в большей степени ориентируется на обеспечение сетевых взаимодействий, нежели на жесткое разделение функциональных уровней. Для этой цели она признает важность иерархической структуры функций, но предоставляет проектировщикам протоколов достаточную гибкость в реализации. Соответственно, эталонная модель OSI гораздо лучше подходит для объяснения механики межкомпьютерных взаимодействий, но протокол TCP/IP стал основным межсетевым протоколом.

Отличия модели TCP/IP от эталонной модели OSI видны в таблице.

  Стек протоколов TCP/IP состоит из четырех функциональных уровней: прикладного, межхостового, межсетевого и уровня сетевого доступа.

Прикладной уровень

Прикладной уровень содержит протоколы удаленного доступа и совместного использования ресурсов. Хорошо знакомые приложения- такие, как Telnet, FTP, SMTP, HTTP и многие другие- работают на этом уровне и зависят от функциональности уровней, расположенных ниже в иерархии. Любые приложения, использующие взаимодействие в сетях IP (включая любительские и коммерческие программы), относятся к этому уровню модели.

Межхостовой уровень

  К функциям этого уровня относится сегментирование данных в приложениях для пересылки по сети, выполнение математических проверок целостности принятых данных и мультиплексирование потоков данных ( как передаваемых, так и принимаемых) для нескольких приложений одновременно. Отсюда следует, что межхостовой уровень располагает средствами идентификации приложений и умеет переупорядочивать данные, принятые не в том порядке.

  В настоящее время межхостовой уровень состоит из двух протоколов: протокола управления передачей TCP и протокола пользовательских дейтаграмм UDP. С учетом того, что Интернет становится все более транзакционно-ориентированным, был определен третий протокол, условно названный протоколом управления транзакциями/передачей T/TCP (Transaction/Transmission Control Protocol). Тем не менее, в большинстве прикладных сервисов Интернета на межхостовом уровне используются протоколы TCP и UDP.

Межсетевой уровень

  Межсетевой уровень IPv4 состоит из всех протоколов и процедур, позволяющих потоку данных между хостами проходить по нескольким сетям. Следовательно, пакеты, в которых передаются данные, должны быть маршрутизируемыми. За маршрутизируемость пакетов отвечает протокол IP (Internet Protocol).

   Межсетевой уровень должен поддерживать маршрутизацию и функции управления маршрутами. Эти функции предоставляются внешними протоколами, которые называются протоколами маршрутизации. К их числу относятся протоколы IGP (Interior Gateway Protocols) и EGP (Exterior Gateway Protocols).

Уровень сетевого доступа

   Уровень сетевого доступа состоит из всех функций, необходимых для физического подключения и передачи данных по сети. В эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection)  этот набор функций разбит на два уровня: физический и канальный. Эталонная модель TCP/IP создавалась после протоколов, присутствующих в ее названии, и в ней эти два уровня были слиты воедино, поскольку различные протоколы IP останавливаются на межсетевом уровне. Протокол IP предполагает, что все низкоуровневые функции предоставляются либо локальной сетью, либо подключением через последовательный интерфейс.

  Протокол TCP/IP обеспечивает возможность межплатформенных сетевых взаимодействий ( то есть связи в разнородных сетях). Например, сеть под управлением Windows NT/2000 может содержать рабочие станции Unix и Macintosh, и даже другие сети более низкого порядка. TCP/IP обладает следующими характеристиками:

o                   Хорошие средства восстановления после сбоев.

o                   Возможность добавления новых сетей без прерывания текущей работы.

o                   Устойчивость к ошибкам.

o                   Независимость от платформы реализации.

o                   Низкие непроизводительные затраты на пересылку служебных данных.

  Протоколы TCP и IP совместно управляют потоками данных ( как входящими, так и исходящими) в сети. Но если протокол IP просто передает пакеты, не обращая внимания на результат, TCP должен проследить за тем, чтобы пакеты прибыли в положенное место. В частности, TCP отвечает за выполнение следующих задач:

o                   Открытие и закрытие сеанса.

o                   Управление пакетами.

o                   Управление потоком данных.

o                   Обнаружение и обработка ошибок.

  Протокол TCP/IP обычно рассматривается в контексте эталонной модели, определяющей структурное деление его функций. Однако модель TCP/IP разрабатывалась значительно позже самого комплекса протоколов, поэтому она ни как не могла быть взята за образец при проектировании протоколов.

Рис. Связи между протоколами

Семейство протоколов IP состоит из нескольких протоколов, часто обозначаемых общим термином “TCP/IP”:

o                   IP – протокол межсетевого уровня;

o                   TCP – протокол межхостового уровня, обеспечивающий надежную доставку;

o                   UDP – протокол межхостового уровня, не обеспечивающий надежной доставки;

o                   ICMP – многоуровневый протокол, упрощающий контроль, тестирование и управление в сетях IP. Различные протоколы ICMP распространяются на межхостовой и прикладной уровни.

Связи между этими протоколами изображены на рисунке.

Протокол IP (Internet Protocol) является самым распространенным межсетевым протоколом в мире. Функциональность протокола определяется объемом данных, хранящихся в заголовках. Структура заголовков IP, а, следовательно, и его возможности первоначально определялись в серии RFC и других общедоступных документов, которые были опубликованы еще во времена создания группы IETF. Обычно считается, что базовым документом для современной версии IP является RSC 791 («internet protocol», Postel, J.B; 1981).

  Благодаря неустанной работе IETF протокол IP постоянно развивается. В последующих RFC (Request for Comments) были добавлены многочисленные новые возможности. Тем не менее, все они строятся на основе, заложенной в RFC 791. С архитектурной точки зрения текущая версия IP имеет номер 4 (Ipv4). Со временем новая версия (Ipv6) постепенно вытеснит Ipv4, но в настоящее время повсеместно поддерживается стандарт Ipv4.

  Заголовок пакета IP содержит всю информацию, необходимую для выполнения основных сетевых операций. К числу таких операций относятся:

o                    адресация и маршрутизация;

o                    фрагментация и повторная сборка;

o                    выявление и исправление данных, поврежденных в процессе пересылки.

  Протокол TCP (Transmission Control Protocol) пользуется сервисом IP для обеспечения надежной доставки прикладных данных. ТСР создает между двумя или более хостами сеанс, ориентированный на соединение. Он обладает такими возможностями, как поддержка нескольких потоков данных, координация потока и контроль ошибок и даже восстановление нарушенного порядка пакетов. Протокол ТСР также разрабатывался посредством публикации общедоступных документов RFC группой IETF.

  В сеансе связи ТСР обеспечивает ряд важных функций, большая часть которых связана с обеспечением интерфейса между различными приложениями и сетью. К числу этих функций относятся:

o                   мультиплексирование данных между приложениями и сетью;

o                   проверка целостности полученных данных;

o                   восстановление нарушенного порядка данных;

o                   подтверждение успешного получения данных;

o                   регулирование скорости передачи данных;

o                   измерение временных характеристик;

o                   координация повторной передачи данных, поврежденных или потерянных в процессе пересылки.

  Протокол UDP (User Datagram Protocol) является вторым протоколом межхостового уровня (соответствующего транспортному уровню в эталонной модели OSI). UDP обеспечивает простейшие, требующие минимальных затрат средства передачи данных в виде так называемых «дейтаграмм» (datagrams).

  Как правило, UDP используется в приложениях, ориентированных на широковещательную рассылку или работу с сообщениями, а также там, где не требуется полная надежность, обеспечиваемая протоколом TCP.

  Протокол UDP намеренно проектировался как эффективный транспортный протокол с минимальными издержками, что напрямую отражено в структуре его заголовка. Информации, хранящейся в заголовке, хватает только для того, чтобы переслать дейтаграмму нужному приложению (то есть номеру порта) и выполнить простейшую проверку ошибок.