TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security) - Сидни Фейт

Коммуникационная модель обмена данными OSI строго соответствует структуре TCP/IP. Уровни и терминология модели OSI стали стандартной частью коммуникационной структуры обмена данными.

На рис. 3.1 показаны уровни OSI и TCP/IP. Начнем их анализ с самого нижнего уровня (в TCP/IP формально не определены уровни сеанса и представления).

Рис. 3.1. Уровни TCP/IP и OSI

3.2.1 Физический уровень

Физический уровень (physical layer) имеет дело с физическими носителями, разъемами и сигналами для представления логических нулей и единиц. Например, адаптеры сетевого интерфейса Ethernet и Token-Ring и соединяющие их кабели реализуют функции физического уровня.

3.2.2 Уровень связи данных

Уровень связи данных (data link layer) организует данные в кадры (frame). Иногда его называют канальным уровнем. Как показано на рис. 3.2, каждый кадр имеет заголовок (header), содержащий адрес и управляющую информацию, а завершающая секция кадра (trailer) используется для исправления ошибок (иногда ее называют хвостом кадра. — Прим. пер.).

Заголовки кадров локальных сетей содержат физические адреса источника и назначения, которые идентифицируют передающую и принимающую интерфейсные карты локальной сети (сетевые адаптеры). Заголовки кадров, пересылаемых по региональной сети Frame Relay, содержат циклические идентификаторы в специальном адресном поле.

Вызов соединения (связи) в локальной сети, т.е. создание некоторой линии между конечными точками передачи данных, и аналогичные возможности в региональных сетях описываются протоколами уровня связи данных.

Рис. 3.2. Формат кадра

3.2.3 Сетевой уровень

Функции сетевого уровня (network layer) выполняет протокол IP, который осуществляет, маршрутизацию данных между системами. Данные могут следовать по одному пути или использовать несколько различных путей при перемещении в интернете. Данные пересылаются в элементах, называемых датаграммами (datagram).

Как показано на рис. 3.3, датаграмма имеет заголовок IP, содержащий информацию об адресации для третьего уровня. Маршрутизатор проверяет адрес назначения для пересылки датаграммы в нужное место.

Рис. 3.3. Датаграмма IP

Уровень IP называется "без создания соединения", поскольку каждая датаграмма маршрутизируется независимо и протокол IP не гарантирует тот же порядок получения датаграмм, как при их отправке. IP маршрутизирует трафик без учета взаимодействий между приложениями, которым принадлежат конкретные датаграммы.

3.2.4 Транспортный уровень (TCP)

Протокол TCP выполняет функции транспортного уровня (transport layer) и обеспечивает надежную службу пересылки данных для приложений. В TCP/IP встроен специальный механизм, гарантирующий пересылку данных без ошибок и пропусков и в той последовательности, в которой они были отправлены.

Приложения, например пересылки файлов, передают данные в TCP, который добавляет к ним заголовок и формирует элемент, называемый сегментом (segment).

TCP отсылает сегменты в IP, в котором производится маршрутизация данных в заданное место. На другой стороне соединения TCP предполагает получение тех же сегментов данных от IP, определяет приложение, которому направлены эти данные, и передает их приложению в том порядке, в котором они были отправлены.

3.2.5 Транспортный уровень (UDP)

Приложение может послать другому приложению независимое сообщение с помощью протокола UDP, который добавляем к сообщению заголовок и формирует элемент, называемый датаграммой UDP или сообщением UDP.

UDP передает исходящие сообщения в IP и предполагает на другой стороне получение входящих сообщений от IP. Далее UDP определяет приложение, которому направлены данные.

UDP реализует коммуникационную службу без создания соединения, которая часто используется для просмотра содержимого простых баз данных.

3.2.6 Службы для приложений

Как уже отмечалось в главе 2, набор протоколов TCP/IP включает стандартные службы для приложений, такие как доступ с терминала, пересылка файлов, обращение к файловым серверам NFS, электронная почта, сетевые новости, WWW и просмотр адресов в DNS.

3.2.7 Пакетирование данных

На рис. 3.4 показано, как пакетируются прикладные данные перед пересылкой по сети. Основным термином для объединения информации с заголовком соответствующего сетевого уровня является элемент данных протокола (Protocol Data Unit — PDU). Например, сегмент TCP является PDU транспортного уровня, а датаграмма IP — PDU сетевого уровня.

Рис. 3.4. Пакетирование данных перед пересылкой по сети

3.3 Обзор протоколов

На рис. 3.5 представлено соотношение между отдельными компонентами набора протоколов TCP/IP.

Рис. 3.5. Соотношение между компонентами набора протоколов TCP/IP

Хотя текстовые пользовательские интерфейсы для пересылки файлов, доступа с терминала, работы с новостями или запросами к DNS для определения адреса по имени формально не стандартизованы, многие разработчики копируют интерфейс конечного пользователя из BSD Unix. Работающие в режиме текстовых команд пользователи находят, что пользовательский интерфейс не слишком отличается в разных системах.

Для настольных систем Windows и Macintosh существует множество графических пользовательских интерфейсов. Хотя они и отличаются в деталях, но в целом следуют стандартным соглашениям операционных систем и обычно могут использоваться без специального изучения.

Клиенты WWW, сетевых новостей, пересылки файлов (FTP), почты (SMTP) и терминального доступа (telnet) могут взаимодействовать со своими серверами через соединения TCP. Большинство клиентов NFS обмениваются со своими серверами сообщениями UDP, хотя некоторые реализации NFS предполагают использование как UDP, так и TCP.

Просмотр каталогов DNS основан на сообщениях UDP. Станции управления SNMP извлекают сведения из сетевых устройств с помощью сообщений UDP.

3.4 Маршрутизаторы и топология сети

Набор протоколов TCP/IP может использоваться как в независимых локальных или региональных сетях, так и для их объединения в общие сети интернета. Любой хост с TCP/IP может взаимодействовать с другим хостом через локальную сеть, соединение "точка-точка" или через региональную сеть с пакетированием информации (см. рис. 3.6).

Рис. 3.6. Независимые друг от друга сети

Объединение сетей в интернет предполагает использование маршрутизаторов IP. На рис. 3.7 показана сеть интернет, созданная из независимых сетей, соединенных маршрутизаторами IP.

Рис. 3.7. Объединение независимых сетей маршрутизаторами

Современные маршрутизаторы обеспечивают работу нескольких аппаратных интерфейсов, которые можно комбинировать для применения с конкретной сетевой топологией: Ethernet, Token-Ring, FDDI, синхронные соединения "точка-точка", Frame Relay и т.д.

Сети интернет можно построить с помощью самых разнообразных топологий. Однако если интернет будет иметь логически связанную структуру, маршрутизаторы смогут выполнять свою работу более эффективно и быстрее реагировать на неисправности в отдельных сегментах сети, перенаправляя датаграммы по функционирующим путям. Простая для понимания логическая структура поможет сетевым администраторам в диагностике, локализации и ликвидации сетевых неисправностей.

Обширный и основанный на конкуренции рынок маршрутизаторов IP помог развитию архитектуры TCP/IP. Разработчики маршрутизаторов быстро реализовывали новые топологии локальных и региональных сетей, предоставляя своим клиентам возможность выбора среди аналогичных устройств. За последние несколько лет существенно снизилось соотношение цены маршрутизаторов к их производительности.

3.5 Маршрутизация в IP

Программное обеспечение IP работает на хостах и маршрутизаторах IP. Если пункт назначения датаграммы не находится в том же самом сетевом сегменте, что и ее источник, то протокол IP локального хоста направляет такую датаграмму на локальный маршрутизатор. Если последний не подключен непосредственно к узлу назначения датаграммы, то она будет передана другому маршрутизатору. Этот процесс продолжается до тех пор, пока датаграмма не достигнет заданного пункта назначения.

Маршрутизатор IP определяет местоположение удаленного узла по таблице маршрутизации (routing table), содержащей сведения о ближайших маршрутизаторах, которым должен быть направлен трафик датаграмм для достижения конечной точки в сети.