7_Обзор модели TCP-IP

Модель Интернет. Архитектура протоколов TCP/IP

Протокол управления передачей ТСР/ межсетевой протокол IP (или протокол сети Интернет).

В середине 60-х годов Управление перспективных исследований министерства обороны США (ARPA, Advanced Research Projects Agency) начинает финансировать исследования и разработку экспериментальной компьютерной сети на базе коммутации пакетов (Массачусетский технологический университет, MIT, группа Лоуренса Робертса). Была поставлена задача – изучить методы устойчивой и надежной передачи данных между удаленными ЭВМ. Источник и получатель информации могут быть подключены к разным, физически удаленным сетям. Министерство обороны требовало, чтобы связь между источником и получателем поддерживалась, пока они работоспособны, даже если отдельные компоненты сети - маршрутизаторы, шлюзы, каналы, - будут выходить из строя. Другими словами, в условиях ядерного конфликта при выходе из строя телефонной и телеграфной связи, компьютерная сеть должна обеспечить управление страной.

Протоколы сети не должны были зависеть от характеристик конкретных машин, то есть их аппаратно-программного обеспечения. Вначале экспериментальная сеть соединила 4 исследовательских центра (университеты Лос-Анджелеса, Санта-Барбары, штата Юты и Стэндфордский исследовательский институт). Сеть получила название ARPANET. Позднее к этому проекту подключились сотни университетов и государственных учреждений США.

В 1972 году Рэй Томлинсон написал базовые программы для пересылки и чтения электронных сообщений, чтобы облегчить общение разработчиков ARPANET между собой (появилась электронная почта).

Необходимый набор протоколов TCP/IP был разработан в 1974 году (Роберт Кан, Винтон Серф). В 1983 году Министерство обороны США объявило стек протоколов TCP/IP стандартом.

Подключение отдельных сетей к глобальной сети должно базироваться на следующих принципах:

1. Сети взаимодействуют между собой с использованием стека протоколов TCP/IP.

2. Объединение сетей производится через специальные шлюзы (gateway).

3. Все подключаемые компьютеры используют единые методы адресации.

В 1983 году Министерство обороны США разделяет сеть на 2 части:

• MILNET – сеть для военных целей;

• ARPANET – сеть для научных исследований. В 1990 году сеть Национального научного фонда США (National Science Foundation) NSFNET полностью замещает сеть ARPANET.

Параллельно с военными и академическими исследованиями шло создание коммерческих компьютерных сетей (для компаний и организаций). Разработкой стандартов для локальных сетей занималась фирма XEROX, которая учредила консорциум Ethernet. В него вошли фирмы Intel и DEC. В 1980 году была выпущена документация на локальную сеть, использующую технологию Ethernet. На локальную сеть возлагались следующие задачи:

1. Совместное использование файлов (вместо обмена магнитными дисками и лентами).

2. Совместное использование аппаратных ресурсов (жесткие диски, принтеры, сканеры, модемы).

3. Связь пользователей между собой при помощи электронной почты.

4. Удаленное управление сетью (удаленное администрирование).

Для взаимодействия меду собой локальные сети могли подключаться к сети NSFNET только по протоколам TCP/IP.

В 1988 году стало возможным подключение к сети любого желающего лица, оплатившего доступ в сеть. В настоящее время стек протоколов TCP/IP является самым распространенным стеком коммуникационных протоколов.

Уровни набора протоколов TCP/IP

Уровни модели OSI (ВОС)	Уровни модели TCP/IP
Прикладной	Прикладной (Application)
Представительный
Сеансовый
Транспортный	Транспортный (Transport, Host-to-Host, уровень связи между хостами)
Сетевой	Межсетевой (Internet) (основа архитектуры)
Канальный	Уровень доступа к сети (Network Access, уровень сетевых интерфейсов)
Физический	Host - network

По традиции, компьютер, предназначенный для выполнения программ пользователя (то есть приложений), называется - хост (host).

Как и в модели OSI, данные передаются по стеку вниз при отправке в сеть, и вверх по стеку – при получении из сети. Каждый уровень на передаче добавляет к блоку данных свою управляющую информацию – заголовок (header). При получении данных каждый уровень анализирует свой заголовок, выполняет требуемые действия, удаляет свой заголовок и передает данные нужному протоколу вышестоящего уровня.

Конечные узлы (hosts, nodes) выполняют обработку пакетов на всех четырех уровнях протоколов. Промежуточные системы (routers, маршрутизаторы, шлюзы) обрабатывают пакет до уровня Internet включительно.

Интернет-уровень или межсетевой уровень является основой всей архитектуры. Его задача – обеспечить возможность для каждого хоста посылать в любую сеть пакеты. Пакеты будут продвигаться в сети к пункту назначения независимо друг от друга, и могут прибывать не в том порядке, в котором были отправлены. Если требуется соблюдение порядка отправления, эту задачу выполняют верхние уровни. Основным протоколом межсетевого уровня является протокол IP.

Над межсетевым уровнем расположен транспортный уровень. Он (как и в модели OSI) создан, чтобы одноранговые программные модули на передающем и принимающем хостах могли поддерживать связь.

На транспортном уровне описаны два сквозных протокола.

Протокол управления передачей ТСР (Transmission Control Protocol) является надежным протоколом с установлением логических соединений и позволяет доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину в объединенной сети без ошибок. Кроме того, ТСР осуществляет управление потоком, чтобы быстрый отправитель не завалил информацией медленного получателя.

Второй протокол UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских дейтаграмм) является ненадежным протоколом без установления соединения. Он широко используется для работы приложений, которым оперативность передачи информации важнее аккуратности (передача речи и видео).

Над транспортным уровнем располагается прикладной уровень. К самым старым протоколам прикладного уровня относятся:

• Протокол виртуального терминала (TELNET). Предназначен для реализации текстового интерфейса по сети. Доступ по протоколу TELNET означает, что Ваш компьютер на какое-то время становится терминалом удаленной машины, и Вы получаете практически те же возможности, как если бы Вы сидели за дисплеем и клавиатурой этой удаленной машины. С помощью Telnet можно "попасть" на удаленный компьютер сети, запустить на этом компьютере какую-либо программу или посмотреть содержание некоторого файла и даже осуществлять системное администрирование.

• Протокол переноса файлов FTP. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер. Технология FTP была предназначена для обмена большими объемами информации между машинами с различной архитектурой.

• Протокол электронной почты SMTP (Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол передачи почты). В настоящее время протокол SMTP является стандартным для электронной почты и его используют все машины, задействованные в пересылке почты и постоянно находящиеся на линии.

• Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами.

• Служба доменных имен DNS (Domain Name Service), которая позволяет преобразовывать имена хостов, записанные в ASCII-коде, в числовые сетевые адреса, которые использует протокол IP при пересылке пакетов. Доменные имена – символьные идентификаторы узлов, к которым обращаются пользователи, например, [e-mail]. Эти имена строятся по иерархическому признаку. Составляющие имени разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя хоста, затем имя группы хостов (например, название организации), затем имя более крупной группы (поддомен) и т.д. до домена первого уровня, который объединяет организации по географическому признаку (.ru, .us ) или соответствует другой большой структуре (например, .com - коммерческие ресурсы, .org – некоммерческие структуры, .edu – вузы в США, .gov – правительственные структуры в США и т.д.). Между доменным адресом и IP-адресом не существует никакой функциональной связи. Поэтому, для установления соответствия используется специальная распределенная служба доменных имен (Domain Name System, серверы DNS), которая использует таблицы соответствия, создаваемые администраторами сети.

Позднее на прикладном уровне появилось множество протоколов, наиболее известным из которых является протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol, 1992г.) - протокол для работы с гипертекстовыми документами в сети Интернет. Обеспечивает доступ в информационную систему WWW (WORLD WIDE WEB или всемирная паутина). Система основывается на гипертекстовой технологии, разработанной СERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц, Тим Бернерс-Ли) и M.I.T. (Массачусетским технологическим институтом).

Документы WWW могут быть в текстовых, видео-, аудиофрагментах. Пользователи могут создавать документы-страницы и связывать их при помощи гиперссылок с другими ресурсами, размещенными в Интернет. Страницы просматриваются при помощи специальной программы, называемой браузером (Internet Explorer фирмы Microsoft, Netscape Navigator фирмы Netscape и др.).

В основании технологии лежит использование:

1. URL (Uniform Recourse Locator, Унифицированный указатель информационного ресурса). Уникальный адрес любого ресурса в сети, например, http://www.w3.org/standards/webarch/. Указатель состоит из трех частей: имени протокола (http), DNS-имени машины, на которой расположена страница (www.w3.org), имени разделов и файлов.

2. Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol, Протокол передачи гипертекста). Протокол, используемый для передачи информации между компьютером-клиентом и компьютером-сервером.

3. Язык HTML (Hyper Text Mark-Up Language, Язык разметки гипертекста). Язык, на котором написаны все страницы.

Самый нижний уровень в модели Интернет – уровень доступа к сети Host – Network, или уровень сетевого интерфейса. Этот уровень в модели подробно не описывается. Модель говорит, что хост соединяется с сетью при помощи какого-нибудь протокола, позволяющего посылать по сети IP-пакеты. Протокол может меняться от хоста к хосту, от сети к сети.

Уровень сетевого интерфейса отвечает за прием дейтаграмм с межсетевого уровня и передачу их по конкретной физической сети. Используемое на этом уровне, программное обеспечение зависит от типа подсети и называется «протокол доступа к сети». Часто используется выражение – «протокол инкапсуляции» IP пакета в кадры конкретной технологии.

Уровень сетевых интерфейсов в TCP/IP поддерживает все популярные технологии канального и физического уровня: – Ethernet, FDDI, ATM, SONET/SDH, PPP и др. Обычно при появлении новой технологии глобальных или локальных сетей, она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующего документа RFC, который определяет метод инкапсуляции IP пакетов в ее кадры.

Терминология в TCP/IP

В стеке TCP/IP за годы его существования образовалась следующая терминология:

Потоком (stream) – называют данные, поступающие от приложений на вход протокола транспортного уровня TCP.

Сообщением – называют данные, поступающие от приложений на вход протокола транспортного уровня UDP.

Протокол ТСР нарезает из потока данных сегменты.

Протокол UDP формирует блоки, называемые дейтаграммами.

Блок данных протокола IP также называется дейтаграммой или чаще IP-пакетом.

Единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для последующей их переноски через подсеть, называют кадрами или фреймами. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в конкретной подсети. Для TCP/IP фреймом является и кадр сети Ethernet, и ячейка АТМ, и пакет Х.25, так как все они выступают в роли контейнера, в котором IP-пакет переносится через подсеть.

Для большинства сетевых приложений, входящих в архитектуру TCP/IP, в качестве протокола транспортного уровня используется ТСР.

Для TFTP, RTP – UDP.

Транспортные протоколы реализуются на хостах, где работают приложения.