Модель стека протоколов tcp ip и протоколы

Viber OUT 25.08.2019

Viber OUT

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.

Семинар.

Мы будем Вам очень благодарны! Спасибо!

Если Вам понравился данный материал, пожалуйста, поделитесь им с друзьями.

Сетевые протоколы управляют сетевым оборудованием, обеспечивают обмен информацией между подключенными устройствами. Чтобы сетевые компьютеры могли сообщаться, они должны использовать один и тот же протокол. Стандартизация в области коммуникационных протоколов является важной задачей, так как она лежит в основе принципа работы всего сетевого оборудования определенной технологии.

Протоколы локальных сетей должны обладать следующими основными характеристиками:

· обеспечивать надежность сетевых каналов;

· обладать высоким быстродействием;

· обрабатывать исходные и целевые адреса узлов;

· соответствовать сетевым стандартам

Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI. Эти стеки на нижних уровнях – физическом и канальном модели OSI – используют одни и те же протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и др. На верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы, не соответствуют уровням модели OSI, так как она появилась уже как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков.

NetBEUI - самый простой из перечисленных стеков протоколов. Он является самым быстродействующим, однако его функциональные возможности ограничены. В этом протоколе отсутствуют средства логической адресации на сетевом уровне, поэтому его целесообразно использовать в локальной сети, но нельзя маршрутизировать из одной сети в другую. Реализация этой функции возможно только совместно с маршрутизируемым протоколом, например с TCP/IP.

Протоколы IPX и SPX совместно обеспечивают маршрутизацию сетевых сообщений. Компания Novell разработала протокол IPX /SPX для серверов и клиентов NetWare, однако его можно использовать и в других операционных системах. Протокол IPX работает на сетевом уровне модели OSI, относится к категории протоколов, работающих без установления соединения. Протокол SPX работает на транспортном уровне модели OSI, он обеспечивает распознавание и сборку пакетов и другие службы с установлением соединения. IPX доставляет пакеты по назначению, а SPX следит за тем, чтобы пакеты прибыли полностью и в целостном состоянии, он поддерживает нумерацию пакетов, отслеживает количество переданных пакетов.

Самым распространенным является стандартный стек TCP/IP . Практически все сети передают основную часть своего трафика с его помощью, в том числе и глобальная сеть Интернет. Этот стек также является основой для создания корпоративных intranet-сетей, использующих гипертекстовую технологию WWW. Все современные операционные системы поддерживают протоколы TCP/IP.

TCP/IP – это многоуровневый стек, он сдержит около ста стандартизированных протоколов, обеспечивающих эффективную передачу данных. Так как стек был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем OSI, то соответствие уровней протоколов TCP/IP модели OSI достаточно условно. Базовыми протоколами являются следующие:

· Transmission Control Protocol (TCP);

· User Datagram Protocol (UDP);

· Internet Protocol (IP).

Каждый коммуникационный протокол оперирует некоторой порцией передаваемых данных - блоком данных. В протоколе TCP принято называть блоки кадрами, в UDP – датаграммами, в IP – пакетами. Часто пакет называют также датаграммой, характеризуя таким образом блок данных, содержащий маршрутную информацию. Датаграммами оперируют протоколы без установления соединений, такие как IP и UDP. Потоком называют данные, поступающие от приложений на транспортный уровень TCP или UDP. Протокол TCP разбивает поступающий файл на пакеты.

Структура протоколов TCP/IP приведена на рис. 13. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV ) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.

Рис. 13. Структура стека протоколов TCP/IP.

Уровень III - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных протоколов локальных и глобальных сетей. В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол IP, с помощью которого решаются задачи межсетевой адресации и маршрутизации пакетов. IP является протоколом без установления соединением, т.е. доставка пакетов до узла назначения не гарантируется. Это и не входит в его задачу.

Протокол IP реализует следующие базовые функции: передача данных, адресация, маршрутизация и динамическая фрагментация пакетов. Для правильной доставки пакета используется специальная система адресации. Передающий и принимающий компьютеры в сети идентифицируются с помощью логических IP-адресов. Адресная информация пакета позволяет определять маршрут движения. Протокол может передавать пакеты в сетях разных типов, которые используют пакеты разной длины. Например, пакет Ethernet может иметь длину от 64 до 1526 байтов, а пакет FDDI – до 4472 байтов. Полная длина IP-пакета может достигать 65535 байтов. Пакет содержит заголовок и данные. Заголовок IP-пакета содержит ряд полей. Среди них следующие: адреса источника и приемника, общая длина пакета в байтах, включающая заголовок и данные, транспортный протокол (TCP или UDP), время жизни, которое задается во избежания непрерывной циркуляции в некоторой сети. По истечении указанного времени пакет уничтожается.

Маршрутизация представляет собой процесс перемещения информации по объединенной сети от источника к приемнику. Маршрут следования, как правило, содержит промежуточные пункты передачи. При маршрутизации определяется оптимальный маршрут и осуществляется транспортировка (коммутация) пакетов. Для определения наилучшего маршрута используется множество различных метрик: длина маршрута, полоса пропускания, нагрузка, надежность, задержка, затраты на передачу. Чтобы упростить процесс определения маршрута, на каждом маршрутизаторе создаются и регулярно обновляются таблицы маршрутизации, в которых содержится информация о возможных маршрутах от рассматриваемого маршрутизатора до следующего пункта. Для выбора оптимального пути сравниваются метрики маршрутизаторов. Маршрутизаторы взаимодействуют между собой и ведут таблицы маршрутизации, обмениваясь сообщениями, в том числе и об обновлении маршрута. Анализ данных позволяет составить представление о топологии сети и состоянии каналов связи, что используется для построения маршрутов к устройствам-приемникам.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации о продвижении пакетов RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol) и протокол разрешения адреса узла сети ARP (Address Resolution Protocol).

Протокол RIP основан на наборе алгоритмов, использующих понятие вектора расстояний для сравнения маршрутов и выбора наилучшего из них до места назначения. RIP посылает сообщения по сети об обновлении маршрутов и изменении топологии сети. Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор присваивает соответствующему элементу вектора значение, которое имеет смысл - "связи нет".

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.

Протокол ICMP предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. ICMP генерирует сообщения о невозможности доставки пакета, об истечении лимита времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Протокол ARP , как указывалось выше, используется для определения локального адреса по IP-адресу. Протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу-, реверсивный ARP – RARP, используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера. В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом. Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес.

Следующий уровень стека протоколов (уровень II) является основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP и протокол дейтаграмм пользователя UDP.

Протокол TCP – это транспортный протокол, который обеспечивает надежную передачу данных между процессами приложений в сети. Прежде чем начать передавать данные, TCP устанавливает между двумя компьютерами сеанс соединения. Затем поступающий из приложения поток данных в виде байтов разбивается на пакеты, в каждый пакет добавляется информация о нумерации пакетов, чтобы на принимающей стороне их можно было собрать в правильной последовательности. Нумерация позволяет обнаружить недостающие пакеты. Поступление пакетов подтверждается приемником. Байты, не получившие подтверждения в течение определенного времени, передаются заново. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть осуществлять полнодуплексную передачу. Протокол IP используется протоколом TCP в качестве транспортного средства. Перед отправкой своих блоков данных протокол TCP помещает их в оболочку IP-пакета.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов датаграммным способом и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами. Он не ориентирован на установление соединения. Не выполняется также нумерация пакетов данных, поэтому они могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором были отправлены. Однако UDP гарантирует правильность данных, поступивших на принимающий компьютер. Протокол более пригоден для передачи небольших сообщений, которые можно разместить в одном пакете, или для тех приложений, которым не страшна потеря некоторой порции данных. Функциональная простота протокола UDP обусловливает его высокое быстродействие. Однако по сравнению с TCP он менее надежный.

Различные сетевые приложения, установленные на одном компьютере, могут одновременно получать или отправлять сообщения. Для того чтобы их разделять, в протоколах транспортного уровня используют порты. Наиболее распространенные приложения используют предопределенные порты. Так, например, службе удаленного доступа к файлам FTP соответствует порт 21, службе telnet – 23, SMTP – 25, HTTP - 80. Назначение номеров портов известным прикладным процессам осуществляется централизованно, для менее распространенных служб - локально. Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного узла однозначно определяют прикладной процесс в сети. Этот набор идентифицирующих параметров носит название сокета (socket) .

Верхний уровень (уровень I ) называется прикладным. На этом уровне действуют протоколы передачи файлов FTP, эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Интернет, протокол передачи гипертекста HTTP и другие.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспортного протокол с установлением соединений – TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Кроме того, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Интернет. Позднее SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием – концентраторами, коммутаторами, сетевыми адаптерами и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.

Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.

Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.

Пакет TCP/IP включает некоторые утилиты, предназначенные для просмотра параметров конфигурации протокола и устранения неполадок. К числу наиболее рапространенных утилит относятся следующие: ping, ARP и RARP, netstat, nbstat, утилиты конфигурирования IP: ipconfig, winipcfg, config, ifconfig, утилиты отслеживания маршрута: traceroute, tracert, iptrace. Все утилиты запускаются в командной строке, предназначены для использования в операционных системах Windows, UNIX / Linux.

Утилита ping используется для проверки соединения IP. Ее можно запускать как с доменным именем в качестве параметра, так с цифровым. Эта утилита посылает на принимающий компьютер эхо-запрос ICMP. Получив его, принимающий компьютер передает обратно эхо-ответ ICMP, что подтверждает наличие соединения. С помощью утилиты ping можно найти IP - адрес компьютера по его имени. Если в командной строке ввести команду ping microsoft.com, то на экран будет выведен адрес хоста: 207.46.130.108.

Утилита – nslookup – возвращает IP-адрес компьютера с заданным именем по цифровому адресу. С помощью утилиты ARP в одноименном протоколе можно просматривать и модифицировать отображение IP-адресов на MAC – адреса. Утилита netstаt позволяет получить статистику сети, связанную с активными в данный момент соединениями. Полученные данные используются для устранения неполадок в соединении TCP/IP. Команду можно использовать со следующим опциями: а – просмотр всех соединений и активных портов, е – просмотр статистика в Ethernet, р – вывод информации о выбранном протоколе (для Windows), r – просмотр таблицы маршрутизации и др. Конфигурационную информацию можно вывести в зависимости от операционной системы Windows или UNIX с помощью команд ipconfig и ifconfig соответственно. Эти утилиты возвращают информацию о текущих IP-адресе и MAC-адресе, о маске подсети, адрес сервера DNS, данные DHCP и др. Утилиты tracert и traceroute используются для отслеживания маршрута, по которому пакеты проходят от передающего компьютера к принимающему. Первая команда предназначена для Windows, вторая – для UNIX. Результат отслеживания содержит имена и IP- адреса компьютеров или маршрутизаторов, через которые прошел пакет.

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) является основой глобальной сети Интернет, что обеспечило ему широкую популярность. Его гибкость и возможности маршрутизации трафика позволяют использовать его в сетях различного масштаба (начиная небольшой локальной сетью и заканчивая глобальной корпоративной сетью).
Стек протоколов TCP/IP представляет собой набор сетевых протоколов, регламентирующих все стороны процесса взаимодействия сетевых устройств. Этот стек протоколов основан на открытых спецификациях. Благодаря этому реализации данного стека протокола различными производителями совместимы между собой. В частности, реализация TCP/IP, предложенная Microsoft в рамках семейства операционных систем Windows, позволяет осуществлять взаимодействие с системами, находящимися под управлением ОС, созданных не фирмой Microsoft (например, UNIX).

Можно выделить следующие достоинства стека протоколов TCP/IP:

в рамках стека реализована стандартизованная схема маршрутизации, являющаяся наиболее полным и доступным общепринятым механизмом маршрутизации сетевого трафика. Практически все современные операционные системы поддерживают TCP/IP (даже Novell признала первенство стека протоколов TCP/IP и реализовала его поддержку в своем семействе операционных систем NetWare). Практически все корпоративные сети строятся с использованием стека TCP/IP;
технология объединения разнородных систем. В рамках стека TCP/IP доступно множество стандартных утилит для организации взаимодействия и передачи данных между разнородными системами, включая протокол передачи файлов FTP и протокол эмуляции терминала (Telnet). Некоторые стандартные утилиты поставляются непосредственно с Windows Server 2003;
технология, позволяющая подключать сеть или одиночный компьютер к глобальной сети Интернет. Поскольку Интернет функционирует на базе стека протоколов TCP/IP, поддержка компьютером этого стека является одним из обязательных требований при подключении его к этой сети. Реализованный в рамках стека протокол РРР, протокол туннелирования РРТР и архитектура Windows Sockets обеспечивают необходимую основу для организации подключения к Интернету и использования всех его служб;
основа для организации устойчивого, масштабируемого, межплатформенного, клиент-серверного взаимодействия. В TCP/IP поддерживается интерфейс Windows Sockets, который является реализацией в среде Windows широко распространенного интерфейса Berkeley Sockets, используемого для создания сетевых приложений.

Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003

В Windows Server 2003 реализована поддержка основных протоколов стека TCP/IP, включая протокол управления передачей (TCP), протокол Интернета (IP), протокол пользовательских датаграмм (UDP), протокол разрешения адресов (ARP), протокол управляющих сообщений Интернета (1СМР), а также протокол управлениями группами Интернет (IGMP). Реализация стека протоколов TCP/IP включает в себя базовые утилиты TCP/IP, в том числе Finger, Ftp, Lpr, Rep, Rexec, Rsh, Telnet и Tftp. Эти утилиты позволяют пользователям, работающим в Windows Server 2003, использовать ресурсы и взаимодействовать с компьютерами под управлением операционных систем сторонних производителей (например, операционные системы семейства UNIX). В распоряжении администратора имеется также целый ряд диагностических утилит TCP/IP, включая Arp, Hostname, Ipconfig, Lpq, Nbtstat, Netstat, Ping, Route и Tracert. Системные администраторы могут использовать эти утилиты, чтобы обнаружить и решить проблемы работы с сетями TCP/IP.

В Windows Server 2003 протокол TCP/IP устанавливается по умолчанию и не может быть удален или переустановлен. Если возникает необходимость сбросить установки TCP/IP, то следует использовать утилиту командной строки Netsh.exe.

Следует заметить, что разработанные в ходе развития стека TCP/IP спецификации охватывают различные стороны сетевого взаимодействия. Не все они реализованы в рамках стека протоколов TCP/IP, предложенного Microsoft в Windows Server 2003. Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 имеет следующие характерные особенности:

поддержка окна передачи большого размера. Эта возможность улучшает производительность TCP/IP в случае, когда передается большое количество данных или не требуется передача подтверждения при связи между двумя компьютерами в течение длительного периода времени. В случае взаимодействия на базе протокола TCP окно (максимальное число пакетов, переданных в виде непрерывного потока до первого пакета подтверждения) обычно имеет фиксированный размер и устанавливается в начале сеанса связи между принимающим и передающим компьютерами. С поддержкой больших окон фактический размер окна может быть динамически вычислен повторно и соответственно увеличен в течение более длинных сеансов. Это позволяет передать большее количество пакетов данных за один раз и увеличивает эффективную полосу пропускания;
размер окна передачи устанавливается локальным сетевым адаптером. Данная возможность позволяет устанавливать размер окна передачи сетевым адаптером в соответствии с имеющейся пропускной способностью сети. Например, в ситуации, когда компьютер подключен к Интернету посредством модемного соединения, размер окна передачи будет значительно меньше, чем в случае соединения с локальной вычислительной сетью. Применительно к серверу удаленного доступа описываемая возможность позволяет уменьшить размер очереди пакетов и, как следствие, увеличить эффективность устанавливаемых соединений;
выборочные подтверждения. Эта возможность позволяет сетям быстро восстанавливать свою работоспособность после возникновения сетевых конфликтов или временного сбоя в физической среде. Получатель может выборочно подтверждать или требовать повторную передачу у отправителя только для тех пакетов, которые были опущены или повреждены во время передачи данных. В предыдущих реализациях TCP/IP, если компьютер-получатель не смог получить одиночный TCP-пакет, отправитель был вынужден повторно передавать не только поврежденный или отсутствующий пакет, но и всю последовательность пакетов, идущую после неподтвержденного пакета. С новой возможностью будут повторно посланы только действительно поврежденные или пропущенные пакеты. Это приводит к передаче меньшего количества пакетов, т. е. к лучшему использованию сети;
лучшая оценка времени кругового пути (Round Trip Time, RTF). Эта возможность повышает эффективность стека протоколов TCP/IP, позволяя точно оценивать время, затрачиваемое на путешествие пакета туда и обратно (RTT) между двумя хостами сети. (RTT - количество времени, которое требуется для кругового прохождения пакета между отправителем и получателем по установленному TCP-соединению.) Повышение точности оценки RTT позволяет установить более точное значение тайм-аута, до истечения которого компьютеры не будут перезапрашивать пакет. Лучшая синхронизация приводит к повышению эффективности работы в сетях с большими значениями RTT (например, в глобальных сетях), покрывающих большие расстояния (нередко целые континенты), или при использовании TCP/IP в беспроводных или спутниковых каналах;
поддержка протокола IPv6. Протокол IPv6 представляет собой новую версию протокола IP (старая версия протокола получила название IPv4). Новая версия протокола позволяет преодолеть ограничения и недостатки, характерные для протокола IPv4;
поддержка механизмов маршрутизации. Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 включает в себя механизмы маршрутизации. Благодаря этому компьютер под управлением Windows Server 2003 может выступать в качестве маршрутизатора, соединяя между собой две или более подсетей;
возможность назначения одного IP-адреса нескольким сетевым адаптерам (создание так называемого подключения типа "сетевой мост", network media bridge). Например, компьютер может иметь два сетевых подключения (одно посредством модема с телефонной линией, а второе посредством сетевого адаптера к беспроводной сети). При этом другие компьютеры, подключаясь по телефонной линии к данному компьютеру, могут через мост осуществлять взаимодействие с компьютерами, подключенными к беспроводной сети;
встроенный брандмауэр. Непосредственно на уровне операционной системы реализован простейший брандмауэр подключений к Интернету (Internet Connection Firewall, ICF). Встроенный брандмауэр представляет собой службу, осуществляющую фильтрацию информации, поступающей
из глобальной сети Интернет. Служба пропускает только разрешенные администратором типы пакетов и отбрасывает все остальные;
поддержка служб просмотра сети (browser service), позволяющая осуществлять поиск ресурсов в сложных IP-сетях.

Помимо транспортных протоколов, задача которых сводится исключительно к организации сетевого взаимодействия, в Windows Sewer 2003 реализован целый ряд служб, без которых на сегодняшний день трудно представить сетевую инфраструктуру современного предприятия:

службы Интернета (Internet Information Services, IIS);
служба DHCP для автоматического конфигурирования TCP/IP;
служба WINS (Windows Internet Name Service) для разрешения NetBIOS-имен в IP-адреса;
служба доменных имен (Domain Name Service, DNS) для разрешения доменных имен в IP-адреса;
службы печати для доступа через TCP/IP к принтерам, подключенным к UNIX-системам, или к принтерам, подключенным непосредственно к сети;
агент простого протокола управления сетью (Simple Network Management Protocol, SNMP). Протокол SNMP был разработан как средство реализации централизованного управления разнообразными сетевыми устройствами посредством специализированного программного обеспечения (например, Sun Net Manager или HP Open View);
серверное программное обеспечение для простых сетевых протоколов, включая генератор символов (Chargen), Daytime, Discard, Echo и Quote of The Day. Эти протоколы позволяют компьютеру под управлением Windows Server 2003 отвечать на запросы других систем, поддерживающих эти протоколы.

Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 не включает полный набор утилит TCP/IP или серверных служб (которые традиционно называются демонами, daemons). Тем не менее, существует множество прикладных программ и утилит такого рода, совместимых с реализацией TCP/IP производства Microsoft из состава Windows Server 2003, - как свободно распространяемых, так и сторонних производителей.

Архитектура стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003
Рис. 12.5 позволяет получить представление об архитектуре стека протоколов. TCP/IP, реализованного в рамках операционной системы Windows Server 2003. Условно можно выделить четыре уровня данной реализации.

Уровень приложений. На этом уровне функционируют приложения, нуждающиеся в доступе к сети. При этом приложения для обращений к сети могут использовать любой из поддерживаемых системой прикладных интерфейсов.

Рис. 12.5. Архитектура стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003

Уровень прикладных интерфейсов. Прикладные интерфейсы представляют собой стандартизированные точки доступа к сетевым компонентам операционной системы. Операционной системой Windows Sewer 2003 поддерживается целый ряд разнообразных прикладных интерфейсов (NetBIOS, WNET/WinNET, Windows Socket, RFC). Прикладные интерфейсы взаимодействуют с транспортными протоколами через интерфейс транспортного драйвера (Transport Driver Interface, TDI).
Реализация транспортных механизмов. На этом уровне функционируют транспортные протоколы, отвечающие за упаковку сетевых запросов к приложениям в соответствующие форматы и отправку этих запросов на соответствующий сетевой адаптер посредством интерфейса сетевых драйверов (Network Driver Interface Specifications, NDIS).
Интерфейс сетевых драйверов. Интерфейс сетевых драйверов позволяет использовать несколько сетевых протоколов поверх разнообразных типов сред и сетевых адаптеров. Благодаря этому интерфейсу множество протоколов могут совместно использовать один сетевой адаптер.

В Windows Server 2003 реализована спецификация NDIS 5.1. Ниже перечислены характерные особенности данной версии этого интерфейса.

Поддержка данных, передаваемых вне полосы пропускания (используется в широкополосной передаче).
Расширение для средств Wireless WAN.
Высокоскоростные передача и прием пакетов (что приводит к значительному повышению производительности).
Расширение для средств высокоскоростных портов инфракрасной передачи IrDA.
Автоматическое определение среды (это требуется для получения эмблемы "Разработано для Windows" в соответствии с руководством по построению аппаратных средств спецификации РС"98).
Фильтрация пакетов (предотвращает монопольный захват процессора утилитой Сетевой монитор (Network Monitor)).
Многочисленные новые системные функции интерфейса NDIS (требуются для двоичной совместимости мини-порта Windows 95 и Windows NT).
Управление питанием NDIS (требуется для сетевого управления питанием и включения компьютера через сеть).
Поддержка технологии Plug and Play.
Поддержка инструментария управления Windows (Windows Management Instrumentation, WMI), что обеспечивает создание совместимых с WBEM (Управление предприятием на основе технологии Web) средств управления аппаратурой мини-портов ND1S и связанных с ними адаптеров.
Поддержка единого формата INF для всех операционных систем Windows. Новый формат INF основан на формате 1NF, принятом в Windows 95.
Механизмы разгрузки процессора для служебных процессов типа расчета контрольной суммы пакетов протоколов TCP и UDP, а также для быстрой пересылки пакетов.
Расширение для средств широковещания (необходимо для широковещательных служб в Windows).
Поддержка механизмов установления логического соединения (требуется для сетей ATM и ADSL, а также для работы WDM-CSA (Windows Driver Model-Connection Streaming Architecture) - модели драйвера потоковой архитектуры соединения для Windows поверх всех сред с установлением логического соединения).
Поддержка для реализации служб качества обслуживания (Quality of Service, QoS).
Поддержка промежуточных драйверов (требуется для широковещания PC, виртуальных ЛВС, планирования пакетов для QoS и для поддержки сетевых устройств IEEE-1394).

Интерфейс Windows Socket 2

Интерфейс Windows Socket 2 (достаточно часто можно встретить другое название - WinSock 2) представляет собой реализованный в Windows интерфейс сокетов, разработанный в Университете Беркли. Данный интерфейс выступает в качестве связующего звена между приложениями и транспортным механизмом. Формат сокета зависит от протокола. Применительно к TCP/IP сокет представляет собой комбинацию информации об адресе хоста и номере порта. Для каждого сокета эта комбинация является уникальной.
Обеспечивая полную совместимость с предыдущей версией, Windows Socket 2 расширяет первоначальную реализацию интерфейса. Его характеризуют:

улучшенная эффективность работы;
дополнительная поддержка разрешения имен;
параллельный доступ к нескольким сетевым транспортам;
поддержка процедур управления качеством обслуживания (QoS);
поддержка многоточечного и многоадресного вещания.

В дополнение к поддержке доступа к нескольким сетевым транспортам и механизмам разрешения имен, по сравнению со спецификацией WinSock 1.1, изменилась и архитектура Windows Sockets 2, которая теперь включает два основных уровня: уровень динамических библиотек (DLL), обеспечивающих интерфейс Windows Sockets API, и уровень поставщиков услуг, располагающихся ниже библиотек API и взаимодействующих с ними через интерфейс поставщика услуг (Service Provider Interface, SPI). Описание Windows Sockets 2 включает три отдельных спецификации: описание Windows Sockets 2 API, описание Windows Sockets 2 SPI и приложение (Appendix), определяющие особенности протокола транспортного уровня.
DLL-библиотека Windows Sockets 2 (WS2-32.DLL) включает все API, используемые разработчиками приложений. Она включает существующий Windows Sockets 1.1 API, а также новый API для расширенных средств обмена данными и API обобщенной службы имен. Многие поставщики теперь предлагают параллельный доступ к их собственным транспортам, создавая DLL-библиотеку поставщика услуг, соответствующую спецификации Windows Sockets 2 SPI. Это означает, что можно разработать приложение, обращающееся через новый прикладной интерфейс, например, к TCP/IP и IPX/SPX одновременно.
Интерфейс поставщика услуг позволяет обращаться к нескольким службам разрешения имен (Name Resolution Services) через единый API. Поскольку производители поставляют программные модули уровня поставщика услуг для DNS, для службы каталогов NetWare (NDS) и Х.500 все их функции разрешения имен будут доступны через API пространства имен Windows Sockets 2.

Протокол IPv6

Начальная версия протокола IP (ее принято называть IPv4) разрабатывалась несколько десятилетий назад. Хотя при разработке этого протокола исходили из возможного развития сетевой инфраструктуры в будущем, протоколу IPv4 свойственен ряд ограничений.

Ограниченное адресное пространство. Стремительный рост Интернета выявил одно из самых ощутимых ограничений - нехватку IP-адресов. По оценкам специалистов, заложенное в рамках архитектуры протокола IPv4 количество IP-адресов приблизительно равно количеству хостов Интернета. Уже в ближайшем будущем все доступные IP-адреса будут задействованы. Для дальнейшего развития Интернета необходимо предложить и задействовать новый способ адресации хостов.
Сложность конфигурации. Версия протокола IPv4 предусматривает только два способа определения конфигурации протокола: ручная настройка либо использование службы автоматической конфигурации хостов DHCP. В случае большого количества хостов возникает потребность в механизме конфигурации хостов, требующем минимального участия со стороны администратора.
Недостаточная защищенность. При взаимодействии хостов через открытые сети (какой является, например, Интернет) данные передаются в открытом виде. Существуют различные механизмы защиты сетевого трафика на разных уровнях OSI модели. Специалистами был разработан протокол шифрования данных на сетевом уровне, получивший название протокола IP Security (IPSec). Однако использование этого протокола носит опциональный характер.
Отсутствие механизмов управления качеством обслуживания (Quality of Service, QoS). Развитие информационных технологий предъявляет жесткие требования к сетевому транспорту (особенно при передаче потоковых данных - таких, например, как голос и изображение). Хотя имеются механизмы, позволяющие управлять качеством обслуживания и в рамках протокола IPv4, существующий формат заголовка IP-пакета имеет ограниченную функциональность.

Указанные ограничения удалось преодолеть в новой версии протокола IP, получившего название IPv6. Для этого протокола сетевого уровня можно выделить характерные особенности, перечисленные ниже.

Новый формат заголовка IP-пакета. В новой версии протокола IP существенным образом был переработан формат заголовка пакета с целью повышения эффективности его обработки сетевыми устройствами. Следует заметить, что заголовок 1Ру6-пакета не совместим обратно с заголовком IРv4-пакета. Поэтому в случае использования в сети обеих версий протоколов сетевое устройство (такое, например, как маршрутизатор) должно поддерживать обе версии протокола.
Увеличенное адресное пространство. Протокол IPv4 использует 32-битные адреса. В протоколе IPv6 используются 128-битные IP-адреса (что составляет 2128 возможных адресов). Имеющееся количество IP-адресов достаточно как для построения открытых сетей, так и для реализации корпоративных сетей. Благодаря этому, в частности, отпадает необходимость в механизмах трансляции адресов (NAT).
Иерархическая инфраструктура адресации и маршрутизации. Схема адресации, используемая в IPv6, позволяет упростить процесс построения таблиц маршрутиазции, используемых маршрутизаторами для определения пути доставки пакета.
Новый механизм конфигурации хостов. Протокол IPv6 поддерживает как традиционные способы конфигурации хостов (ручной и с использованием DHCP), так и новые способы конфигурации, не требующие участия DHCP-сервера. В последнем случае хост может определить собственную конфигурацию, основываясь на информации о настройках ближайшего маршрутизатора, либо использовать конфигурацию по умолчанию.
Встроенный механизм обеспечения безопасности. Поддержка протокола IPSec является одним из обязательных условий функционирования протокола IPv6.
Улучшенная поддержка механизмов управления качеством сервиса. Новый формат заголовка изначально ориентирован на работу механизмов управления качеством обслуживания (QoS).
Новый протокол взаимодействия с соседними хостами. Протокол обнаружения соседних хостов (Neighbor Discovery Protocol) представляет собой набор ICMP-сообщений, который регламентирует процесс взаимодействия хоста с его соседями. Этот протокол соответственно заменяет протоколы ARP, ICMPv4 Router Protocol и ICMPv4 Redirect.

Применительно к реализации IPv6 в Windows Server 2003 следует заметить, что данная версия протокола поддерживается разнообразными службами TCP/IP. В частности, служба DNS может быть использована для регистрации хостами своих доменных имен и, в последующем, для разрешения этих имен в соответствующие 1Ру6-адреса.

Протокол IP Security

Протокол IP Security (или как его еще называют - IPSec) разработан с целью реализации защищенного обмена данными по протоколу IP. При этом протокол IPSec позволяет администратору решить следующие задачи обеспечения безопасности:

обеспечение конфиденциальности передаваемых данных;
контроль доступа;
обеспечение целостности передаваемых данных;
защита от повторения;
подтверждение подлинности данных.

Протокол IPSec функционирует на сетевом уровне модели OSI. Принцип работы протокола сводится к созданию защищенного туннеля между двумя хостами, осуществляющими обмен данными через открытые сети. Поскольку процесс шифрования требует привлечения значительных вычислительных ресурсов, в структуре протокола IPSec выделяют два уровня обеспечения безопасности передаваемых данных.

Создание защищенного заголовка IP-пакета (Authentication Header, АН). Данный уровень предполагает защиту заголовка передаваемого пакета. В случае использования только этого уровня собственно данные пакета передаются в открытом, незащищенном виде. Тем не менее, данный уровень наиболее оптимален в ситуации, когда конфиденциальность передаваемых данных не является критически важной. Уровень обеспечения безопасности АН позволяет гарантировать целостность данных, подтверждение подлинности их происхождения, а также защиту от повторений.
Инкапсуляция содержимого пакета (Encapsulated Security Payload, ESP). На этом уровне реализуется защита содержимого пакета путем его шифрования. На уровне обеспечения безопасности ESP гарантируется конфиденциальность передаваемых данных, их целостность, подлинность их происхождения, а также защита от повторения.

В основе работы этого протокола лежит сразу несколько криптографических алгоритмов:

системы шифрования с симметричным ключом шифрования (алгоритм DES);
системы шифрования с открытым ключом;
алгоритм открытого распределения ключей;
алгоритмы хэширования (MD5).

IP-адрес хоста. Каждый хост в среде TCP/IP должен иметь уникальный IP-адрес. Если хост имеет несколько сетевых соединений, для каждого из них (в том числе и использующих телефонные линии и подключенных к серверу удаленного доступа) должен быть выделен свой IP-адрес. Этот адрес может быть статически назначен администратором или выделен динамически службой DHCP.
Определение метода разрешения символических имен. Windows Server 2003 поддерживает четыре способа разрешения символических имен в IP-адреса: службу доменных имен (Domain Name System, DNS), службу интернет-имен Windows (Windows Internet Name System, WINS), широковещательное разрешение имен и разрешение имен с помощью файлов HOSTS и LMHOSTS.

Отдельно следует рассмотреть методы разрешения имен в. ситуации, когда клиент подключается к серверу удаленного доступа. В этом случае клиент может использовать для разрешения имен те же серверы имен WINS и DNS, что назначены серверу удаленного доступа. Разумеется, параметры стека протоколов TCP/IP и телефонного подключения хоста могут отменить эти настройки по умолчанию.
В небольших сетях, где IP-адреса изменяются крайне редко или не изменяются вообще, сетевые подключения могут использовать файлы HOSTS или LMHOSTS для разрешения имен. Поскольку эти файлы размещены на локальном диске, не требуется передавать запрос на разрешение имен серверу WINS или серверу DNS и ждать ответ на этот запрос через телефонное подключение. Как следствие, сокращается время, необходимое для подключения к требуемому ресурсу.

В современном мире информация распространяется за считанные секунды. Вот только что появилась новость, а через секунду она уже доступна на каком-либо сайте в сети интернет. Интернет считается одной из самых полезных разработок человеческого разума. Чтобы пользоваться всеми благами, которые предоставляет интернет, необходимо подключиться к этой сети.

Мало кто знает, что простой процесс посещения веб-страничек подразумевает незаметную для пользователя, сложную систему действий. Каждый переход по ссылке активирует сотни различных вычислительных операций в сердце компьютера. В их числе передачи запросов, прием ответов и многое другое. За каждое действие в сети отвечают так называемые протоколы TCP/IP. Что они собой представляют?

Любой протокол интернета TCP/IP работает на своем уровне. Иными словами, каждый занимается своим делом. Все семейство TCP/IP протоколов одновременно выполняет колоссальную работу. А пользователь в это время видит только яркие картинки и длинные строки текста.

Понятие стека протоколов

Стек протоколов TCP/IP - это организованный набор основных сетевых протоколов, который иерархическим способом разделен на четыре уровня и представляет собой систему транспортного распределения пакетов по компьютерной сети.

TCP/IP - это наиболее известный стек сетевых протоколов, который используется на данный момент. Принципы стека TCP/IP применяются как в локальных, так и в глобальных сетях.

Принципы использования адресов в стеке протоколов

Стек сетевых протоколов TCP/IP описывает пути и направления отправки пакетов. Это основная задача всего стека, выполняющаяся на четырех уровнях, которые взаимодействуют между собой протоколированным алгоритмом. Для правильной отправки пакета и его доставки ровно в ту точку, которая его запросила, была введена и стандартизирована адресация IP. Этому послужило наличие следующих задач:

Адреса различного типа, должны быть согласованы. Например преобразование домена сайта в IP адрес сервера и обратно, или преобразование имени узла в адрес и обратно. Таки образом становится возможен доступ к точке не только с помощью IP адреса, но и по интуитивному названию.
Адреса должны быть уникальны. Это вызвано тем, что в некоторых частных случаях пакет должен попасть только в одну конкретную точку.
Необходимость конфигурирования локальных вычислительных сетей.

В малых сетях, где используется несколько десятков узлов, все эти задачи выполняются элементарно, с помощью простейших решений: составление таблицы с описанием принадлежности машины и соответствующего ей IP адреса, или можно вручную раздать всем сетевым адаптерам IP адреса. Однако для крупных сетей на тысячу или две тысячи машин задача ручной выдачи адресов не кажется такой выполнимой.

Именно поэтому для сетей TCP/IP был изобретен специальный подход, который и стал отличительной чертой стека протоколов. Было введено понятие - масштабируемость.

Уровни стека протоколов TCP/IP

Здесь существует определенная иерархия. Стек протоколов TCP/IP предусматривает четыре уровня, каждый из которых обрабатывает свой набор протоколов:

Прикладной уровень : создан для обеспечения работы пользователя с сетью На этом уровне обрабатывается все то, что видит и делает пользователь. Уровень позволяет пользователю получить доступ к различным сетевым службам, например: доступ к базам данных, возможность прочитать список файлов и открыть их, отправить электронное сообщение или открыть веб-страницу. Вместе с пользовательскими данными и действиям, на этом уровне передается служебная информация.

Транспортный уровень: это механизм передачи пакетов в чистом виде. На этом уровне совершенно не имеет значения ни содержимое пакета, ни его принадлежность к какому бы то ни было действию. На этом уровне имеет значение только адрес узла отправки пакета и адрес узла, на который пакет должен быть доставлен. Как правило, размер фрагментов, передаваемых с использованием разных протоколов, может изменяться, потому на этом уровне блоки информации могут дробиться на выходе и собираться в единое целое в точке назначения. Этим обусловлена возможная потеря данных, если в момент передачи очередного фрагмента произойдет кратковременный разрыв соединения.

Транспортный уровень включает в себя много протоколов, которые делятся на классы, от простейших, которые просто передают данные, до сложных, которые оснащены функционалом подтверждения приема, или повторного запроса недополученного блока данных.

Данный уровень, предоставляет вышестоящему (прикладному) два типа сервиса:

Осуществляет гарантированную доставку, с помощью протокола ТСР.
Осуществляет доставку по возможности по протоколу UDP.

Чтобы обеспечить гарантированную доставку, согласно протоколу TCP устанавливается соединение, которое позволяет выставлять на пакетах нумерацию на выходе и подтверждать их прием на входе. Нумерация пакетов и подтверждение приема - это так называемая служебная информация. Этот протокол поддерживает передачу в режиме "Дуплекс". Кроме того, благодаря продуманному регламенту протокола, он считается очень надежным.

Протокол UDP предназначен для моментов, когда невозможно настроить передачу по протоколу TCP, либо приходится экономить на сегменте сетевой передачи данных. Также протокол UDP может взаимодействовать с протоколами более высокого уровня, для повышения надежности передачи пакетов.

Сетевой уровень или "уровень интернета": базовый уровень для всей модели TCP/IP. Основной функционал этого уровня идентичен одноименному уровню модели OSI и описывает перемещение пакетов в составной сети, состоящей из нескольких, более мелких подсетей. Он связывает соседние уровни протокола TCP/IP.

Сетевой уровень является связующим между вышестоящим транспортным уровнем и нижестоящим уровнем сетевых интерфейсов. Сетевой уровень использует протоколы, которые получают запрос от транспортного уровня, и посредством регламентированной адресации передают обработанный запрос на протокол сетевых интерфейсов, указывая, по какому адресу направить данные.

На этом уровне используются следующие сетевые протоколы TCP/IP: ICMP, IP, RIP, OSPF. Основным, и наиболее популярным на сетевом уровне, конечно же является протокол IP (Internet Protocol). Основной его задачей является передача пакетов от одного роутера к другому до тех пор, пока единица данных не попадет на сетевой интерфейс узла назначения. Протокол IP разворачивается не только на хостах, но и на сетевом оборудовании: маршрутизаторах и управляемых коммутаторах. Протокол IP работает по принципу негарантированной доставки с максимальными усилиями. Т. е., для отправки пакета нет необходимости заранее устанавливать соединение. Такой вариант приводит к экономии трафика и времени на движении лишних служебных пакетов. Пакет направляется в сторону назначения, и вполне возможно, что узел останется недоступным. В таком случае возвращается сообщение об ошибке.

Уровень сетевых интерфейсов: отвечает за то, чтобы подсети с разными технологиями могли взаимодействовать друг с другом и передавать информацию в том же режиме. Реализовано это двумя простыми шагами:

Кодирование пакета в единицу данных промежуточной сети.
Преобразование информации о месте назначения в стандарты необходимой подсети и отправка единицы данных.

Этот подход позволяет постоянно расширять количество поддерживаемых технологий построения сетей. Как только появляется новая технология, она сразу попадает в стек проколов TCP/IP и позволяет сетям со старыми технологиями передавать данные в сети, построенные с применением более современных стандартов и способов.

Единицы передаваемых данных

За время существования такого явления, как протоколы TCP/IP, установились стандартные термины по части единиц передаваемых данных. Данные при передаче могут дробиться по-разному, в зависимости от технологий, используемых сетью назначения.

Чтобы иметь представление о том, что и в какой момент времени происходит с данными, нужно было придумать следующую терминологию:

Поток данных - данные, которые поступают на транспортный уровень от протоколов вышестоящего прикладного уровня.
Сегмент - фрагмент данных, на которые дробится поток по стандартам протокола TCP.
Датаграмма (особо безграмотные произносят как "Дейтаграмма") - единицы данных, которые получаются путем дробления потока с помощью протоколов, работающих без установления соединения (UDP).
Пакет - единица данных, производимая посредством протокола IP.
Протоколы TCP/IP упаковывают IP-пакеты в передаваемые по составным сетям блоки данных, которые называются кадрами или фреймами .

Типы адресов стека протоколов TCP/IP

Любой протокол передачи данных TCP/IP для идентификации узлов использует один из следующих типов адресов:

Локальные (аппаратные) адреса.
Сетевые адреса (IP адреса).
Доменные имена.

Локальные адреса (MAC-адреса) - используются в большинстве технологий локальных вычислительных сетей, для идентификации сетевых интерфейсов. Под словом локальный, говоря о TCP/IP, следует понимать интерфейс, который действует не в составной сети, а в пределах отдельно взятой подсети. Например, подсеть интерфейса, подключенного к интернет - будет локальной, а сеть интернет - составной. Локальная сеть может быть построена на любой технологии, и независимо от этого, с точки зрения составной сети машина, находящаяся в отдельно выделенной подсети, будет называться локальной. Таким образом, когда пакет попадает в локальную сеть, дальше его IP адрес ассоциируется с локальным адресом, и пакет направляется уже на MAC-адрес сетевого интерфейса.

Сетевые адреса (IP-адреса). В технологии TCP/IP предусмотрена собственная глобальная адресация узлов, для решения простой задачи - объединения сетей с разной технологией в одну большую структуру передачи данных. IP-адресация совершенно не зависит от технологии, которая используется в локальной сети, однако IP адрес позволяет сетевому интерфейсу представлять машину в составной сети.

В итоге была разработана система, при которой узлам назначается IP адрес и маска подсети. Маска подсети показывает, какое количество бит отводится под номер сети, а какое количество под номер узла. IP адрес состоит из 32 бит, разделенных на блоки по 8 бит.

При передаче пакета ему назначается информация о номере сети и номере узла, в который пакет должен быть направлен. Сначала маршрутизатор направляет пакет в нужную подсеть, а потом выбирается узел, который его ждет. Этот процесс осуществляется протоколом разрешения адресов (ARP).

Доменные адреса в сетях TCP/IP управляются специально разработанной системой доменных имен (DNS). Для этого существуют серверы, которые сопоставляют доменное имя, представленное в виде строки текста, с IP адресом, и отправляет пакет уже в соответствии с глобальной адресацией. Между именем компьютера и IP адресом не предусмотрено соответствий, поэтому, чтобы преобразовать доменное имя в IP адрес, передающему устройству необходимо обратиться к таблице маршрутизации, которая создается на DNS сервере. Например, мы пишем в браузере адрес сайта, DNS сервер сопоставляет его с IP адресом сервера, на котором сайт расположен, и браузер считывает информацию, получая ответ.

Кроме сети интернет, есть возможность выдавать компьютерам доменные имена. Таким образом, упрощается процесс работы в локальной сети. Пропадает необходимость запоминать все IP-адреса. Вместо них можно придумать каждому компьютеру любое имя и использовать его.

IP-адрес. Формат. Составляющие. Маска подсети

IP адрес - 32-битное число, которое в традиционном представлении записывается в виде чисел, от 1 до 255, разделенных между собой точками.

Вид IP адреса в различных форматах записи:

Десятичный вид IP адреса: 192.168.0.10.
Двоичный вид того же IP адреса: 11000000.10101000.00000000.00001010.
Запись адреса в шестнадцатеричной системе счисления: C0.A8.00.0A.

Между ID сети и номером точки в записи нет разделительного знака, но компьютер способен их разделять. Для этого существует три способа:

Фиксированная граница. При этом способе весь адрес условно делится на две части фиксированной длины побайтно. Таким образом, если под номер сети отдать один байт, тогда мы получим 2 8 сетей по 2 24 узлов. Если границу сдвинуть еще на байт вправо, тогда сетей станет больше - 2 16 , а узлов станет меньше - 2 16 . На сегодняшний день подход считается устаревшим и не используется.
Маска подсети. Маска идет в паре с IP адресом. Маска имеет последовательность значений "1" в тех разрядах, которые отведены под номер сети, и определенное количество нулей в тех местах IP адреса, которые отведены на номер узла. Граница между единицами и нулями в маске - это граница между идентификатором сети и ID узла в IP-адресе.
Метод классов адресов. Компромиссный метод. При его использовании размеры сетей не могут быть выбраны пользователем, однако есть пять классов - А, В, С, D, Е. Три класса - А, В и С - предназначены для различных сетей, а D и Е - зарезервированы для сетей специального назначения. В классовой системе каждый класс имеет свою границу номера сети и ID узла.

Классы IP адресов

К классу А относятся сети, в которых сеть идентифицируется по первому байту, а три оставшихся являются номером узла. Все IP адреса, которые имеют в своем диапазоне значение первого байта от 1 до 126 - это сети класса А. Количественно сетей класса А получается совсем мало, зато в каждой из них может быть до 2 24 точек.

Класс В - сети, в которых два высших бита равны 10. В них под номер сети и идентификатор точки отводится по 16 бит. В результате получается, что количество сетей класса В в большую сторону отличается от количества сетей класса А количественно, но они имеют меньшее количество узлов - до 65 536 (2 16) шт.

В сетях класса С - совсем мало узлов - 2 8 в каждой, но количество сетей огромно, благодаря тому, что идентификатор сети в таких структурах занимает целых три байта.

Сети класса D - уже относятся к особым сетям. Он начинается с последовательности 1110 и называется групповым адресом (Multicast adress). Интерфейсы, имеющие адреса класса А, В и С, могут входить в группу и получать вдобавок к индивидуальному еще и групповой адрес.

Адреса класса Е - в резерве на будущее. Такие адреса начинаются с последовательности 11110. Скорее всего, эти адреса будут применяться в качестве групповых, когда наступит нехватка IP адресов в глобальной сети.

Настройка протокола TCP/IP

Настройка протокола TCP/IP доступна на всех операционных системах. Это - Linux, CentOS, Mac OS X, Free BSD, Windows 7. Протокол TCP/IP требует только наличия сетевого адаптера. Разумеется, серверные операционные системы способны на большее. Очень широко, с помощью серверных служб, настраивается протокол TCP/IP. IP адреса в в обычных настольных компьютерах задаются в настройках сетевых подключений. Там настраивается сетевой адрес, шлюз - IP адрес точки, имеющий выход в глобальную сеть, и адреса точек, на которых располагается DNS сервер.

Протокол интернета TCP/IP может настраиваться в ручном режиме. Хотя не всегда в этом есть необходимость. Можно получать параметры протокола TCP/IP с динамически-раздающего адреса сервера в автоматическом режиме. Такой способ используют в больших корпоративных сетях. На DHCP сервер можно сопоставить локальный адрес к сетевому, и как только в сети появится машина с заданным IP адресом, сервер сразу даст ему заранее подготовленный IP адрес. Этот процесс называется резервирование.

TCP/IP Протокол разрешения адресов

Единственный способ установить связь между MAC-адресом и IP адресом - ведение таблицы. При наличии таблицы маршрутизации каждый сетевой интерфейс осведомлен о своих адресах (локальном и сетевом), однако встает вопрос, как правильно организовать обмен пакетами между узлами, применяя протокол TCP/IP 4.

Для чего был придуман протокол разрешения адресов (ARP)? Для того, чтобы связывать семейство TCP/IP протоколов и других систем адресации. На каждом узле создается таблица соответствия ARP, которая заполняется путем опроса всей сети. Происходит это после каждого выключения компьютера.

ARP таблица

Так выглядит пример составленной ARP таблицы.

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.