IP и другие протоколы нижнего уровня

СТЕК ПРОТОКОЛОВ ТСР/IP

ЧАСТЬ II

Корпоративная сеть — это сложная система, состоящая из большого числа раз­нообразных компонентов: компьютеров, концентраторов, маршрутизаторов, ком­мутаторов, системного прикладного программного обеспечения и т. д. Основная задача системных интеграторов и администраторов сетей состоит в том, чтобы эта система как можно лучше справлялась с обработкой потока информации и позволяла пользователям решать их прикладные задачи. Прикладное программ­ное обеспечение часто обращается к службе, обеспечивающей связь с другими прикладными программами по сети. Этой службой является механизм межсете­вого обмена.

Парадигмы обработки корпоративной информации не постоянны. Приме­ром резкого изменения подхода к обработке корпоративной информации стал беспрецедентный рост популярности глобальной сети Internet за последние 2-3 года. Сеть Internet изменила способ представления информации, объединив на своих узлах все ее виды — текст, графику и звук. Транспортная система сети Internet существенно облегчила задачу построения распределенной корпоратив­ной сети.

Основой сети Internet является набор протоколов, называемый стеком прото­колов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управ­ления передачей/протокол сети Internet). Он реализует межсетевой обмен.

Основное достоинство стека протоколов TCP/IP в том, что он обеспечивает надежную связь между сетевым оборудованием от различных производителей. Протоколы TCP/IP предоставляют механизм передачи сообщений, описывают формат сообщений и указывают, как обрабатывать ошибки. Протоколы позволя­ют описать и понять процессы передачи данных независимо от типа оборудования, на котором эти процессы происходят.

История создания TCP/IP ведет свое начало с момента, когда министерства обороны США столкнулось с проблемой объединения большого числа компьютеров с различными операционными системами. В 1970 году был разработан необходимый набор стандартов. Протоколы, разработанные на базе этих стандартов, получили обобщенное название TCP/IP.

Стек TCP/IP был изначально разработан для сети Advanced Research Project Agency Network (ARPANET). ARPANET рассматривалась как экспериментальная распределенная сеть с коммутацией пакетов. Эксперимент применению TCP/IP в этой сети закончился положительно. В результате с протоколов был принят в промышленную эксплуатацию, а в дальнейшем расширялся и совершенствовался в течение нескольких лет. Позже стек адаптировали для использования в локальных сетях. В начале 1980 года протокол с составной частью операционной системы Berkley UNIX v4.2. В том же году появилась объединенная сеть Internet. Переход к технологии Internet б завершен в 1983 году, когда министерство обороны США решило, что все компьютеры, присоединенные к глобальной сети, будут использовать стек протоколов TCP/IP.

Стек TCP/IP предоставляет пользователям две основные службы, которые используют прикладные программы:

q Дейтаграммное средство доставки пакетов. Это означает, что протоколы стека TCP/IP определяют - маршрут передачи небольшого сообщения, основываясь только на адресной информации, находящейся в этом coo6щении. Доставка осуществляется без установки логического соединения. Такой тип доставки делает протоколы TCP/IP адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования;

q Надежное потоковое транспортное средство. Большинство приложений требуют от коммуникационного программного обеспечения автоматического восстановления при ошибках передачи, потери пакетов или c6оев промежуточных маршрутизаторах. Надежное транспортное средство позволяет устанавливать логическое соединение между приложениями, а затем посылать большие объемы данных по этому соединению.

Основными преимуществами стека протоколов TCP/IP являются:

q Независимость от сетевой технологии. TCP/IP не зависит от оборудования, так как он только определяет элемент передачи — дейтаграмму - описывает способ ее движения по сети;

q Всеобщая связанность. Стек позволяет любой паре компьютеров, которые его поддерживают, взаимодействовать друг с другом. Каждому компьютеру назначается логический адрес, а каждая передаваемая дейтаграмма содержит логические адреса отправителя и получателя. Промежуточные маршрутизаторы используют адрес получателя для принятия решения маршрутизации;

q Подтверждения. Протоколы стека TCP/IP обеспечивают подтверждения правильности прохождения информации при обмене между отправителем и получателем;

q Стандартные прикладные протоколы. Протоколы TCP/IP включают в свой состав средства поддержки основных приложений, таких как элект­ронная почта, передача файлов, удаленный доступ и т. д.

Резкий рост сети Internet и все большее распространение стека протоколов TCP/IP привело к выпуску серии документов, которые призваны способство­вать дальнейшему упорядоченному развитию протоколов. Организация Internet Activities Board (IAB) выпускает документы, называемые RFC (Request For Comments, обращение за разъяснением). Некоторые RFC описывают сетевые службы или протоколы и их реализацию, другие документы описывают условия применения. В RFC опубликованы стандарты TCP/IP. При этом следует иметь в виду, что стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Документы RFC первоначально публиковались в электронном виде. Доку­мент мог претерпевать несколько изменений до тех пор, пока не достигалось общее соглашение по его содержанию. Если документ при этом регламентировал какой-то аспект протокола, то ему присваивался номер. При этом каждому но­вому документу присваивается статус, указывающий на необходимость его внед­рения. Выход в свет нового документа RFC вовсе не означает, что все производители оборудования и программного обеспечения должны внедрять его в своей продукции. В приложении 2 приведено описание некоторых документов RFC и их статусов.

Содержание документов RFC делится на две части:

q Состояние стандартизации. Протокол может иметь несколько состояний:

· Стандарт на протокол утвержден;

· Стандарт на протокол предлагается к рассмотрению;

· Предлагается экспериментальный протокол;

· Протокол устарел и в настоящее время не используется;

q Статус протокола. Протокол может иметь несколько статусов:

· Протокол должен быть внедрен;

· Протокол рекомендуется для внедрения;

· Протокол может внедряться производителем по выбору;

· Протокол не рекомендуется для внедрения.

В сложной корпоративной сети при ее эксплуатации возникает масса проб­лем. Решить их функциональными возможностями одного протокола практически невозможно. Такой протокол должен был бы:

q Распознавать сбои в сети и восстанавливать ее работоспособность;

q Распределять пропускную способность сети и уменьшать поток данных при перегрузке;

q Распознавать задержки и потери пакетов и принимать контрмеры;

q Распознавать ошибки в данных и информировать о них прикладное программное обеспечение;

q Упорядочивать движение пакетов в сети.

Такое количество функциональных возможностей не может вместить ни один протокол. Поэтому был создан набор взаимодействующих протоколов, на­званный стеком. Так как стек протоколов TCP/IP был разработан до появления эталонной модели OSI, то соответствие его уровней с уровнями OSI достаточно условно. В табл. 6.1 показаны структура стека протоколов TCP/IP и соответст­вие уровней OSI и стека TCP/IP уровням модели ATM.

Таблица 6.1. Соответствие уровней стека TCP/IP уровням моделей OSI и ATM

Уровни модели OSI	Уровни модели ATM	Уровни модели TCP/IP	Протоколы
Прикладной	Нет	Уровень I: прикладной	Telnet FTP, SMTP, DNS, SNMP и т. д.
Представления	Нет
Сеансовый	Нет	Уровень II: транспортный	TCP, UDP
Транспортный	Нет
Сетевой	Уровень адаптации ATM	Уровень III: сетевой	ARP, Classical ARP, IP, Classical IP, ICMP и т.д.
Канальный	Уровень ATM	Уровень IV: сетевого интерфейса	Ethernet FDOI, Token Ring, ATM и т. д.
Физический	Физический

Теоретически, посылка сообщения от одной прикладной программы к другой означает последовательную передачу сообщения вниз по уровням стека у отпра­вителя, передачу сообщений по уровню сетевого интерфейса (уровню IV) или, в соответствии с эталонной моделью OSI, по физическому уровню, прием сообще­ния получателем и передачу его вверх по уровням. Физический уровень может быть реализован транспортными механизмами ATM. На практике, взаимодейст­вие уровней стека организовано гораздо сложнее. Каждый уровень принимает решение о правильности сообщения и производит определенное действие на ос­новании типа сообщения или адреса назначения. В структуре стека протоколов TCP/IP имеется явный «центр тяжести» — это сетевой уровень и его протокол IP. Протокол IP может взаимодействовать с несколькими протоколами более высокого уровня и несколькими сетевыми интерфейсами. То есть, на практике процесс передачи сообщений от одной прикладной программы к другой будет выглядеть следующим образом: отправитель передает сообщение, которое на уровне III протоколом IP помещается в дейтаграмму и посылается в сеть (сеть 1). На промежуточных устройствах, например маршрутизаторах, дейта­грамма передается вверх до уровня протокола IP, который отправляет ее обрат­но вниз, в другую сеть (сеть 2). Когда дейтаграмма достигает получателя, протокол IP выделяет сообщение и передает его на верхние уровни.

Структуру стека протоколов TCP/IP можно разделить на четыре уровня.

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

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

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP используется протокол IP, который создавался как раз с целью передачи инфор­мации в распределенных сетях. Достоинством протокола IP является воз­можность его эффективной работы в сетях со сложной топологией. При этом протокол рационально использует пропускную способность низкоскоростных линий связи. В основе протокола IP заложен дейтаграммный метод, который не гарантирует доставку пакета, но «стремится» к этому. Для поддержки совмест­ной работы протокола IP и технологии ATM комитетом IETF был разработан стандарт «Классический IP и ARP поверх ATM», который позволяет преобразо­вывать IP-адреса сетевого уровня в адреса ATM и передавать пакеты ТСР/IP по сети ATM. К этому уровню относятся все протоколы, которые создают, под­держивают и обновляют таблицы маршрутизации. Кроме того, на этом уровне функционирует протокол обмена информацией об ошибках между маршрутиза­торами в сети и отправителями.

Следующий уровень — транспортный (уровень II). Основной его задачей яв­ляется взаимодействие между прикладными программами. Транспортный уро­вень управляет потоком информации и обеспечивает надежность передачи. Для этого использован механизм подтверждения правильного приема с дублирова­нием передачи утерянных или пришедших с ошибками пакетов. Транспортный Уровень принимает данные от нескольких прикладных программ и посылает их более низкому уровню. При этом он добавляет дополнительную информацию к каждому пакету, в том числе контрольную сумму. На этом уровне функциони­рует протокол управления передачей данных TCP (Transmission Control Proto­col) и протокол передачи прикладных пакетов дейтаграммным методом UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает гарантированную достав­ку данных за счет образования логических соединений между удаленными при­кладными процессами. Работа протокола UDP аналогична IP, но основной его задачей является связь сетевого протокола и различных приложений.

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

Рассмотрение принципов функционирования стека протоколов TCP/IP целе­сообразно начать с протоколов уровня III. Это связанно с тем, что протоколы более высоких уровней в своей работе опираются на функциональные возмож­ности протоколов низкого уровня. Для понимания маршрутизации в корпо­ративных сетях изучение протоколов рекомендуется проводить в следующей последовательности: IP, ARP, ICMP, UDP и TCP. Это связано с тем, что для доставки информации между удаленными системами в распределенной сети ис­пользуются в той или иной степени все члены семейства TCP/IP.

Стек протоколов TCP/IP включает большое число протоколов прикладного уровня. Они выполняют различные функции, в том числе: управление сетью, передачу файлов, оказание распределенных услуг при использовании файлов, эмуляцию терминалов, передачу электронной почты и т. д. Протокол передачи файлов (File Transfer Protocol — FTP) обеспечивает пересылку файлов между компьютерными системами. Протокол Telnet эмулирует терминал. Простой про­токол управления сетью (Simple Network Management Protocol — SNMP) ис­пользуется для сообщений об аномальных условиях в сети и установления значений допустимых порогов в сети. Простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP) обеспечивает пересылку электронной почты. Эти протоколы и другие приложения используют TCP/IP.

Стек протоколов TCP/IP еще долгое время будет базовым в корпоративных сетях. Это связано с практически полным отсутствием новых приложений, спо­собных работать самостоятельно поверх сетей ATM. В этой связи в последние годы разработано и предложено к внедрению несколько различных вариантов использования стека протоколов TCP/IP в сетях ATM, иногда даже несмотря на некоторое снижение эффективности и пропускной способности сетей ATM. Например, эффективность TCP достаточно серьезно снижается из-за необходи­мости проведения фрагментации при поступлении пакета TCP/IP на уровень адаптации ATM (AAL). Необходимость преобразования пакета связана со зна­чительно большим его размером по отношению к ячейке. Резкое снижение эф­фективности сети может произойти при потере хотя бы одной ячейки. В этом случае неизбежной будет повторная передача всего пакета, что приведет к до­полнительной загрузке сети.

Стек TCP/IP — это тот сетевой и протокольный базис, на котором построен Internet. В стеке протоколов TCP/IP схема идентификации абонентов в сети аналогична физической адресации. Каждому устройству в сети присваивается уникальный 32-битный адрес, который называется IP-адресом. Он имеет вполне определенную структуру. В адрес входит идентификатор сети, к которой подсое­динено устройство, и идентификатор самого устройства, уникальный в данной сети.

Компьютеры или другие сложные сетевые устройства, подсоединенные к не­скольким физическим сетям, имеют несколько IP-адресов — по одному на каж­дый сетевой интерфейс. Можно сказать, что адрес в сети Internet назначается не отдельному устройству, а сетевому интерфейсу. Схема адресации позволяет про­водить единичную (unicast), широковещательную (broadcast) и групповую (mul­ticast) адресацию.

Широковещательная адресация позволяет обращаться ко всем устройствам в сети. В этих адресах поле идентификатора устройства заполнено единицами. IP-адресация допускает широковещательную передачу, но не гарантирует ее - эта возможность зависит от конкретной физической сети. Например, в сетях Ethernet широковещательная передача выполняется с той же эффективностью, что и обычная передача данных, но есть сети, которые вообще не поддерживают такой тип передачи или поддерживают его весьма ограниченно.

Групповая адресация используется для отправки сообщений определенным адресатам (multicasting). Поддержка групповой адресации обязательна для мно­гих приложений, например, интерактивных конференций, электронной почты и групп новостей. Для групповой передачи рабочие станции и маршрутизаторы используют протокол IGMP (Internet Group Management Protocol), который предоставляет информацию о принадлежности устройств определенным группам.

IP-адреса больших сетей в Internet определяются специальной организаци­ей - Internet Network Information Center (InterNIC). Назначение идентифи­каторов устройств не входит в компетенцию InterNIC и находится в ведении системного администратора конкретной сети. До 1 апреля 1993 г. (дата создания InterNIC) назначение IP-адресов и имен доменов DNS выполнялось организа­цией Network Information Center (NIC). В настоящее время NIC обслуживает только сети министерства обороны США — DDN (Defense Data Network). Все остальные организации, входящие в Internet, обслуживаются InterNIC.

В больших корпоративных сетях управлять IP-адресами «вручную» практи­чески невозможно. В частности, чрезвычайно сложно гарантировать уникаль­ность адресов. А назначать IP-адреса приходится достаточно часто. Например, если рабочая станция перемещается в другую подсеть, необходимо сменить ее сетевой идентификатор. Для помощи сетевому администратору в этом нелегком деле разработаны различные программные продукты и сетевые технологии.

В стек TCP/IP входит множество протоколов, отвечающих различным уровням эталонной модели OSI. В этой главе описаны все основные протоколы в порядке от низших уровней к высшим. Протокол TCP изложен в следующей главе.

Схема адресации в сетях ATM базируется на других принципах. Если в сетях IP-дейтаграмма несет всю необходимую адресную информацию, то в сети ATM ячейка проходит по заранее установленному постоянному или коммутируемому виртуальному соединению.

При постоянных виртуальных соединениях конечные станции заведомо из­вестны и не требуется использовать адресную схему.

При работе с коммутируемыми виртуальными соединениями для определения маршрута до адресата используется протокол сигнализации. В основу установ­ления коммутируемого виртуального соединения между абонентами положен принцип присвоения каждой конечной станции уникального адреса, который позволяет найти необходимого получателя, передать ему запрос на установление коммутируемого виртуального соединения, установить его и посылать данные.

Дата добавления: 2015-07-13