Протоколы сети Internet

Структура стека протоколов TCP/IP несколько отличается от модели OSI. В нем выделяется 4 уровня – сетевых интерфейсов, межсетевого взаимодействия(Internet), транспортный и уровень приложений.

Уровень сетевых интерфейсов отвечает за то, как именно IP-пакеты передаются сетями разных базовых технологий, называемых в терминологии стека TCP/IP локальными. Термин “локальная” в этом контексте означает только то, что данная технология применяется в отдельной сети, и не имеет отношения к понятиям “локальная сеть”(LAN)/”глобальная сеть”(WAN), как они применяются к базовым сетевым технологиям. Internet изначально создавался как “сеть сетей”, он объединяет на базе единого сетевого протокола сети самых разных базовых технологий, в этом смысле технологии, на которых построены отдельные объединяемые сети – локальные. В первом приближении можно считать, что он соответствует двум нижним уровням модели OSI – физическому и канальному. Но следует учитывать, что базовые технологии, на которых построены отдельные сети, сами могут быть достаточно сложными, например, ATM включает сетевой уровень и даже элементы транспортного. Уровень сетевых интерфейсов в это не вникает, он определяет инкапсуляцию пакетов в кадры или пакеты самого высокого уровня базовой технологии и пользуется ей как технологией уровня канала данных.

Межсетевой уровень обеспечивает объединение разнородных сетей в единую сеть под управлением протокола IP (Internet Protocol). Соответствует сетевому уровню модели OSI. Реализуется средствами как ПК, так и сети (маршрутизаторами). Межсетевой уровень отвечает, в частности, за адресацию, т.е. гарантирует, что маршрутизатор знает, что делать с вашими данными, когда они поступят. Единица данных, с которой оперирует протокол IP, называется пакетом. Адресная информация приводится в начале каждого пакета, в его заголовке. Она даёт сети достаточно сведений для доставки пакета данных по назначению. Каждый пакет перемещается по сети независимо от других пакетов, принадлежащих тому же соединению, и, в общем случае, пакеты одного сообщения могут доставляться по разным маршрутам.

Internet-адреса имеют единый формат для всей сети, независимо от систем адресов локальных сетей. 32-битный IP-адрес обычно записывается в виде четырёх десятичных чисел, каждое из которых не превышает 255. Каждое число представляет один из 4-х байт адреса. В годы становления протоколов стека TCP/IP термин «байт» не был общепринятым, поэтому в документах Internet байт часто называется октетом. При записи числа отделяются одно от другого точками, например:

Адрес фактически состоит из нескольких частей. Поскольку Internet – это сеть сетей, то начало адреса содержит информацию для маршрутизаторов о том, к какой сети относится Ваш компьютер. Правая часть адреса служит для того, чтобы сообщить сети, какой компьютер должен получить этот пакет. Каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный адрес. Internet выполнила свою задачу, когда ее маршрутизаторы направили данные в соответствующую сеть, а эта локальная сеть – в соответствующий компьютер. В документах Internet маршрутизатор обычно называется шлюзом (Gateway), поскольку изначально ставилась задача объединения разнородных сетей. В настоящее время термин «шлюз» обычно используется для обозначения устройства, объединяющего совсем разнородные сети, например «шлюз IP-телефонии» – телефонную сеть с коммутацией каналов и IP-сеть с коммутацией пакетов. Поэтому мы будем пользоваться термином «маршрутизатор», но помнить о таком употреблении термина «шлюз» следует.

Для решения этой задачи маршрутизатор (и конечный узел тоже) должен, таким образом, во-первых, знать, кому (конечному узлу, либо следующему маршрутизатору) направить поступивший пакет. Во вторых, поскольку пакеты передаются через локальную сеть, имеющую свою, отличную от Internet, систему адресации, он должен знать, как преобразовать Internet-адрес в локальный адрес. Решение первой задачи обеспечивают протоколы обмена маршрутной информацией, часто называемые просто протоколами маршрутизации (на рисунке они не показаны, поскольку их много). Вторая задача решается протоколом разрешения адресов ARP, а протокол RARP решает обратную задачу – отыскание сетевого адреса по известному локальному адресу. Кроме того, к межсетевому уровню относится протокол контрольных сообщений ICMP, который служит для информирования узлов и маршрутизаторов о различных нештатных ситуациях в сети. Следует учесть, что поскольку протокол IP является универсальным “транспортным средством” сети Internet, ICMP сообщения, как и сообщения протоколов маршрутизации, передаются по сети в IP-пакетах, таким образом, формально они выглядят как протоколы более высокого, чем IP, уровня, хотя фактически они обеспечивают функционирование протокола IP.

Информация, посылаемая по локальным сетям, составляющим IP-сеть, разбивается на порции, называемые кадрами или пакетами. По целому ряду технических причин (в основном это аппаратные ограничения), максимальный размер кадра или пакета в разных сетях может быть различным. Поскольку в общем случае отправителю неизвестно, через какие сети будет передаваться пакет, может случиться, что размер отправленного пакета превосходит максимально возможную длину кадра какой-либо из транзитных сетей. В этом случае маршрутизатор использует динамическую фрагментацию, то есть разборку пакета на меньшие по размеру пакеты - фрагменты. Каждый фрагмент при этом снабжается информацией, которая позволит получателю правильно собрать исходный пакет из фрагментов.

Транспортный Уровень реализуется протоколом TCP (Transmission Control Protocol), «протокол управления передачей» который часто упоминают вместе с протоколом IP, в том числе в названии стека, и протоколом UDP (user datagram protocol) «протокол пользовательских дейтаграмм».

Протокол TCP обеспечивает надежную доставку потока пользовательских данных. Информацию, которую Вы хотите передать, ТСР разбивает на порции, называемые в терминологии TCP сегментами. Каждая порция нумеруется, чтобы можно было проверить, вся ли информация получена, и расположить данные в правильном порядке. Сегмент ТСР, в свою очередь, помещается в пакет IP и передается в сеть.

На принимающей стороне программное обеспечение протокола ТСР собирает сегменты, извлекает из них данные и располагает их в правильном порядке. Если каких-нибудь сегментов нет, программа просит отправителя передать их еще раз. После размещения всей информации в правильном порядке эти данные передаются той прикладной программе, которая использует услуги ТСР.

В реальной жизни пакеты не только теряются, но и претерпевают изменения по дороге ввиду кратковременных отказов в линиях связи. Не все локальные технологии проверяют правильность переданных данных средствами канального или сетевого уровня. Протокол IP проверяет только корректность заголовка пакета, но не поля данных. ТСР решает и эту проблему. При помещении данных в сегмент производится вычисление контрольной суммы, а на приеме контрольная сумма вычисляется повторно, при несовпадении пакет считается принятым с ошибкой и отбрасывается.

Более простой «протокол пользовательских дейтаграмм» (User Datagram Protocol, UDP) также используется в некоторых прикладных программах. Вместо вкладывания Ваших данных в “конверт” TCP и помещения этого конверта в пакет IP прикладная программа вкладывает данные в “конверт” UDP, называемый обычно датаграммой, который и помещается в пакет IP. В отличии от ТСР, передающего поток данных, каждая датаграма составляет законченное сообщение. UPD проще ТСР, потому что этот протокол не заботится о пропавших пакетах, расположении данных в правильном порядке и других тонкостях. Если это требуется, то это дело приложения, использующего UDP. UDP используется для программ, которые посылают только короткие сообщения, и могут повторить передачу данных, если ответ задерживается, либо нечувствительны к потерям отдельных датаграмм. Кроме того, протокол TCP ориентирован на соединение «один к одному», и непригоден поэтому для посылки данных по схеме «один к многим», в этом случае также используется протокол UDP.

Транспортный уровень, таким образом, соответствует транспортному уровню модели OSI.

Высшие уровни модели OSI реализуются прикладными программами, и образуют уровень приложений. Сюда относятся и известные всем протоколы обмена гипертекстовой информацией HTTP, электронной почты POP3 и SMTP, пересылки файлов FTP. Сюда же относятся и менее известные, как протокол удаленного управления Telnet, либо остающиеся “в тени”, как протокол преобразования символьных имен в адреса DNS, и многие другие. Полный список протоколов этого уровня весьма обширен и все время пополняется.

Стандарты стека TCP/IP доступны в сети Internet как документы RFC (Request For Comments). Такое название обусловлено процедурой их принятия. Предложение в виде RFC размещается в Internet, обсуждается, уточняется, затем становится стандартом. Возможен, разумеется, и другой вариант – после обсуждения предложение отвергается и соответствующий RFC удаляется из Internet. В некоторых случаях, зависящих от руководящих органов Internet, RFC, хотя бы и ставшее стандартом de facto, не приобретает юридический статус стандарта Internet. Общее число RFC в настоящее время превышает 4000. Следует учесть, что хотя все стандарты TCP/IP являются RFC, не каждый RFC является стандартом TCP/IP. Часто RFC используются, например, для того, чтобы обратить внимание на какую-то проблему, не предлагая варианта ее разрешения. Список протоколов и соответствующих им RFC (неполный), приведен в таблице.

Протокол	Описание	RFC
ARP	Address Resolution Protocol
BFTP	Background File Transfer Protocol
BGP	Border Gateway Protocol (внешний протокол маршрутизации)	1105,1265-68, 1397, 1654-56
BOOTP	Bootstrap Protocol (протокол загрузки)	951,1048,1084
CIDR	Classless Inter-Domain Routing protocol	1519,1520
CLNP	Connection Less Network Protocol (ISO-8474)	1526,1561,1575
CLOCK	DCNET Time Server Protocol
CMOT	Common Management Information Service and Protocol over TCP/IP
DNS	Domain Name Service (система распознавания имен доменов)	1713, 1712, 1612, 1611, 1383
DOMAIN	Domain Name System (DNS)	1034, 1035, 1032, 974
DVMRP	Distance Vector Multicast Routing Protocol
ECHO	Эхо протокол
EGP	Exterior Gateway Protocol	904, 911, 1092, 1093
FINGER	Finger-протокол	1288,724
FTP	File Transfer Protocol (протокол пересылки файлов)
HEMP	High level Entity Management Protocol
HEMS	High level Entity Management System
HMP	Host Monitoring Protocol
GGP	Gateway to Gateway Protocol
ICMP	Internet Control Message Protocol	792,950,1256
IDRP	Inter-Domain Routing Protocol	1477,1479
IGMP	Internet Group Multicast Protocol
IGP	Interior Gateway Protocol	1074,1371
IP	Internet протокол
	IP субсети
	IP широковещательные дейтограммы
	то же для субсетей
IP-ARC	Internet протокол для Arcnet
IP-E	Internet протокол для Ethernet
IP-FDDI	Передача IP через FDDI
IPM	Internet-протокол для сообщений
IRC	Internet Relay Chat
IS-IS	OSI-междоменный протокол маршрутизации	1195,1142
MAIL	Формат сообщений электронной почты	822, 821, 1351,1352
MIB-II	Management Information Base-II
MIME	Multipurpose Internet Mail Extensions	1521,1522
NETBIOS	NetBIOS Service Protocols	1001,1002
NETRJE	Network Remote Job Entry Program	740,725
NETRJS	Network Remote Job Service	477,436
NFS	Network File System (сетевая файловая система)
NNTP	Network News Transfer Protocol
NTP	Network Time Protocol	1119,1128-29
NUMBERS	Assigned Numbers
OSPF	Open Shortest Pass First Protocol (внутренний протокол маршрутизации)	1131, 1245 -48, 1253, 1370, 1583-87
PCMAIL	PVmail Transport Protocol
POP	Post Office Protocol	937, 1081, 1082, 1460
RAP	Router-Access Protocol
PPP	Point-to-Point Protocol
RARP	Reverse Address Resolution Protocol
RDP	Reliable Data Protocol
RIP	Routing Information Protocol (внутренний протокол маршрутизации)	1058, 1387, 1389, 1581, 1582,1388
RLP	Resource Location Protocol
RPC	Remote Procedure Call Protocol	1057,1050
SFTP	Simple File Transfer Protocol
SLIP	Serial Line IP (IP по последовательной линии)
SMI	Structure of Management Information
SMTP	Simple Mail Transfer Protocol SMTP через X.25	821, 1090
SNMP	Simple Network Management Protocol SNMP в Ethernet	1157, 1089
TCP	Transmission Control Protocol
TELNET	Протокол удаленного доступа	854,856-861, 885, 927, 933, 946, 1041, 1043, 1053, 1073, 1079, 1093, 1096, 1097, 1143, 1184, 1205, 1372, 1411, 1412, 1416, 1571, 1572
TFTP	Trivial File Transfer Protocol
UDP	User Datagram Protocol
USERS	Протокол активных пользователей
UUCP	Электронная почта под UNIX
VFIP	Voice File Interchange Protocol
VMTP	Versatile Message Transfer Protocol
XDR	EXternal Data Representation
X-Windows	Системный протокол X-Windows	1198,1013

[1] Как бы это не напоминало известный анекдот о славянском бизнесе – «украдем ящик водки, продадим по дешевке, а вырученные деньги пропьем» – в некоторых случаях такой подход вполне целесообразен. Например, протокол PPP допускает передачу сжатых и зашифрованных датаграмм. Все сжатые и все зашифрованные датаграммы имеют единый тип «сжатая» или «зашифрованная» датаграмма соответственно – это разумно, потому что все они должны обрабатываться единым образом. Но после того, как исходный вид датаграммы восстановлен, возникает проблема ее интерпретации. Для этого используется усеченный вариант того же PPP‑протокола. Другой пример будет рассмотрен при изучении протокола IP (инкапсуляция IP в IP).