Протокол Internet (IP)

Сети коммутации пакетов

Настала пора поговорить об Internet именно как о сети, а не паутине линий связи и множестве приёмо-передатчиков. Казалось бы, Internet вполне аналогична телефонной сети, и модель телефонной сети достаточно адекватно отражает её структуру и работу. В самом деле, обе они электронные, обе позволяют вам устанавливать связь и передавать информацию. И Internet тоже состоит, в первую очередь, из выделенных телефонных линий.

Но, увы! Картина эта неверна и приводит ко многим заблуждениям относительно работы Internet, к множеству недоразумений. Телефонная сеть — это так называемая сеть с коммутацией линий, т.е. когда вы делаете вызов, устанавливается связь и всё время сеанса связи имеется физическое соединение с абонентом. При этом вам выделяется часть сети, которая для других уже не доступна, даже если вы молча дышите в трубку, а другие абоненты хотели бы поговорить по действительно неотложному делу. Это приводит к нерациональному использованию очень дорогих ресурсов — линий связи. Internet же является сетью с коммутацией пакетов, что принципиально отличается от сети с коммутацией каналов.

Для Internet более подходит модель, которая поначалу может не внушать доверия: почта, обыкновенная государственная почтовая служба. Почта является типичной сетью с коммутацией пакетов. Нет никакой выделенной связывающимся абонентам части этой сети.

Когда вы пользуетесь услугами почты, для доставки сообщений, вам не выделяется отдельная линия, ваше послание перемешивается с посланиями других пользователей, кидается в контейнер, пересылается в другое почтовое отделение, где снова сортируется. Хотя технологии сильно разнятся, почта является прекрасным и наглядным примером сети с коммутацией пакетов. Модель почты удивительно точно отражает суть работы и структуры Internet. Ею мы и будем пользоваться далее.

По линии связи, например по проводу, можно переслать биты только из одного его конца в другой, Internet же умудряется аккуратно передавать данные в различные точки, разбросанные по всему миру. Как она это делает? Забота об этом возложена на сетевой уровень эталонной модели ISO/OSI. В internet соответствующий уровень называется межсетевым, откуда, собственно, и происходит само название сети Internet.

Различные части Internet — составляющие сети — соединяются между собой посредством компьютеров, которые называются узлами; так сеть связывается воедино. Составляющие сети могут быть самыми разными: Ethernet, Token Ring, сети на телефонных линиях, Х.25, пакетные радиосети и т.д. Для связи расположенных далеко друг от друга составляющих сетей используются самые разные линии связи, чаще всего — выделенные линии.

Давайте вспомним про почтовую аналогию. Выделенные линии и локальные сети суть аналоги железных дорог, самолетов почты и почтовых отделений, почтальонов. Посредством их почта передвигается по сети. Узлы — аналоги почтовых отделений, где принимается V. решение, как далее пересылать ("пакеты") по сети, точно так же, как почтовый узел намечает дальнейший путь почтового конверта отправления, например письма. Отделения или узлы совсем не обязаны иметь прямые связи со всеми остальными. Этого для работы сети совсем не нужно. Сообщения пересылаются по цепочке посредством множества узлов.

Для работы такой системы требуется, чтобы каждая подстанция знала о наличествующих связях и о том, на какую из ближайших подстанций оптимально следует передать адресованный туда-то пакет. Примерно также и в Internet узлы выясняют, куда следует ваш пакет данных, решают куда его дальше отправить и отправляют.

На каждой почтовой подстанции определяется следующая подстанция, куда будет далее направлена корреспонденция, т.е. намечается дальнейший путь (маршрут) — этот процесс называется маршрутизацией. Для осуществления маршрутизации каждая подстанция имеет таблицу, где адресу пункта назначения (или индексу) соответствует указание почтовой подстанции, куда следует посылать далее этот конверт (бандероль,...). Их сетевые аналоги называются таблицами маршрутизации. Эти таблицы рассылаются почтовым подстанциям централизовано соответствующим почтовым подразделением. Время от времени рассылаются предписания по изменению и дополнению этих таблиц.

В отличие от обычной почты, в Internet таблицы маршрутизации составляются децентрализованно, — этим занимаются сами узлы, осуществляющие маршрутизацию, — они называются маршрутизаторами. Как и любые другие действия, составление и модификация таблиц маршрутизации (этот процесс является частью маршрутизации и называется так же) в internet определяются соответствующими правилами — протоколами ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routeing Information Protocol: RFC 1058, 1721-1724) и OSPF (Open Shortest Path First: RFC 1583-1585).

А откуда сеть знает, куда назначен ваш пакет данных? От вас. Если вы хотите отправить письмо и хотите, чтобы ваше письмо достигло места назначения, вы не можете просто кинуть листочек бумаги в ящик. Вам следует уложить его в стандартный конверт и написать на нём адрес получателя в стандартной форме. Только тогда почта сможет правильно обработать ваше письмо и доставить его по назначению.

Аналогично в Internet имеется набор правил по обращению с IP-пакетами, зафиксированные в соответствующих стандартах — протоколах. Протокол Internet (IP) берёт на себя заботы по адресации и доставке. Он гарантирует, что все служебные узлы, находящиеся на пути дальнейшего следования ваших данных, знают, что делать. Согласно нашей аналогии, протокол Internet работает также как правила обработки почтового конверта. В начало каждого вашего послания помещается заголовок, несущий информацию об адресате и его сети — на почтовом конверте надписывается почтовый индекс, адрес, получатель. Чтобы определить, куда доставить пакет данных, этой информации достаточно, как доставить — это уже заботы сетевого уровня.

Здесь следует хотя бы в общих чертах поговорить об адресации в Internet.

Адрес в Internet состоит из 4 байт³. При записи байты отделяются друг от друга точками: 123.45.67.89 или 3.33.33.3. (Не пугайтесь, запоминать эти цифры вам не придётся!)

В действительности адрес состоит из нескольких частей. Так как Internet есть сеть сетей, начало адреса говорит узлам Internet, частью какой из сетей вы являетесь. Правый конец адреса говорит этой сети, какой сетевой компьютер (служебный ли то узел, или хост) должен получить пакет (хотя реально не всё так просто, но идея такова). Каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный адрес, аналогично обычному почтовому адресу, а ещё точнее — индексу. Обработка пакета согласно адресу также аналогична. Почтовая служба знает, где находится указанное в адресе почтовое отделение, а почтовое отделение подробно знает подопечный район. Internet знает, где искать указанную сеть, а эта сеть знает, где в ней находится конкретный компьютер.

Числовой адрес компьютера в Internet аналогичен почтовому индексу отделения связи. Первые цифры индекса говорят о регионе (например, 45 — это Башкирия, 141 — Подмосковье и т.д.), последние две цифры — номер почтового отделения в городе, области или районе. Промежуточные цифры могут относиться как к региону, так и к отделению, в зависимости от территориального деления и вида населённого пункта. Аналогично существует несколько типов адресов Internet (типы: А, В, С, D, Е), которые по-разному делят адрес на поля номера сети и номера узла, от типа такого деления зависит количество возможных различных сетей и машин в таких сетях.

Локальные сети в своей работе используют свои собственные адреса, абсолютно независимые от Internet. Так как окончательная доставка данных на компьютер-получатель, если тот включён в Internet в составе локальной сети, осуществляется средствами самой локальной сети, то требуется способ отыскания локально-сетевого адреса компьютера по его IP-адресу. Для определения, где в локальной сети находится компьютер с данным числовым IP-адресом, локальные сети используют специальные протоколы, учитывающие специфику этих сетей. Например, Ethernet для отыскания Ethernet-адреса по IP-адресу компьютера, находящегося в данной сети, использует протокол ARP — Address Resolution Protocol — протокол разрешения (в смысле различения) адресов.

Само описание ARP можно прочитать в RFC 826, 917, 925, 1027.

Мы говорили о пересылке данных. Продолжим.

На объёмы информации, пересылаемой в Internet, не накладывается никаких ограничений, но на сетевом уровне по ряду причин (особенно, — практических, из-за ограничений оборудования, соображений оперативности) информация, пересылаемая по сетям IP, делится на части (по границам байтов), раскладываемые в отдельные пакеты. Объём информации внутри пакета обычно составляет от 1 до 1500 байт. Это препятствует монополизации линий связи каким-либо пользователем и блокировке работы всех остальных, предоставляет всем примерно равные права и возможности.

Это же способствует повышению эффективности использования линий связи. Если во время телефонного разговора у вас возникают паузы, то линия связи используется фактически впустую. А в IP-сетях (точнее — во всех сетях коммутации пакетов), до ваших пауз никому до того никакого дела нет — линия связи постоянно загружена, по ней вперемешку одновременно пересылаются пакеты тысяч пользователей, поэтому ваше молчание лишь ускоряет передачу данных других абонентов. Это же сильно снижает финансовую нагрузку на каждого отдельного пользователя. Поэтому же, чем больше людей одновременно работает в сети, тем медленнее сеть обслуживает каждого из них. Следует подчеркнуть, что работа в таких случаях может замедляться, но блокироваться — никогда!

Конечно, такая эффективность использования линий связи требует применения специальной технологии, компьютеров и т.д. Сети коммутации пакетов имеют свои маленькие минусы: для пересылки информации требуется работа узловых компьютеров, которые должны хоть немного времени уделить каждому пакету; система откликается с задержкой чуть большей, чем в сетях коммутации каналов. Но все эти минусы с лихвой перекрываются огромными вышеописанными преимуществами.

Вернёмся к нашей аналогии. Почта пересылает каждое ваше письмо независимо от других ваших почтовых отправлений. Точно так же в Internet каждый IP-пакет пересылается отдельно, независимо от других, таким образом, IP-пакет является самостоятельным сообщением. Это типичная дейтаграмма, т.е. протокол IP является дейтаграммным протоколом. Это совершенно не укладывается в эталонную модель ISO/OSI, в рамках которой уже сетевой уровень способен работать по методу виртуальных каналов.

Одно из основных достоинств Internet является прямым продолжением этого "недостатка" (несоответствия эталонной модели) — это достоинство состоит в том, что в принципе протокола IP самого, но себе уже вполне достаточно для работы. Как только данные помещаются в оболочку IP, сеть имеет всю необходимую информацию для передачи их с исходного компьютера получателю. Эта достаточность является гарантией того, что любой компьютер, неважно каков он (Apple, PDP, VAX, IBM, Sun, Cray и т.д.), умеющий работать с IP, может включиться в Internet. Именно эта открытость и демократичность и привела к фантастической популярности Internet, к её экспоненциальному росту.

Следует, однако, заметить, что работать вручную непосредственно с IP совершенно неудобно. Для этого сначала следует разобраться с некоторыми жизненно важными проблемами, которые имеют место при пересылке информации.

• Надо научиться пересылать большие, чем 1500 символов, массивы информации. Если этого не сделать, сеть будет напоминать почту, которая пересылает только открытки и отказывается от пересылки писем, не говоря уже о чём-либо большем. Если бы почта была такой, мы бы лишились увлекательнейшего литературного жанра — эпистолярного. Да и с практической точки зрения она не представляла бы большого интереса.

• Надо обеспечить надёжность пересылки информации. Как вы сами прекрасно знаете, связь не отличается безгрешностью. Случаются и неудачи. Почта любит терять письма. Сеть тоже, бывает, теряет пакеты или искажает в пути информацию в них. Вы бы хотели, чтобы Internet была похожа на почту? Никто этого не хочет, поэтому надо научить Internet с честью выходить из таких затруднительных положений.

• Пакеты могут приходить в последовательности, отличной от исходной. Пара писем, отправленных друг за другом на днях, не всегда приходит к получателю в том же порядке. Это имеет место в любых сетях коммутации пакетов с большим числом узлов. То же верно и для Internet. Поэтому следует сообразить некий механизм для восстановления исходной последовательности.

Итак, следующий уровень Internet должен обеспечить способ пересылки больших массивов информации и позаботиться об "искажениях", которые могут возникать по вине сети.

Подробнее о самом IP читайте в RFC 760, 781, 791, 815..

Дата добавления: 2014-01-07