Основываясь на этих трех объектах, разработчики выбрали четырехуровневую модель:
1. Уровень сетевого интерфейса (Network interface layer).
2. Уровень межсетевого интерфейса – интернета [1] (Internet layer).
3. Транспортный уровень (Host-to-host Layer).
4. Уровень приложений/процессов (Application/process layer).
Сопоставление сетевых моделей OSI и TCP/IP
Нетрудно заметить, что модель TCP/IP отличается от модели OSI. В табл. 3.4 показано соответствие модели TCP/IP и модели OSI.
Таблица 3.4. Соответствие модели TCP/IP и модели OSI
Как видно из таблицы, уровень сетевого интерфейса сетевой модели TCP/IP соответствует сразу двум уровням сетевой модели OSI, а уровень приложений сетевой модели TCP/IP – трем уровням сетевой модели OSI.
Сетевые протоколы
В этом разделе мы рассмотрим различные сетевые протоколы, используемые в современной компьютерной индустрии.
Семейство протоколов TCP/IP
Семейство протоколов TCP/IP включает следующие протоколы:
• межсетевой протокол (Internet Protocol – IP, протокол интернета) – соответствует уровню интернет-модели TCP/IP. Отвечает за передачу данных с одного хоста на другой;
• межсетевой протокол управления сообщениями (Internet Control Message Protocol, ICMP) – отвечает за низкоуровневую поддержку протокола IP, включая подтверждение получения сообщения, сообщения об ошибках и многое другое;
• протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol, ARP) – выполняет преобразование логических сетевых адресов в аппаратные МАС-адреса (Media Access Control). Соответствует уровню сетевого интерфейса;
• протокол пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol, UDP) – обеспечивает пересылку данных без проверки с помощью протокола IP;
• протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) – обеспечивает пересылку данных (с созданием сессии и проверкой передачи данных) с помощью протокола IP;
• множество протоколов уровня приложений (FTP, Telnet, IMAP, SMTP и др.).
Схема протоколов семейства TCP/IP представлена в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Схема семейства протоколов TCP/IP
Протоколы межсетевого уровня (интернет)
Протоколы межсетевого уровня (интернет) являются базовыми протоколами в семействе протоколов TCP/IP. Это протоколы TCP/IP, ARP/RARP и ICMP.
Протокол IP
Первоначальный стандарт IP разработан в конце 1970-х годов и не был рассчитан на огромное количество хостов, которое сейчас находится в Интернете. Поэтому в настоящее время утвержден новый стандарт IP (в литературе часто старый стандарт встречается как IPv4, а новый – как IPv6). Однако массового применения он пока не нашел из-за огромного количества программных и аппаратных средств, не способных работать с IPv6, поэтому мы здесь будем рассматривать, в основном, протокол IPv4.
Формат пакета IPv4
Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля:
• поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6;
• поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP. Занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байтов в поле Резерв (IP OPTIONS);
• поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т – для максимизации пропускной способности, а бит R – для максимизации надежности доставки;
• поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных;
• поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля;
• поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment, DF – запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments, MF – говорит о том, что пакет переносит промежуточный фрагмент);
• поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 битов, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета;
• поле Время жизни (TIME ТО LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица, единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). По истечении времени жизни пакет аннулируется;
• поле Идентификатор протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP);
• поле Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку;
• поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину – 32 бита и одинаковую структуру;
• поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. Так как число подпол ей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байтов для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.
Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие, как максимальный размер поля данных кадра, в который должен разместить свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки – MTU (Maximum Transfer Unit). К примеру, сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байтов, сети FDDI – 4096 байтов.
IP-маршрутизаторы не собирают фрагменты пакетов в более крупные пакеты, даже если на пути встречается сеть, допускающая такое укрупнение. Это связано с тем, что отдельные фрагменты сообщения могут перемещаться в интерсети по различным маршрутам.
При приходе первого фрагмента пакета узел назначения запускает таймер, который определяет максимально допустимое время ожидания прихода остальных фрагментов этого пакета. Если время истекает раньше прибытия последнего фрагмента, то все полученные к этому моменту фрагменты пакета отбрасываются, а в узел, пославший исходный пакет, с помощью протокола ICMP направляется сообщение об ошибке.
Протокол IPv6
Основные причины, из-за которых разрабатывался IPv6:
• протокол IPv4 разрабатывался в конце 1970-х годов с учетом существовавшей на тот момент сетевой инфраструктуры и аппаратного обеспечения. С того времени производительность массовых компьютеров увеличилась в десятки раз, и во столько же увеличилась пропускная способность сетей;
• появление приложений, использующих Интернет для передачи данных в реальном времени (звук, видео). Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, т. к. такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью этих приложений является передача очень больших объемов информации. Однако в IPv4 не предусмотрено специального механизма резервирования полосы пропускания или механизма приоритетов;
• бурное развитие сети Интернет. Наиболее очевидным следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Интернета, определяемого полем адреса IP в четыре байта. Конечно, были разработаны механизмы компенсации нехватки адресов, однако это не решает проблему.
Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF (Internet Engineering Task Force, группа решения задач межсетевого взаимодействия). В предложении IETF протокол IPv6 оставляет неизменными основные принципы IPv4. К ним относятся датаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов (хоп – количество пересылок пакета от одного сетевого интерфейса к другому, иногда называется временем жизни пакета) для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом:
