Какой протокол стека tcp ip используется для передачи сообщений об ошибках

Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую. Чтобы обеспечить такую возможность, был разработан стек интернет-протоколов, известный как TCP/IP.

Разработка сетевой модели осуществлялась при содействии Министерства обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:

Уровневая модель TCP/IP

Выше мы уже упоминали, что модель TCP/IP разделена на уровни, как и OSI, но отличие двух моделей в количестве уровней. Документами, определяющими сертификацию модели, являются RFC 1122 и RFC1123. Эти стандарты описывают четыре уровня абстракции модели TCP/IP: прикладной, транспортный, межсетевой и канальный. Существуют и другие версии описания модели, в том числе включающие иное количество уровней и их наименований. Однако в этой статье мы придерживаемся оригинальной версии и далее рассмотрим четыре уровня модели.

Канальный уровень (link layer)

Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.

Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, который мы рассмотрим в конце статьи.

Межсетевой уровень (internet layer)

Глобальная сеть интернет состоит из множества локальных сетей, взаимодействующих между собой. Межсетевой уровень используется, чтобы описать обеспечение такого взаимодействия.

Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.

Именно на межсетевом уровне функционирует протокол IP, позволивший объединить разные сети в глобальную. Как и протокол TCP, он дал название модели, рассматриваемой в статье.

Маска подсети и IP-адреса

Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.

Протокол IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Протокол имеет две действующие версии, первая из которых — IPv4 (IP version 4, версии 4) — была описана в 1981 году.

IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2^32). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает класс сети, классов всего 5: A, B, C, D, E. Gри этом адреса сети D являются мультикастовыми, а сети E вообще не используются.

Рассмотрим, например, IPv4 адрес класса С 223.135.100.7. Первые три октета определяют класс и номер сети, а последний означает номер конечного устройства. Например, если необходимо отправить информацию с компьютера номер 7 с IPv4 адресом 223.135.100.7 на компьютер номер 10 в той же подсети, то адрес компьютера получателя будет следующий: 223.135.100.10.

В связи с быстрым ростом сети интернет остро вставала необходимость увеличения числа возможных IP-адресов. В 1995 году впервые был описан протокол IPv6 (IP version 6, версии 6), который использует 128-битные адреса и позволяет назначить уникальные адреса для 2^128 устройств.

IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:

2dab:ffff:0000:0000:01aa:00ff:dd72:2c4a.

Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по определенным правилам, которые также описываются RFC:

• Для написания адреса используются строчные буквы латинского алфавита: a, b, c, d, e, f.
• Ведущие нули допускается не указывать — например, в адресе выше :00ff: можно записать как :ff:.
• Группы нулей, идущие подряд, тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие. На примере выше это выглядит так: 2dab:аааа::01aa:00ff:dd72:2c4a. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6 на наибольшей последовательности нулей. Если одинаково длинных последовательностей несколько — на самой левой из них.

IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации. Он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.

IP способен инкапсулировать другие протоколы, предоставлять место, куда они могут быть встроены. К таким протоколам, например, относятся ICMP (межсетевой протокол управляющих сообщений) и IGMP (межсетевой протокол группового управления). Информация о том, какой протокол инкапсулируется, отражается в заголовке IP-пакета. Так, ICMP будет обозначен числом 1, а IGMP будет обозначен числом 2.

ICMP

ICMP в основном используется устройствами в сети для доставки сообщений об ошибках и операционной информации, сообщающей об успехе или ошибке при связи с другим устройством. Например, именно с использованием ICMP осуществляется передача отчетов о недоступности устройств в сети. Кроме того, ICMP используется при диагностике сети — к примеру, в эксплуатации утилит ping или traceroute.

ICMP не передает какие-либо данные, что отличает его от протоколов, работающих на транспортном уровне — таких как TCP и UDP. ICMP, аналогично IP, работает на межсетевом уровне и фактически является неотъемлемой частью при реализации модели TCP/IP. Стоит отметить, что для разных версий IP используются и разные версии протокола ICMP.

Транспортный уровень (transport layer)

Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.

TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум конечным устройствам производить обмен пакетами через предварительно установленное соединение. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.

UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.

UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.

Протоколы транспортного уровня не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.

Прикладной уровень (application layer)

В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний, содержащим сведения о том, как приложения взаимодействуют между собой. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.

Протоколы прикладного уровня действуют для большинства приложений, они предоставляют услуги пользователю или обмениваются данными с «коллегами» с нижних уровней по уже установленным соединениям. Здесь для большинства приложений созданы свои протоколы. Например, браузеры используют HTTP для передачи гипертекста по сети, почтовые клиенты — SMTP для передачи почты, FTP-клиенты — протокол FTP для передачи файлов, службы DHCP — протокол назначения IP-адресов DHCP и так далее.

Зачем нужен порт и что означает термин «сокет»

Приложения прикладного уровня, общаются также с предыдущим, транспортным, но они видят его протоколы как «черные ящики». Для приема-передачи информации они могут работать, например, с TCP или UDP, но понимают только конечный адрес в виде IP и порта, а не принцип их работы.

Как говорилось ранее, IP-адрес присваивается каждому конечному устройству протоколом межсетевого уровня. Но обмен данными происходит не между конечными устройствами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP-адреса, поэтому для идентификации приложений применяют также порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом, или гнездом (socket).

Кроме собственных протоколов, приложения на прикладном уровне зачастую имеют и фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.

Так почтовые приложения, которые общаются по SMTP-протоколу, используют порт 25, по протоколу POP3 — порт 110, браузеры при работе по HTTP — порт 80, FTP-клиенты — порт 21. Порт всегда записывается после IP и отделяется от него двоеточием, выглядит это, например, так: 192.168.1.1:80.

Что такое DNS и для чего используется эта служба

Чтобы не запоминать числовые адреса интернет-серверов была создана DNS — служба доменных имен. DNS всегда слушает на 53 порту и преобразует буквенные имена сетевых доменов в числовые IP-адреса и наоборот. Служба DNS позволяет не запоминать IP — компьютер самостоятельно посылает запрос «какой IP у selectel.ru?» на 53 порт DNS-сервера, полученного от поставщика услуг интернет.

DNS-сервер дает компьютеру ответ «IP для selectel.ru — XXX.XXX.XXX.XXX». Затем, компьютер устанавливает соединение с веб-сервером полученного IP, который слушает на порту 80 для HTTP-протокола и на порту 443 для HTTPS. В браузере порт не отображается в адресной строке, а используется по умолчанию, но, по сути, полный адрес сайта Selectel выглядит вот так: https://selectel.ru:443.

Для обеспечения корректной работы протоколов различных уровней в сетевых моделях используется специальный метод — инкапсуляция. Суть этого метода заключается в добавлении заголовка протокола текущего уровня к данным, полученным от протокола вышестоящего уровня. Процесс, обратный описанному, называется декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.

Стек протоколов, снова канальный уровень

О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего. Давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и что значит «стек».

Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet, называется фреймом, или кадром (frame).

MAC-адрес каждого устройства уникален, и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать. Совпадение может привести к сетевым проблемам. Таким образом, при получении кадра сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации и ее дальнейшей обработкой.

После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

Point-to-Point протоколы

Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе, также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).

У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.

PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.

Заключение

Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.

Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.

Что такое TCP/IP?

TCP/IP расшифровывается как Transmission Control Protocol / Internet Protocol и представляет собой набор протоколов связи, используемых для соединения сетевых устройств в Интернете. TCP/IP также используется в качестве протокола связи в частной компьютерной сети (интранете или экстранете).

Весь набор (stack) протоколов TCP/IP — это не только два основных протокола: TCP и IP, но и другие, добавленные позже. Сначала, в ходе разработки по заказу Министерства обороны США, это были действительно только два протокола, но потом, в ходе приспсобления TCP/IP для мультимедийных услуг, к ним добавились и другие. Называлось все это по прежнему TCP/IP. Набор протоколов TCP/IP тауже выролняет роль абстракции между интернет-приложениями и аппаратной инфраструктурой маршрутизации и коммутации.

TCP/IP определяет, как данные передаются через сеть Интернет, обеспечивая сквозную связь (end-to-end communication), а также он определяет, как данные должны быть разбиты на пакеты, адресованы, переданы, маршрутизированы и получены в пункте назначения. TCP/IP работает автономно, хотя требует небольшого централизованного административного управления и предназначен для обеспечения надёжности сетей с возможностью автоматического восстановления после сбоя любого устройства в сети, или выхода из строя любой части сети.

Функции протоколов IP и TCP

Протокол TCP определяет, как приложения могут создавать каналы связи (links) в сети. Он также управляет тем, как сообщение разбивается на небольшие пакеты, прежде чем они будут переданы через Интернет и повторно собраны в правильном порядке по адресу назначения.

Протокол IP определяет, как адресовать и маршрутизировать каждый пакет, чтобы убедиться, что он достиг нужного места назначения. Каждый сетевой элемент (маршрутизатор, коммутатор и пр.) проверяет адрес полученного IP-пакета, чтобы определить, куда дальше пересылать сообщение (полезную нагрузку) содержащуюся в нём.

Маска подсети (subnet mask) сообщает компьютеру или другому сетевому устройству, какая часть IP-адреса используется для представления сети, а какая — для представления хостов или других устройста в сети.

Трансляция сетевых адресов NAT (Network Address Translation) помогает повысить безопасность и уменьшить количество внешних IP-адресов, необходимых организации.

Общие протоколы TCP/IP включают следующие:

• Протокол передачи гипертекста (HTTP) управляет обменом данными между веб-сервером и веб-браузером.
• Его разновидность HTTP Secure (https) обеспечивает безопасную связь между веб-сервером и веб-браузером.
• Протокол передачи файлов FTP (File Transfer Protocol) обрабатывает передачу файлов между компьютерами.

Как работает TCP / IP?
TCP / IP использует модель взаимодействия «клиент-сервер», в которой пользователю или компьютеру клиента предоставляется некая услуга, например, отправка веб-страницы, компьютером сервера в сети.

Набор протоколов TCP/IP относиься к классу не имеющих состояния (stateless), что означает, что каждый клиентский запрос считается новым, поскольку он не связан с предыдущими запросами. Отсутствие состояния позволяет любые сетевые пути, чтобы их можно было использовать постоянно и для других запросов.

Однако транспортный уровень сети работает с сохранением состояния (stateful). Он передаёт сообщение и установленное им соединение не разрывается, пока все пакеты в сообщении не будут получены и собраны в нужном порядке месте назначения.

Модель TCP/IP немного отличается от семиуровневой сетевой модели взаимодействия открытых систем (OSI), разработанной позже. Эталонная модель OSI определяет, как приложения могут взаимодействовать по сети.

Почему так важен TCP/IP?
TCP/IP не является чей-то интеллектуальной собственностью и, как следствие, не контролируется какой-либо отдельной компанией или организацией. Таким образом, структура пакета IP может быть легко изменена. TCP/IP совместим со всеми операционными системами (ОС), поэтому может взаимодействовать с любой из них, также взаимодействие разных ОС разных компьютеров между собой. Пакеты IP также совместимы со всеми типами компьютерного оборудования и сетей.

TCP/IP обладает высокой масштабируемостью и, как протокол с маршрутизацией, может определять наиболее эффективный путь передачи пакета в сети. Он широко используется в современной архитектуре Интернета.

4-х уровневая модель TCP / IP

Функциональность TCP / IP разделена на четыре уровня, каждый из которых включает определённые протоколы:

• Уровень приложений предоставляет приложениям стандартизированный обмен данными. Его протоколы включают HTTP, FTP, POP3 (Post Office Protocol 3), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и SNMP (Simple Network Management Protocol). На уровне приложения полезная нагрузка пакета (payload) — это фактические данные приложения.
• Транспортный уровень отвечает за поддержание сквозной передачи данных в сети. TCP управляет обменом данными между хостами и обеспечивает управление потоком, мультиплексирование и надёжность. Транспортные протоколы включают TCP и протокол пользовательских дейтаграмм UDP (User Datagramm Protocol), который иногда используется вместо TCP для определённых целей.
• Сетевой уровень, также называемый интернет-уровнем, работает с пакетами и соединяет независимые сети для транспортировки пакетов через границы сети. Протоколы сетевого уровня — это IP и ICMP (Internet Control Message Protocol), который используется для сообщений об ошибках.
• Физический уровень, также известный как уровень сетевого интерфейса или уровень канала данных, состоит из протоколов, которые работают только на канале — сетевом компоненте, который соединяет узлы или хосты в сети. Протоколы этого нижнего уровня включают Ethernet для локальных сетей и протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol).

Использование TCP/IP

TCP/IP может использоваться для обеспечения удалённого входа в систему по сети для интерактивной передачи файлов для доставки электронной почты, для доставки веб-страниц по сети и для удалённого доступа к файловой системе хоста сервера. В самом широком смысле, он используется как форма представления информации, которая изменяется, когда она перемещается по сети от конкретного физического уровня к абстрактному прикладному уровню. В нем подробно описаны основные протоколы или методы связи на каждом уровне по мере прохождения информации.

Плюсы и минусы TCP/IP

Преимущества использования модели TCP / IP включают следующее:

• помогает установить связь между разными типами компьютеров;
• работает независимо от ОС;
• поддерживает множество протоколов маршрутизации;
• использует архитектуру клиент-сервер, которая отличается высокой масштабируемостью;
• может работать автономно;
• поддерживает несколько протоколов маршрутизации; а также
• TCP/IP не создаёт ненужной нагрузки на сеть или компьютер.

К недостаткам TCP / IP можно отнести следующее:

• сложен в настройке и управлении;
• транспортный уровень не гарантирует доставку пакетов;
• заменить протоколы в архитектуре TCP/IP непросто;
• не разделяет чётко концепции сервисов, интерфейсов и протоколов, поэтому не подходит для описания новых технологий в новых сетях; а также
• уязвим для атаки типа «отказ в обслуживании» DOS (Denial Of Service), в которой злоумышленник использует TCP/IP.

Чем отличаются TCP/IP и IP?

IP — это низкоуровневый интернет-протокол, который упрощает передачу данных через сеть Интернет. Его цель — доставлять пакеты данных, которые состоят из заголовка, который содержит информацию о маршрутизации, такую ​​как источник и место назначения данных, а также саму полезную нагрузку данных.

IP ограничен объёмом данных, которые он может отправить. Максимальный размер одного IP-пакета данных, который содержит как заголовок, так и данные, составляет от 21 до 65535 байтов. Это означает, что более длинные строки данных должны быть разбиты на несколько пакетов данных, которые должны быть отправлены независимо, а затем реорганизованы в правильный порядок после отправки.

Поскольку IP является только протоколом отправки и получения данных, он не проверяет действительно ли были получены отправленные пакеты данных.

В отличие от IP, TCP/IP — это протокол связи более высокого уровня, который может делать больше. TCP/IP по-прежнему использует IP как средство передачи пакетов данных, но он также соединяет компьютеры, приложения, веб-страницы и веб-серверы. TCP целостным образом понимает все потоки данных, которые требуются этим ресурсам для работы, и гарантирует, что весь необходимый объем данных будет гарантированно отправлен. Для этого TCP выполняет проверки, гарантирующие доставку данных.

TCP также может контролировать размер и скорость потока данных. Это гарантирует, что сети свободны от любых перегрузок, которые могут заблокировать получение данных.

Примером может служить приложение, которое хочет отправить большой объем данных через Интернет. Если бы приложение использовало только IP, данные пришлось бы разбить на несколько IP-пакетов. Для этого потребуется несколько запросов на отправку и получение данных, поскольку IP-запросы выдаются для каждого пакета.

От TCP требуется только один запрос для отправки всего потока данных. В отличие от IP, TCP может обнаруживать проблемы, возникающие в IP, и запрашивать повторную передачу любых пакетов данных, которые были потеряны. TCP также может реорганизовать пакеты, чтобы они передавались в правильном порядке — и это может минимизировать перегрузку сети. TCP/IP упрощает передачу данных через Интернет.

Различия и сходства моделей TCP/IP и OSI

TCP/IP и OSI — наиболее широко используемые архитектуры (стеки) протоколов связи. Основное отличие состоит в том, что OSI — это концептуальная модель, которая практически не используется на практике. Скорее, он определяет, как приложения могут взаимодействовать по сети. TCP/IP, с другой стороны, широко используется для установления ссылок и сетевого взаимодействия.

Протоколы TCP/IP определяют стандарты, на основе которых был создан Интернет, в то время как модель OSI даёт рекомендации относительно того, как должна осуществляться связь. Следовательно, TCP/IP — более практичная модель.

Модели TCP/IP и OSI имеют сходства и различия. Основное сходство заключается в том, как они построены, поскольку оба используют уровни. TCP/IP состоит всего из четырёх уровней, а модель OSI состоит из следующих семи уровней:

• Уровень 7, прикладной уровень, позволяет пользователю — программному обеспечению или человеку — взаимодействовать с приложением или сетью, когда пользователь хочет читать сообщения, передавать файлы или участвовать в других действиях, связанных с сетью.
• Уровень 6, уровень представления, переводит или форматирует данные для уровня приложения на основе семантики или синтаксиса, которые принимает приложение.
• Уровень 5, уровень сеанса, настраивает, координирует и завершает разговоры между приложениями.
• Уровень 4, транспортный уровень, обрабатывает передачу данных по сети и предоставляет механизмы проверки ошибок и управления потоками данных.
• Уровень 3, сетевой уровень, перемещает данные в другие сети и через них.
• Уровень 2, уровень канала данных, обрабатывает проблемы, возникающие в результате ошибок передачи битов.
• Уровень 1, физический уровень, передаёт данные с помощью электрических, механических или процедурных интерфейсов.
• Верхним уровнем как модели TCP/IP, так и модели OSI является прикладной уровень. Хотя этот уровень выполняет одни и те же задачи в каждой модели, эти задачи могут различаться в зависимости от данных, которые каждая получает.

Функции, выполняемые в каждой модели, также похожи, поскольку каждая из них использует для работы сетевой и транспортный уровни. Каждая из моделей TCP / IP и OSI в основном используется для передачи пакетов данных. Хотя они будут делать это разными способами и разными путями, они все равно доберутся до места назначения.

Сходства между моделью TC/IP и моделью OSI включают следующее:

• Обе они являются логическими моделями.
• Они определяют сетевые стандарты.
• Они разделяют процесс сетевой коммуникации на слои.
• Они обеспечивают основу для создания и внедрения сетевых стандартов и устройств.
• Они позволяют одному производителю создавать устройства и сетевые компоненты, которые могут сосуществовать и работать с устройствами и компонентами других производителей.

Различия между моделью TCP/IP и моделью OSI заключаются в следующем:

• TCP/IP использует только один уровень (приложение) для определения функций верхних уровней, тогда как OSI использует три уровня (приложение, представление и сеанс).
• TCP/IP использует один уровень (физический) для определения функций нижних уровней, тогда как OSI использует два уровня (физический и канал передачи данных).
• Размер заголовка TCP / IP составляет 20 байтов, а заголовок OSI — 5 байтов.
• TCP/IP — это протокол, ориентированный на стандарт, тогда как OSI — это общая модель, основанная на функциях каждого уровня.
• TCP/IP следует горизонтальному подходу, тогда как OSI придерживается вертикального подхода.
• В TCP/IP сначала были разработаны протоколы, а затем была разработана модель. В OSI сначала была разработана модель, а затем протоколы на каждом уровне.
• TCP/IP помогает установить соединение между различными типами компьютеров, тогда как OSI помогает стандартизировать маршрутизаторы, коммутаторы, материнские платы и другое оборудование.

История TCP/IP и связанные с этим особенности
Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), исследовательское подразделение Министерства обороны США, создало модель TCP/IP в 1970-х годах для использования в ARPANET, глобальной сети, которая предшествовала Интернету.

Такое, военное предназначение протокола TCP/IP заложило основы как его преимуществ, так и его недостатков.

О преимуществах его написано достаточно много и здесь мы не будем повторяться. Гораздо меньше написано о его недостатках, которые предопределили возникновение многих проблем в дальнейшем.

Дело в том, что основным пунктом техзадания, которое Минобороны США выдало DARPA, был такой, что сеть на базе этого протокола должна продолжать работать вне зависимости от того, какая часть сети внезапно окажется повреждённой или вышедшей из строя, например, в результате боевых действий.

Это предопределило, во первых, разбивку информации на пакеты и передачу их в виде пакетов.

Во-вторых, каждый узел сети (маршрутизатор и коммутатор) самостоятельно определяет (во всяком случае, оперативно, а не административно), на какой соседний узел отправить тот или иной пакет, в зависимости от его адреса назначения, а также с учётом окружающей обстановки. Например, если соседний узел, на который коммутатор хочет отправить пакет, оказывается неработоспособным, то коммутатор ищет другой соседний работоспособный узел и отправляет пакет туда.

Это обеспечивает хорошую устойчивость работы сети, но сильно затрудняет её использование для таких применений, голосовая связь, потоковое видео, видеосвязь и пр., которые требуют минимальной задержки передачи пакетов и высокой скорости их передачи.

В TCP/IP качество услуг, которое, в основном, определяется указанными двумя факторами, принесено в жертву надёжности доставки пакетов. Что, собственно, и требуется для военных применений.

Добавим, что TCP/IP изначально был разработан для ОС Unix и был встроен во все последующие ОС.

Модель TCP / IP и связанные с ней протоколы в настоящее время поддерживаются Инженерной группой Интернета IETF (Internet Engineering Task Force).

Официальная документация по Internet

RFC (Request for Comments) — официальная документация по Internet, можно найти по адресу http://www.rfc-editor.org/ или http://www.ietf.org/rfc.html .

Все разработчики должны придерживаться этой документации, но на практике, не всегда так происходит.

Адресация в сети Internet.

Типы адресов.

Типы адресов:

1. Физический (MAC-адрес)

2. Сетевой (IP-адрес)

3. Символьный (DNS-имя)

Компьютер в сети TCP/IP может иметь адреса трех уровней (но не менее двух):

• Локальный адрес компьютера. Для узлов, входящих в локальные сети — это МАС-адрес сетевого адаптера. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами.

• IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов.

• Символьный идентификатор-имя (DNS), например, www.kstu.ru.

IP-адреса

IPv4 — адрес является уникальным 32-битным идентификатором IP-интерфейса в Интернет.

IPv6 — адрес является уникальным 128-битным идентификатором IP-интерфейса в Интернет, иногда называют Internet-2, адресного пространства IPv4 уже стало не хватать, поэтому постепенно вводят новый стандарт.

IP-адреса принято записывать разбивкой всего адреса по октетам (8), каждый октет записывается в виде десятичного числа, числа разделяются точками. Например, адрес

10100000010100010000010110000011
записывается как

10100000.01010001.00000101.10000011 = 160.81.5.131

160.81.5.131 — IP-адрес

160.81.5. — номер сети

131 — номер хоста

Базовые протоколы (IP, TCP, UDP)

Стек протоколов TCP/IP 

TCP/IP — собирательное название для набора (стека) сетевых протоколов разных уровней, используемых в Интернет. Особенности TCP/IP:

• Открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;

• Независимость от физической среды передачи;

• Система уникальной адресации;

• Стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.

Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP делится на 4 уровня:

• Прикладной,

• Транспортный,

• Межсетевой,

• Физический и канальный.

Позже была принята 7-ми уровневая модель ISO.

Данные передаются в пакетах. Пакеты имеют заголовок и окончание, которые содержат служебную информацию. Данные, более верхних уровней вставляются, в пакеты нижних уровней.

Пример инкапсуляции пакетов в стеке TCP/IP

Физический и канальный уровень.

Стек TCP/IP не подразумевает использования каких-либо определенных протоколов уровня доступа к среде передачи и физических сред передачи данных. От уровня доступа к среде передачи требуется наличие интерфейса с модулем IP, обеспечивающего передачу IP-пакетов. Также требуется обеспечить преобразование IP-адреса узла сети, на который передается IP-пакет, в MAC-адрес. Часто в качестве уровня доступа к среде передачи могут выступать целые протокольные стеки, тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX, IP поверх X.25 и т.п.

Межсетевой уровень и протокол IP.

Основу этого уровня составляет IP-протокол.

IP (Internet Protocol) – интернет протокол.

Первый стандарт IPv4 определен в RFC-760 (DoD standard Internet Protocol J. Postel Jan-01-1980)

Последняя версия IPv4 — RFC-791 (Internet Protocol J. Postel Sep-01-1981).

Первый стандарт IPv6 определен в RFC-1883 (Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification S. Deering, R. Hinden December 1995)

Последняя версия IPv6 — RFC-2460 (Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification S. Deering, R. Hinden December 1998).

Основные задачи:

• Адресация

• Маршрутизация

• Фрагментация датаграмм

• Передача данных

Протокол IP доставляет блоки данных от одного IP-адреса к другому.

Программа, реализующая функции того или иного протокола, часто называется модулем, например, “IP-модуль”, “модуль TCP”.

Когда модуль IP получает IP-пакет с нижнего уровня, он проверяет IP-адрес назначения.

• Если IP-пакет адресован данному компьютеру, то данные из него передаются на обработку модулю вышестоящего уровня (какому конкретно — указано в заголовке IP-пакета).

• Если же адрес назначения IP-пакета — чужой, то модуль IP может принять два решения: первое — уничтожить IP-пакет, второе — отправить его дальше к месту назначения, определив маршрут следования — так поступают маршрутизаторы.

Также может потребоваться, на границе сетей с различными характеристиками, разбить IP-пакет на фрагменты (фрагментация), а потом собрать в единое целое на компьютере-получателе.

Если модуль IP по какой-либо причине не может доставить IP-пакет, он уничтожается. При этом модуль IP может отправить компьютеру-источнику этого IP-пакета уведомление об ошибке; такие уведомления отправляются с помощью протокола ICMP, являющегося неотъемлемой частью модуля IP. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения их доставки, обеспечения правильного порядка следования IP-пакетов, предварительного установления соединения между компьютерами протокол IP не имеет. Эта задача возложена на транспортный уровень.

Структура дейтограммы IP. Слова по 32 бита.

Версия — версия протокола IP (например, 4 или 6)

Длина заг. — длина заголовка IP-пакета.

Тип сервиса (TOS — type of service) — Тип сервиса (подробнее рассмотрен в лекции 8).

TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP).

Идентификатор дейтаграммы, флаги (3 бита) и указатель фрагмента — используются для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета.

Время жизни (TTL — time to live) — каждый маршрутизатор уменьшает его на 1, что бы пакеты не блуждали вечно.

Протокол — Идентификатор протокола верхнего уровня указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например: TCP, UDP).

Коды некоторые протоколов RFC-1700 (1994)

Маршрутизация.

Протокол IP является маршрутизируемый, для его маршрутизации нужна маршрутная информация.

Маршрутная информация, может быть:

• Статической (маршрутные таблицы прописываются вручную)

• Динамической (маршрутную информацию распространяют специальные протоколы)

Протоколы динамической маршрутизации:

• RIP (Routing Information Protocol) — протокол передачи маршрутной информации, маршрутизаторы динамически создают маршрутные таблицы.

• OSPF (Open Shortest Path First) — протокол «Открой кротчайший путь первым», является внутренним протоколом маршрутизации.

• IGP (Interior Gateway Protocols) — внутренние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию внутри одной автономной системе.

• EGP (Exterior Gateway Protocols) — внешние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию между автономными системами.

• BGP (Border Gateway Protocol) — протокол граничных маршрутизаторов.

Протокол ICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol) — расширение протокола IP, позволяет передавать сообщения об ошибке или проверочные сообщения.

Другие служебные IP-протоколы

IGMP (Internet Group Management Protocol) — позволяет организовать многоадресную рассылку средствами IP.

RSVP (Resource Reservation Protocol) — протокол резервирования ресурсов.

ARP (Address Resolution Protocol) — протокол преобразования IP-адреса и адреса канального уровня.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных между 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 выполняет номер порта (или проще — порт).

Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу. Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

На транспортном уровне работают два основных протокола: UDP и TCP.

Протокол надежной доставки сообщений TCP

TCP (Transfer Control Protocol) – протокол контроля передачи, протокол TCP применяется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений.

Первая и последняя версия TCP — RFC-793 (Transmission Control Protocol J. Postel Sep-01-1981).

Основные особенности:

• Устанавливается соединение.

• Данные передаются сегментами. Модуль TCP нарезает большие сообщения (файлы) на пакеты, каждый из которых передается отдельно, на приемнике наоборот файлы собираются. Для этого нужен порядковый номер (Sequence Number — SN) пакета.

• Посылает запрос на следующий пакет, указывая его номер в поле «Номер подтверждения» (AS). Тем самым, подтверждая получение предыдущего пакета.

• Делает проверку целостности данных, если пакет битый посылает повторный запрос.

Структура дейтограммы TCP. Слова по 32 бита.

Длина заголовка — задается словами по 32бита.

Размер окна — количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.

Контрольная сумма — включает псевдо заголовок, заголовок и данные.

Указатель срочности — указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.

URG — флаг срочности, включает поле «Указатель срочности», если =0 то поле игнорируется.

ACK — флаг подтверждение, включает поле «Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.

PSH — флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.

RST — флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении

SYN — флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.

FIN — флаг окончание передачи со стороны отправителя

Протокол UDP 

UDP (Universal Datagram Protocol) — универсальный протокол передачи данных, более облегченный транспортный протокол, чем TCP.

Первая и последняя версия UDP — RFC-768 (User Datagram Protocol J. Postel Aug-28-1980).

Основные отличия от TCP:

• Отсутствует соединение между модулями UDP.

• Не разбивает сообщение для передачи

• При потере пакета запрос для повторной передачи не посылается

UDP используется если не требуется гарантированная доставка пакетов , например, для потокового видео и аудио, DNS (т.к. данные небольших размеров). Если проверка контрольной суммы выявила ошибку или если процесса, подключенного к требуемому порту, не существует, пакет игнорируется (уничтожается). Если пакеты поступают быстрее, чем модуль UDP успевает их обрабатывать, то поступающие пакеты также игнорируются.

Структура дейтограммы UDP. Слова по 32 бита.

Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули.

Протокол реального времени RTP

RTP (Real Time Protocol) — транспортный протокол для приложений реального времени.

RTCP (Real Time Control Protocol) — транспортный протокол обратной связи для приложения RTP..

Назначение портов

По номеру порта транспортные протоколы определяют, какому приложению передать содержимое пакетов.

Порты могут принимать значение от 0-65535 (два байта 2^16).

Номера портам присваиваются таким образом: имеются стандартные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 — за telnet, 80 — за HTTP), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами (как правило, больше>1024), некоторые из них также зарезервированы.

Некоторые заданные порты RFC-1700 (1994)

Программа Ping

Программа для проверки соединения и работы с удаленным хостом. 

Программа TraceRoute — позволяет проверить маршрут до удаленного хоста.

Программа nmap — позволяет сканировать порты. 

Работу порта, также можно проверить с помощью telnet.