Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

181

Кроме того, некоторые недостатки сетей Novell связаны не с

протоколом IPX, а со свойствами других протоколов стека

IPX/SPX. Недостатком IPX-адресации является ограничение дли-

ны адреса узла в 6 байт. Если какая-либо составная сеть исполь-

зует аппаратные адреса большего размера, то протокол IPX не

сможет доставить пакет узлу такой сети. Многие недостатки про-

являются при

работе стека IPX/SPX на медленных глобальных

линиях связи, и это закономерно, так как ОС NetWare оптимизи-

ровалась для работы в локальной сети.

5.6.3. Стек TCP/IP

Рассмотрим теперь эталонную модель, использовавшуюся в

компьютерной сети ARPANET. Эта сеть была исследовательской

и финансировалась Министерством обороны США. В конце кон-

цов она объединила сотни университетов и правительственных

зданий при помощи выделенных телефонных линий. Когда впо-

следствии появились спутниковые и радиосети, возникли большие

проблемы при объединении с ними других сетей с помощью

имеющихся протоколов. В результате понадобилась новая эталон-

ная архитектура. Таким образом, возможность объединять различ-

ные сети в единое целое составляла одну из главных целей с само-

го начала. Позднее эта архитектура получила название эталонной

модели ТСР/IP, по своим двум основным протоколам.

Поскольку Министерство обороны беспокоилось, что ценные

хосты, маршрутизаторы и

межсетевые шлюзы могли быть мгно-

венно уничтожены, то важная задача состояла в том, чтобы до-

биться способности сети сохранять работоспособность при воз-

можных потерях подсетевого оборудования, так чтобы при этом

связь не прерывалась. Другими словами, требовалось, чтобы со-

единение не прерывалось, пока функционируют приемная и пере-

дающая машины, даже если

некоторые промежуточные машины

или линии связи внезапно выходили из строя. Кроме того, от ар-

хитектуры требовалась определенная гибкость, поскольку предпо-

лагалось использовать приложения с различными требованиями,

от переноса файлов до передачи речи в реальном времени.

Сегодня стек TCP/IP используется для связи компьютеров

всемирной информационной сети Интернет, а также в огромном

182

числе корпоративных сетей. Комплект протоколов Интернета со-

стоит из набора общедоступных (по сети) документов, созданных

коллективными усилиями мирового сетевого сообщества. Пере-

дача данных в Интернете основана на принципе коммутации па-

кетов, в соответствии с которым поток данных, передаваемых от

одного узла к другому, разбивается на пакеты, передающиеся в

общем случае

через систему коммуникаций и маршрутизаторов

независимо друг от друга и вновь собирающиеся на приемной

стороне. Конечные узлы – отправители и получатели информа-

ции, называются хостами (host), промежуточные устройства,

оперирующие IP-пакетами (анализирующие и модифицирующие

информацию IP-заголовков), называют шлюзами (gateway).

Весь комплект протоколов базируется на IP-протоколе негаран-

тированной доставки пакетов (дейтаграмм) без установления со-

единения.

Стек

ТСР/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные

стандарты физического и канального уровней для локальных се-

тей – это Ethernet, Token Ring, FDDI. Основными протоколами

стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. Эти

протоколы в терминологии модели OSI относятся к сетевому и

транспортному уровням соответственно. IP обеспечивает про-

движение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надеж-

ность его

доставки.

Сегодня стек ТСР/IP представляет собой самый распростра-

ненный стек транспортных протоколов вычислительных сетей.

Стремительный рост популярности Интернета привел и к изме-

нениям в расстановке сил в мире коммуникационных протоколов

– протоколы ТСР/IP, на которых построен Интернет, стали быст-

ро теснить бесспорного лидера прошлых лет – стек IPX/SPX ком-

пании Novell. Сегодня в мире

общее количество компьютеров, на

которых установлен стек ТСР/IP, намного превышает количество

компьютеров, на которых работает стек IPX/SPX.

Поскольку стек ТСР/IP изначально создавался для глобальной

сети Интернет, он имеет много особенностей, дающих ему пре-

имущество перед другими протоколами, когда речь заходит о по-

строении сетей, включающих глобальные связи. Существует

большое количество локальных, корпоративных

и территориаль-

183

ных сетей, непосредственно не являющихся частями Интернета, в

которых также используют протоколы TCP/IP.

В частности, очень полезным свойством, делающим возмож-

ным применение этого протокола в больших сетях, является его

способность фрагментировать пакеты. Действительно, большая

составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершен-

но разных принципах. В каждой из этих сетей может

быть уста-

новлена собственная величина максимальной длины единицы пе-

редаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из од-

ной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с

меньшей максимальной длиной может возникнуть необходи-

мость деления передаваемого кадра на несколько частей. Прото-

кол IP стека ТСР/IP эффективно решает эту задачу.

Другой

особенностью технологии ТСР/IP является гибкая

система адресации, позволяющая проще, чем другие протоколы

аналогичного назначения включать в интерсеть сети разных тех-

нологий. Это свойство также способствует применению стека

ТСР/IP для построения больших гетерогенных сетей.

Однако, как и всегда, за получаемые преимущества надо пла-

тить, и платой здесь оказываются высокие требования к ресурсам

и сложность администрирования IP-сетей. Мощные функцио-

нальные возможности протоколов стека ТСР/IP требуют для сво-

ей реализации больших вычислительных затрат. На сегодняшний

день факт остается фактом – сегодня это самый популярный стек

протоколов, широко используемый как в глобальных, так и ло-

кальных сетях.

В стеке TCP/IP определены 4 уровня (рис. 5.8), которые ре-

шают задачу

организации надежной и производительной работы

составной сети, отдельные части которой могут быть построены

на основе разных сетевых технологий.

Все изначальные требования к сети ARPANET обусловили

выбор модели сети с коммутацией пакетов, в основе которой ле-

жал не имеющий соединений межсетевой уровень. Этот уровень,

называемый интернет-уровнем или межсетевым уровнем, явля-

ется основой

всей архитектуры. Его задача заключается в обеспе-

чении возможности каждого хоста посылать пакеты в любую сеть

и независимо двигаться к пункту назначения (например, в другой

сети). Они могут прибывать не в том порядке, в котором были

184

отправлены. Если требуется соблюдение порядка отправления,

эту задачу выполняют более верхние уровни. Здесь можно ус-

мотреть аналогию с почтовой системой. Человек может бросить

несколько международных писем в почтовый ящик в одной стра-

не, и они будут доставлены по правильным адресам в других

странах. Вероятно, письма по дороге пройдут через несколько

международных

почтовых шлюзов, однако это останется про-

зрачным для корреспондентов. В каждой стране (то есть каждой

сети) могут быть свои марки, свои предпочитаемые размеры кон-

вертов и правила доставки, незаметные для пользователей почто-

вой службы.

OSI TCP/IP

Прикладной

(FTP,DNS,HTTP,...)

Уровень представлений –

Сеансовый –

Транспортный

(TCP, UDP)

Сетевой

Межсетевой

(IP,ARP,RIP,OSPF,…)

Передачи данных

Физический

От хоста к сети

Рис. 5.8. Стек протоколов TCP/IP

Межсетевой уровень является стержнем всей архитектуры

TCP/IP и обеспечивает перемещение пакетов в пределах всей со-

ставной сети. Поэтому можно утверждать, что межсетевой уро-

вень модели ТСР/IP функционально близок сетевому уровню мо-

дели OSI. Он определяет официальный формат пакета и прото-

кол, называемый IP (Internet Protocol). Задачей межсетевого про-

токола является продвижение IP-пакетов

между подсетями от од-

ного пограничного маршрутизатора к другому, до тех пор, пока

185

пакет не попадет в сеть назначения. Протокол устанавливается на

хостах и всех шлюзах. Протокол работает по принципу «по воз-

можности», в соответствии с которым он не берет на себя ответ-

ственность за доставку пакета до узла назначения. Если пакет по

каким-либо причинам теряется, то он не пытается повторить его

передачу

, а только посылает уведомление узлу-отправителю.

Протокол изначально проектировался как средство передачи в

составных сетях, состоящих из большого количества сетей, объе-

диненных как локальными, так и глобальными связями. В связи с

тем, что между двумя узлами таких сетей может быть проложено

несколько возможных путей, то задача перемещения данных

включает в

себя задачу выбора маршрута пакета и недопущение

закупорки транспортных артерий.

К уровню межсетевого взаимодействия также относятся про-

токолы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Pro-

tocol) и OSPF (Open Shortest Path First). Для обмена информацией

об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником

пакета существует протокол межсетевых управляющих и дина-

мических сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).

Для преобразования адресов (из физических MAC-адресов в IP-

адреса

и наоборот) служат протоколы ARP (Address Resolution

Protocol) и RARP (Reverse Address Resolution Protocol).

Уровень, расположенный над межсетевым уровнем модели

ТСР/IP, как правило, называют транспортным. Он создан для

того, чтобы одноранговые сущности на приемных и передающих

хостах могли поддерживать связь, подобно транспортному уров-

ню модели OSI. Протокол TCP (Transmission Control Protocol –

протокол управления передачей), является надежным протоколом

на основе соединений, позволяющим без ошибок доставлять

бай-

товый поток с одной машины на любую другую машину объеди-

ненной сети. Протокол обеспечивает гарантированный поток

данных между клиентами, установившими виртуальное соедине-

ние. Он разбивает входной поток байт на отдельные сообщения и

передает их межсетевому уровню. На пункте назначения полу-

чающий TCP-процесс восстанавливает из полученных сообщений

выходной поток. Кроме

того, TCP осуществляет управление по-

током, чтобы быстрый отправитель не завалил информацией

медленного получателя.

186

Протокол позволяет нумеровать пакеты, подтверждать их

прием, организовывать повторные передачи в случае потери, дос-

тавлять пакеты прикладному уровню в том порядке, в котором

они были отправлены.

На транспортном уровне имеется другой протокол UDP (User

Datagram Protocol) – простейший протокол пользовательских

дейтаграмм, реализующий доставку «по возможности». Он ис-

пользуется в случае, если задача надежного обмена не

ставится,

либо реализуется средствами более высокого уровня (системны-

ми службами или пользовательскими приложениями).

От прикладного уровня транспортный уровень принимает за-

дачу на передачу по сети данных, а после ее выполнения сообща-

ет ему об этом. К межсетевому уровню транспортный уровень

обращается как к инструменту, способному перемещать пакет по

составной сети. Протоколы

транспортного уровня устанавлива-

ются на хостах.

В модели ТСР/IP нет сеансового уровня и уровня представле-

ния. В этих уровнях не было необходимости, поэтому они не бы-

ли включены в модель. Опыт работы с моделью OSI доказал пра-

воту этой точки зрения: большинство приложений в них мало

нуждаются.

Над транспортным уровнем располагается

прикладной уро-

вень. За долгие годы, использования в сетях различных стран и

организаций стек ТСР/IP вобрал в себя большое количество про-

токолов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные

протоколы, как протокол виртуального терминала TELNET, про-

токол переноса файлов FTP (File Transfer Protocol), простой про-

токол передачи электронной почты SMTP (Simple Mail Transfer

Protocol). Протокол виртуального терминала

позволяет пользова-

телю регистрироваться на удаленном сервере и работать на нем.

Протокол переноса файлов предоставляет эффективный способ

перемещения информации с машины на машину. Электронная

почта изначально представляла собой разновидность переноса

файлов, однако позднее для нее был разработан специальный

протокол. С годами было добавлено много других протоколов:

DNS (Domain Name Service) – служба имен доменов, позволяю

щий преобразовывать имена хостов в сетевые адреса, NNTP

(Network News Transfer Protocol)– сетевой протокол передачи но-

187

востей, HTTP (Hypertext Transfer Protocol) – протокол передачи

гипертекстовой информации, используемый для создания стра-

ниц на World Wide Web, и многие другие. Протоколы прикладно-

го уровня устанавливаются на хостах. Прикладной уровень реа-

лизуется программными системами, построенными в архитектуре

клиент-сервер.

В эталонной модели ТСР/IP не описывается подробно, что

располагается ниже межсетевого уровня (Хост-сетевой уровень).

Сообщается только, что

хост соединяется с сетью при помощи

какого-нибудь протокола, позволяющего ему посылать по сети

IP-пакеты. Этот протокол никак не определяется и может менять-

ся от хоста к хосту и от сети к сети.

Рис. 5.9. Зависимость уровней стека ТСР/IP от сети

Перемещение IP-пакета можно рассматривать как последова-

тельность прыжков от шлюза к шлюзу, на каждом из которых оп-

ределяется сетевой адрес следующего по маршруту шлюза. Что-

бы добраться до следующего шлюза, необходимо пересечь некую

подсеть. Для этого протоколы TCP/IP должны обратиться к

транспортным средствам пересекаемой

подсети с учетом ее тех-

нологии. В задачу интерфейса в этом случае входит упаковка IP-

188

пакета в единицу информации подсети и преобразование адреса

шлюза назначения с учетом принятой для этой сети системы ад-

ресации.

Рассматривая многоуровневую архитектуру ТСР/IP, можно

выделить в ней, подобно архитектуре OSI, уровни, функции ко-

торых зависят от конкретной технической реализации сети, и

уровни, функции которых ориентированы на работу с приложе-

ниями (рис. 5.9).

Протоколы

прикладного уровня стека ТСР/IP работают на

компьютерах, выполняющих приложения пользователей. Даже

полная смена сетевого оборудования в общем случае не должна

влиять на работу приложений, если они получают доступ к сете-

вым возможностям через протоколы прикладного уровня.

Протоколы транспортного уровня зависят от сети уже в боль-

шей степени, так как они

реализуют интерфейс к уровням, непо-

средственно организующим передачу данных по сети. Однако

подобно протоколам прикладного уровня, протоколы транспорт-

ного уровня устанавливаются только на конечных узлах.

Прикладной уровень

(FTP, Telnet,…)

Транспортный уровень

(TCP, UDP,…)

Межсетевой уровень

(IP)

Уровень сетевого

доступа

(Ethernet, FDDI,…)

Данные

Заголовок

TCP

Заголовок

TCP

Заголовок

TCP

Заголовок

Ethernet

Рис. 5.10. Структура блоков данных стека TCP/IP

189

Протоколы двух нижних уровней являются сетезависимыми,

программные модули протоколов межсетевого уровня и уровня

сетевых интерфейсов устанавливаются на всех хостах и шлюзах.

При передаче данных между уровнями стека TCP/IP форми-

руются соответствующие протокольные блоки данных. При пе-

редаче информации от прикладного процесса на каждом уровне

добавляются соответствующие заголовки. После приема инфор-

мации на

узле назначения происходит отбрасывание заголовков

уровней и в конечном итоге принимающий прикладной процесс

получает данные. На нижнем уровне к IP-пакету добавляется за-

головок, соответствующий технологии локальной сети (напри-

мер, Ethernet). Структура блоков данных на каждом уровне стека

TCP/IP представлена на рисунке 5.10.

5.6.4. Структура IP-пакета (IPv4)

Информация в ТСР/IP передается пакетами со стандартизо-

ванной структурой, называемыми IP-дейтаграммами (IP

Datagram), имеющими поле заголовка (IP Datagram Header) и по-

ле данных (IP Datagram Data). Формат заголовка приведен на рис.

5.11, где он показан в виде шести 32-битных слов.

Поля имеют следующее назначение:

– Version, 4 бита – номер версии протокола, определяющий

формат заголовка.

– IHL (Internet Header Length), 4 бита – длина заголовка в 32-

битных словах. Обычно

заголовок имеет длину в 20 байт (пять

32-битных слов), но иногда он может быть увеличен до 60 байт.

– Туре of Service, 8 бит – абстрактное описание качества сер-

виса: биты 0 – 2 – Precedence (старшинство, преимущество) – па-

раметр, определяющий приоритет трафика (большему значению

соответствует больший приоритет). Маршрутизаторы и компью-

теры могут принимать во внимание приоритет пакета и обраба-

тывать

более важные в первую очередь.

Следующие три бита определяют критерии выбора маршрута.

Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: ма-

лой задержкой, высокой пропускной способностью и высокой

надежностью (достоверностью). Во многих случаях улучшение

одного из параметров ведет к ухудшению других, кроме того, об-

190

работка каждого из параметров требует дополнительных вычис-

лительных затрат.

бит 3 – Delay (задержка): 0 – нормальная, 1 – малая;

бит 4 – Throughput (пропускная способность): 0 – нормальная,

1 – высокая;

бит 5 – Reliability (надежность): 0 – нормальная, 1 – высокая;

биты 6-7 – резерв (нулевые значения).

Бит 0 3 4 7 8 15 16 19 31

Version

Версия

IHL

Длина

Type of Service

Тип сервиса

Total Length

Общая длина

Identification

Идентификатор пакета

Flags

Флаги

Fragment Offset

Смещение

Time To Live

Время

жизни

Protocol

Протокол

верх.уров

Header Checksum

Контрольная сумма

Source IP Address

IP-адрес источника

Destination IP Address

IP-адрес назначения

Options

Параметры и выравнивания

Рис. 5.11. Структура заголовка пакета IPv4

– Total Length, 16 бит – общая длина дейтаграммы (заголовок

и данные) в байтах. Допускается длина до 65535 байт (ограниче-

ние в связи с длиной поля), но все хосты безусловно допускают

прием пакетов длиной только до 576 байт. Пакеты большей дли-

ны рекомендуется посылать только по предварительной догово-

ренности с принимающим хостом.

– Identification, 16

бит – идентификатор, назначаемый посы-

лающим узлом для сборки фрагментов дейтаграмм. Все фрагмен-

ты должны иметь одинаковые значения этого поля.

– Flags, 3 бита – управляющие флаги, связанные с фрагмен-

тацией:

бит 0 – резерв, должен быть нулевым;

бит 1 – DF (Don' t Fragment – запрет фрагментирования): 0 –

дейтаграмму можно фрагментировать, 1 – нельзя;