Принцип работы стека протоколов tcp ip.

Сегодня стек TCP/IP широко используется как в глобальных, так и в локальных сетях. Этот стек имеет иерархическую структуру, в которой определено 4 уровня (таб. 1).

Таб. 1. Иерархическая структура стека TCP/IP

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала telnet, простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах.

Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

• гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);
• оставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на хосте-отправителе и хосте-получателе могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов на любой другой компьютер, входящий в составную сеть.

Второй протокол этого уровня, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется тогда, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня - прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к транспортному уровню прикладным и сетевым уровнями. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню-получателю. Нижележащий сетевой уровень протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.
Сетевой уровень, называемый также уровнем Интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением нескольких подсетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов, о функциях которого мы расскажем далее.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней, протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах (шлюзах). Протокол IP - это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями. Такой тип сетевого сервиса называют также «ненадежным».

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, предназначенные для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакета, и некоторые другие протоколы.

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой архитектуры других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов.

Напомним, что нижцие уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют множество функций доступа к среде передачи, формированию кадров, согласованию величин электрических сигналов, кодированию и синхронизации, а также некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, РРР и многих других.

У нижнего уровня стека TCP/IP задача существенно проще - он отвечает только за организацию взаимодействия с подсетями разных технологий, входящими в составную сеть. TCP/IP рассматривает любую подсеть, входящую в составную сеть, как средство транспортировки пакетов между двумя соседними маршрутизаторами.

Задачу организации интерфейса между технологией TCP/IP и любой другой технологией промежуточной сети упрощенно можно свести к двум задачам:

• упаковка (инкапсуляция) IP-пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;
• преобразование сетевых адресов в адреса технологии данной промежуточной сети.

Такой гибкий подход упрощает решение проблемы расширения набора поддерживаемых технологий. При появлении новой популярной технологии она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующего стандарта, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (например, спецификация RFC 1577, определяющая работу протокола IP через сети ATM, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов ATM). Так как для каждой вновь появляющейся технологии разрабатываются собственные интерфейсные средства, функции этого уровня нельзя определить раз и навсегда, и именно поэтому нижний уровень стека TCP/IP не регламентируется.
Каждый коммуникационный протокол оперирует некоторой единицей передаваемых данных. Названия этих единиц иногда закрепляются стандартом, а чаще просто определяются традицией. В стеке TCP/IP за многие годы его существования образовалась устоявшаяся терминология в этой области (рис. 1).

Рис. 1. Названия протокольных единиц данных в TCP/IP

Потоком данных, информационным потоком, или просто потоком, называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня - TCP и UDP.

Протокол TCP «нарезает» из потока данных сегменты.

Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграммой, или датаграммой. Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол IP, поэтому его единицу данных иногда тоже называют дейтаграммой, хотя достаточно часто используется и другой термин - пакет.

В стеке TCP/IP единицы данных любых технологий, в которые упаковываются IP-пакеты для их последующей передачи через сети составной сети, принято называть также кадрами, или фреймам. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в технологии составляющей сети. Для TCP/IP фреймом является и кадр Ethernet, и ячейка ATM, и пакет Х.25 в тех случаях, когда они выступают в качестве контейнера, в котором IP-пакет переносится через составную сеть.

Набор интернет-протоколов обеспечивает сквозную передачу данных, определяющую, как данные должны пакетироваться, обрабатываться, передаваться, маршрутизироваться и приниматься. Эта функциональность организована в четыре слоя абстракции, которые классифицируют все связанные протоколы в соответствии с объемом задействованных сетей. От самого низкого до самого высокого уровня - это уровень связи, содержащий методы связи для данных, которые остаются в пределах одного сегмента сети (ссылка); интернет-уровень, обеспечивающий межсетевое взаимодействие между независимыми сетями; транспортный уровень, обрабатывающий связь между хостами; и прикладной уровень, который обеспечивает обмен данными между процессами для приложений.

Развитием архитектуры Интернета и протоколов в модели TCP/IP занимается открытое международное сообщество проектировщиков IETF .

История

Стек протоколов TCP/IP был создан на основе NCP (Network Control Protocol) группой разработчиков под руководством Винтона Серфа в 1972 году. В июле 1976 года Винт Серф и Боб Кан впервые продемонстрировали передачу данных с использованием TCP по трём различным сетям. Пакет прошел по следующему маршруту: Сан-Франциско - Лондон - Университет Южной Калифорнии. К концу своего путешествия пакет проделал 150 тысяч км, не потеряв ни одного бита. В 1978 году Серф, Джон Постел и Дэнни Кохэн решили выделить в TCP две отдельные функции: TCP и IP (англ. Internet Protocol , межсетевой протокол). TCP был ответственен за разбивку сообщения на датаграммы (англ. datagram ) и соединение их в конечном пункте отправки. IP отвечал за передачу (с контролем получения) отдельных датаграмм. Вот так родился современный протокол Интернета. А 1 января 1983 года ARPANET перешла на новый протокол. Этот день принято считать официальной датой рождения Интернета.

Уровни стека TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня :

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI . На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.

Протоколы TCP/IP основа работы глобальной сети Интернет. Если быть более точным, то TCP/IP это список или стек протоколов, а по сути, набор правил по которым происходит обмен информации (реализуется модель коммутации пакетов).

В этой статье разберем принципы работы стека протоколов TCP/IP и попробуем понять принципы их работы.

Примечание: Зачастую, обревиатурой TCP/IP называют всю сеть, работающую на основе этих двух протоколов, TCP и IP.

В модель такой сети кроме основных протоколов TCP (транспортный уровень) и IP (протокол сетевого уровня) входят протоколы прикладного и сетевого уровней (смотри фото). Но вернемся непосредственно к протоколам TCP и IP.

Что такое протоколы TCP/IP

TCP — Transfer Control Protocol . Протокол управления передачей. Он служит для обеспечения и установление надежного соединения между двумя устройствами и надежную передачу данных. При этом протокол TCP контролирует оптимальный размер передаваемого пакета данных, осуществляя новую посылку при сбое передачи.

IP — Internet Protocol. Интернет протокол или адресный протокол — основа всей архитектуры передачи данных. Протокол IP служит для доставки сетевого пакета данных по нужному адресу. При этом информация разбивается на пакеты, которые независимо передвигаются по сети до нужного адресата.

Форматы протоколов TCP/IP

Формат IP протокола

Существуют два формата для IP адресов IP протокола.

Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.

Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.

Как работают протоколы TCP/IP

Если удобно представьте передаче пакетов данных в сети, как отправку письма по почте.

Если неудобно, представьте два компьютера соединенных сетью. Причем сеть соединения может быть любой как локальной, так и глобальной. Разницы в принципе передачи данных нет. Компьютер в сети также можно считать хостом или узлом.

Протокол IP

Каждый компьютер в сети имеют свой уникальный адрес. В глобальной сети Интернет, компьютер имеет этот адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address).

По аналогии с почтой, IP- адрес это номер дома. Но номера дома для получения письма недостаточно.

Передаваемая по сети информация передается не компьютером, как таковым, а приложениями, установленными на него. Такими приложениями являются сервер почты, веб-сервер, FTP и т.п. Для идентификации пакета передаваемой информации, каждое приложение прикрепляется к определенному порту. Например: веб-сервер слушает порт 80, FTP слушает порт 21, почтовый SMTP сервер слушает порт 25, сервер POP3 читает почту почтовых ящиков на порте 110.

Таким образом, в адресном пакете в протоколе TCP/IP, в адресатах появляется еще одна строка: порт. Аналог с почтой — порт это номер квартиры отправителя и адресата.

Пример:

Source address (Адрес отправителя):

IP: 82.146.47.66

Destination address (Адресполучателя):

IP: 195.34.31.236

Стоит запомнить: IP адрес + номер порта — называется «сокет». В примере выше: с сокета 82.146.47.66:2049 пакет отправляется на сокет 195.34.31.236: 53.

Протокол TCP

Протокол TCP это протокол следующего после протокола IP уровня. Предназначен этот протокол для контроля передачи информации и ее целостности.

Например, Передаваемая информация разбивается на отдельные пакеты. Пакеты доставят получателю независимо. В процессе передачи один из пакетов не передался. Протокол TCP обеспечивает повторные передачи, до получения этого пакета получателем.

Транспортный протокол TCP скрывает от протоколов высшего уровня (физического, канального, сетевого IP все проблемы и детали передачи данных).

TCP/IP представлено целым семейством протоколов, среди которых находятся протоколы UDP и TCP. В этом разделе описывается стек протоколов TCP/IP, а также протоколы UDP и TCP.

Протокол TCP обеспечивает прозрачный обмен данными между конечными системами, используя нижележащие службы сетевого уровня (Network layer) для перемещения пакетов между двумя системами, между которыми установлена связь. TCP является примером протокола транспортного уровня (Transport layer). IP — протоколом сетевого уровня.

Так же как и в эталонной модели OSI (см. рисунок), TCP/IP разбивает по группам все протоколы, работающие в сети, в соответствии с теми задачами, что они выполняют, и относит их к соответствующему уровню. Каждый уровень относится к различным аспектам передачи данных. Идеологически удобно представить TCP/IP как стек протоколов.

Стек протоколов организован таким образом, что верхние коммуникационные уровни располагаются на вершине модели. Например, верхний уровень может работать с приложениями для потокового аудио или видео, в то время как нижний уровень имеет дело с напряжениями или радиосигналами. Каждый уровень в стеке опирается на службы, которые обеспечиваются уровнем лежащим ниже рассматриваемого.

Функции UDP

Протокол UDP является расширением раннего набора IP протоколов.

Первоначальный набор IP протоколов состоял только из TCP и IP, хотя протокол IP в то время не выделялся в качестве отдельной службы. В тоже время некоторые приложения конечных пользователей нуждались больше в своевременности выполнения, чем в точности. Иначе говоря, скорость была более важна, чем восстановление потерянных пакетов. При передаче голоса или видео в реальном масштабе времени небольшая потеря пакетов вполне терпима. Восстановление же пакетов создаёт избыточный трафик, который снижает производительность.

Для соответствия нуждам трафика такого типа, создатели TCP/IP добавили протокол UDP к стеку протоколов. В качестве основной службы адресации и пересылки пакетов на сетевом уровне выступал протокол IP. Протоколы TCP и UDP располагаются над IP и оба используют сервисы протокола IP.

UDP предлагает только минимальные, негарантированные транспортные сервисы и предоставляет приложениям прямой доступ к уровню IP. UDP используется приложениями, которые не требуют уровня обслуживания TCP или используют такие коммуникационные сервисы, как многоадресная или широковещательная рассылка, недоступные для протокола TCP.