Стандартная модель стека протоколов

Модель OSI предложена достаточно давно, однако протоколы, на ней основанные, используются редко, во-первых, в силу своей не всегда оправданной сложности, во-вторых , из-за существования хотя и не соответствующих строго модели OSI, но уже хорошо зарекомендовавших себя стеков протоколов (например, TCP/IP).

Поэтому модель OSI стоит рассматривать, в основном, как опорную базу для классификации и сопоставления протокольных стеков.

2. 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.

Рис. 1.2.1. Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP делится на 4 уровня: прикладной (application), транспортный (transport), межсетевой (internet) и уровень доступа к среде передачи (network access). Термины, применяемые для обозначения блока передаваемых данных, различны при использовании разных протоколов транспортного уровня - TCP и UDP, поэтому на рисунке 1.2.1 изображено два стека. Как и в модели OSI, данные более верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней (см. рис. 1.2.2).

Рис. 1.2.2. Пример инкапсуляции пакетов в  стеке TCP/IP

Примерное соотношение  уровней стеков OSI и TCP/IP показано на рис. 1.2.3.

Рис. 1.2.3. Соотношение уровней стеков OSI и TCP/IP

Ниже кратко рассматриваются  функции каждого уровня и примеры  протоколов. Программа, реализующая  функции того или иного протокола, часто называется модулем, например, “IP-модуль”, “модуль TCP”.

2.1. Уровень приложений

Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять  функции уровней представления  и частично сеансового модели OSI; например, преобразование данных к внешнему представлению, группировка данных для передачи и т.п.

Распространенными примерами приложений являются программы  telnet, ftp, HTTP-серверы и клиенты (WWW-броузеры), программы работы с электронной почтой.

Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного  уровня.

2.2. Транспортный уровень

Протоколы транспортного  уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных (end-to-end delivery service) 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 (возможно, после  проверки их на наличие ошибок и  т.п.). 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.

TCP (Transmission Control Protocol - протокол контроля передачи) - надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом связи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу.

Данными для TCP является не интерпретируемая протоколом последовательность пользовательских октетов, разбиваемая  для передачи по частям. Каждая часть  передается в отдельном TCP-сегменте. Для продвижения сегмента по сети между компьютером-отправителем и  компьютером-получателем модуль TCP пользуется сервисом межсетевого уровня (вызывает модуль IP).

Все приложения, приведенные  как пример в предыдущем пункте, пользуются услугами TCP.

Протокол UDP

UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) фактически не выполняет каких-либо особых функций дополнительно к функциям межсетевого уровня. Протокол UDP используется либо при пересылке коротких сообщений, когда накладные расходы на установление сеанса и проверку успешной доставки данных оказываются выше расходов на повторную (в случае неудачи) пересылку сообщения, либо в том случае, когда сама организация процесса-приложения обеспечивает установление соединения и проверку доставки пакетов (например, NFS).

Пользовательские  данные, поступившие от прикладного  уровня, предваряются UDP-заголовком, и  сформированный таким образом UDP-пакет  отправляется на межсетевой уровень.

UDP-заголовок состоит  из двух 32-битных слов:

Значения полей:

Source Port - номер порта процесса-отправителя.

Destination Port - номер порта процесса-получателя.

Length - длина UDP-пакета вместе с заголовком в октетах.

Checksum - контрольная сумма. Контрольная сумма вычисляется таким же образом, как и в TCP-заголовке; если UDP-пакет имеет нечетную длину, то при вычислении контрольной суммы к нему добавляется нулевой октет.

После заголовка  непосредственно следуют пользовательские данные, переданные модулю UDP прикладным уровнем за один вызов. Протокол UDP рассматривает  эти данные как целостное сообщение; он никогда не разбивает сообщение  для передачи в нескольких пакетах  и не объединяет несколько сообщений  для пересылки в одном пакете. Если прикладной процесс N раз вызвал модуль UDP для отправки данных (т.е. запросил отправку N сообщений), то модулем UDP будет  сформировано и отправлено N пакетов, и процесс-получатель будет должен N раз вызвать свой модуль UDP для  получения всех сообщений.

При получении пакета от межсетевого уровня модуль UDP проверяет  контрольную сумму и передает содержимое сообщения прикладному  процессу, чей номер порта указан в поле “Destination Port”.

Если проверка контрольной  суммы выявила ошибку или если процесса, подключенного к требуемому порту, не существует, пакет игнорируется. Если пакеты поступают быстрее, чем  модуль UDP успевает их обрабатывать, то поступающие пакеты также игнорируются. Протокол UDP не имеет никаких средств  подтверждения безошибочного приема данных или сообщения об ошибке, не обеспечивает приход сообщений в  порядке отправки, не производит предварительного установления сеанса связи между  прикладными процессами, поэтому  он является ненадежным протоколом без установления соединения. Если приложение нуждается в подобного рода услугах, оно должно использовать на транспортном уровне протокол TCP.

Максимальная длина UDP-сообщения равна максимальной длине IP-дейтаграммы (65535 октетов) за вычетом  минимального IP-заголовка (20) и UDP-заголовка (8), т.е. 65507 октетов. На практике обычно используются сообщения длиной 8192 октета.

Примеры прикладных процессов, использующих протокол UDP: NFS (Network File System - сетевая файловая система), TFTP (Trivial File Transfer Protocol - простой протокол передачи файлов), SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью), DNS (Domain Name Service - доменная служба имен).

2.3. Межсетевой уровень и протокол IP

Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol).

Протокол IP доставляет блоки данных, называемых дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому. IP-адрес  является уникальным 32-битным идентификатором  компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данные для дейтаграммы передаются IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и  получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом  дейтаграмма передается на уровень  доступа к среде передачи (например, одному из физических интерфейсов) для  отправки по каналу передачи данных.

Не все компьютеры могут непосредственно связаться  друг с другом; часто для того, чтобы передать дейтаграмму по назначению, требуется направить ее через  один или несколько промежуточных  компьютеров по тому или иному  маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.

Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP-адрес назначения. Если дейтаграмма адресована данному  компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня (какому конкретно - указано в заголовке дейтаграммы). Если же адрес назначения дейтаграммы - чужой, то модуль IP может принять два решения: первое - уничтожить дейтаграмму, второе - отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования - так поступают промежуточные станции - маршрутизаторы.

Также может потребоваться, на границе сетей с различными характеристиками, разбить дейтаграмму  на фрагменты, а потом собрать  в единое целое на компьютере-получателе. Это тоже задача протокола IP.

Если модуль IP по какой-либо причине не может доставить  дейтаграмму, она уничтожается. При  этом модуль IP может отправить компьютеру-источнику  этой дейтаграммы 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 дейтаграмм, предварительного установления соединения между компьютерами протокол IP не имеет. Эта задача возложена  на транспортный уровень.

Многие IP-адреса имеют  эквивалентную форму записи в  виде доменного имени (например, IP-адрес 194.84.124.4 может быть записан как  maria.vvsu.ru). Преобразование между этими двумя формами выполняется службой DNS (Domain Name Service). Доменные имена обсуждаются в курсе “Введение в Интернет”, служба DNS рассматривается в курсе “Технологии Интернет”. Доменные имена введены для удобства использования человеком. Все TCP/IP-процессы и коммуникационное оборудование используют только IP-адреса.

Протоколы IP и ICMP подробно рассмотрены в главе 2.

2.4. Уровень доступа к среде передачи

Функции этого уровня:

• отображение IP-адресов в физические адреса сети (MAC-адреса, например, Ethernet-адрес в случае сети Ethernet). Эту функцию выполняет протокол ARP (см. раздел 2.6);
• инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи (хотя он может и присутствовать), поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису (SAP, Service Access Point) - поле, содержащее код протокола межсетевого уровня, которому следует передать содержимое кадра (в нашем случае это протокол IP);
• определение метода доступа к среде передачи - то есть способа, с помощью которого компьютер устанавливает свое право на произведение передачи данных (передача токена, опрос компьютеров, множественный доступ с детектированием коллизий и т.п.).
• определение представления данных в физической среде;
• пересылка и прием кадра.

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 дейтаграммы между уровнями. Также  требуется обеспечить преобразование IP-адреса узла сети, на который передается дейтаграмма, 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.