Протоколи мережної взаємодії

Протоколи мережної взаємодії TCP / IP

Протоколи мережної взаємодії TCP / IP є результатом еволюційного розвитку протоколів глобальної обчислювальної мережі ARPANET.

Роботи зі створення мережі ARPANET були розпочаті рядом університетів США і фірмою BBN у 1968 р. У 1971 р. мережа була введена в регулярну експлуатацію і забезпечувала для всіх своїх вузлів три основні послуги:

інтерактивний вхід користувача на вилучений вузол;
передача файлів між вузлами мережі;
електронна пошта.

Всі ці кошти базувалися на транспортних послугах надаються програмою керування мережі NCP (Network Control Program), що реалізує свій внутрішній набір протоколів.

Накопичений до 1974 р. досвід експлуатації мережі ARPANET виявив багато недоліків протоколів NCP і дозволив визначити основні вимоги до нового набору протоколів, що отримав назву TCP / IP:

незалежність від середовища передачі повідомлень;
можливість підключення до мережі ЕОМ будь-якої архітектури;
єдиний спосіб організації з'єднання між вузлами в мережі;
стандартизація прикладних протоколів.

Широко використовувана нині версія 4 протоколів TCP / IP була стандартизована в 1981 р. у вигляді документів, званих RFC (Request For Comment). Повний перехід мережі ARPANET на нові протоколи був завершений в 1982 р. Ця мережа зіграла роль "зародка" всесвітньої мережі Internet, побудованої на базі протоколів TCP / IP.

Реалізація протоколів TCP / IP виявилася найбільш вдалою у версіях BSD4.2 і BSD4.3 операційної системи UNIX. Ця реалізація є еталоном (станартом "de facto") для всіх наступних.

Примітка. Первинним сервером зберігання всіх RFC є вузол nisc.sri.com (доступ через анонімний FTP).

Більшість з нас знає TCP / IP як "клей", що з'єднує Internet. Але не багато хто здатен дати переконливий опис того, що цей протокол являє собою і як працює. Отже, що ж таке TCP / IP в дійсності?

TCP / IP - це засіб для обміну інформацією між комп'ютерами, об'єднаними в мережу. Не має значення, чи складають вони частина однієї і тієї ж мережі або підключені до окремих мереж. Не грає ролі і те, що один з них може бути комп'ютером Cray, а інший Macintosh. TCP / IP - це не залежить від платформи стандарт, який перекидає мости через прірву, що лежить між різнорідними комп'ютерами, операційними системами та мережами. Це протокол, який глобально керує Internet, і значною мірою завдяки мережі TCP / IP завоював свою популярність.

Розуміння TCP / IP головним чином на увазі здатність розбиратися в наборах таємничих протоколів, які використовуються головними комп'ютерами TCP / IP для обміну інформацією. Давайте розглянемо деякі з цих протоколів і з'ясуємо, що становить оболонку TCP / IP.

Основи TCP / IP

TCP / IP - це абревіатура терміну Transmission Control Protocol / Internet Protocol (Протокол керування передачею / Протокол Internet). У термінології обчислювальних мереж протокол - це заздалегідь узгоджений стандарт, який дозволяє двом комп'ютерам обмінюватися даними. Фактично TCP / IP не один протокол, а декілька. Саме тому ви часто чуєте, як його називають набором, або комплектом протоколів, серед яких TCP і IP - два основних.

Програмне забезпечення для TCP / IP, на вашому комп'ютері, являє собою специфічну для даної платформи реалізацію TCP, IP і інших членів сімейства TCP / IP. Звичайно в ньому також є такі високорівневі прикладні програми, як FTP (File Transfer Protocol, Протокол передачі файлів), які дають можливість через командний рядок керувати обміном файлами по Мережі.

TCP / IP - зародився в результаті досліджень, профінансованих Управлінням перспективних науково-дослідних розробок (Advanced Research Project Agency, ARPA) уряду США в 1970-х роках. Цей протокол був розроблений з тим, щоб обчислювальні мережі дослідницьких центрів в усьому світі могли бути об'єднані у формі віртуальної "мережі мереж" (internetwork). Первісна Internet була створена в результаті перетворення існуючого конгломерату обчислювальних мереж, що носили назву ARPAnet, за допомогою TCP / IP.

Причина, по якій TCP / IP настільки важливий сьогодні, полягає в тому, що він дозволяє самостійним мережам підключатися до Internet або поєднуватися для створення приватних интрасетей. Обчислювальні мережі, що складають інтрамережа, фізично підключаються через пристрої, звані маршрутизаторами або IP-маршрутизаторами. Маршрутизатор - це комп'ютер, який передає пакети даних з однієї мережі в іншу. У інтрамережі, що працює на основі TCP / IP, інформація передається у вигляді дискретних блоків, званих IP-пакетами (IP packets) або IP-дейтаграммами (IP datagrams). Завдяки програмному забезпеченню TCP / IP всі комп'ютери, підключені до обчислювальної мережі, стають "близькими родичами". По суті воно приховує маршрутизатори і базову архітектуру мереж і робить так, що все це виглядає як одна велика мережа. Точно так само, як підключення до мережі Ethernet розпізнаються по 48-розрядним ідентифікаторах Ethernet, підключення до інтрамережі ідентифікуються 32-розрядними IP-адресами, які ми висловлюємо у формі десяткових чисел, розділених крапками (наприклад, 128.10.2.3). Взявши IP-адресу віддаленого комп'ютера, комп'ютер в інтрамережі або в Internet може відправити дані на нього, як ніби вони складають частину однієї і тієї ж фізичної мережі.

TCP / IP дає рішення проблеми даними між двома комп'ютерами, підключеними до однієї і тієї ж інтрамережі, але належать різним фізичним мережам. Рішення складається з декількох частин, причому кожен член сімейства протоколів TCP / IP вносить свою лепту у спільну справу. IP - самий фундаментальний протокол з комплекту TCP / IP - передає IP-дейтаграми по інтрамережі і виконує важливу функцію, звану маршрутизацією, по суті справи це вибір маршруту, по якому дейтаграмма буде випливати з пункту А в пункт B, і використання маршрутизаторів для "стрибків "між мережами.

TCP - це протокол більш високого рівня, який дозволяє прикладним програмам, запущеним на різних головних комп'ютерах мережі, обмінюватися потоками даних. TCP поділяє потоки даних на ланцюжки, які називаються TCP-сегментами, і передає їх за допомогою IP. У більшості випадків кожний TCP-сегмент пересилається в одній IP-дейтаграми. Однак при необхідності TCP буде розщеплювати сегменти на кілька IP-дейтаграм, що вміщаються у фізичні кадри даних, які використовують для передачі інформації між комп'ютерами в мережі. Оскільки IP не гарантує, що дейтаграми будуть отримані в тій самій послідовності, в якій вони були послані, TCP здійснює повторну "складання" TCP-сегментів на іншому кінці маршруту, щоб утворити безперервний потік даних. FTP і telnet - це два приклади популярних прикладних програм TCP / IP, які спираються на використання TCP. Інший важливий член комплекту TCP / IP - User Datagram Protocol (UDP, протокол користувацьких дейтаграм), який схожий на TCP, але більш примітивна. TCP - "надійний" протокол, тому що він забезпечує перевірку на наявність помилок і обмін підтверджують повідомленнями щоб дані досягали свого місця призначення завідомо без спотворень. UDP - "ненадійний" протокол, бо не гарантує, що дейтаграми будуть приходити в тому порядку, в якому були послані, і навіть того, що вони прийдуть взагалі. Якщо надійність - бажана умова, для його реалізації буде потрібно програмне забезпечення. Але UDP як і раніше займає своє місце у світі TCP / IP, і іспльзуєт у багатьох програмах. Прикладна програма SNMP (Simple Network Management Protocol, простий протокол управління мережами), реалізований у багатьох втіленнях TCP / IP, - це один з прикладів програм UDP. Інші TCP / IP протоколи грають менш помітні, але в рівній мірі важливі ролі в роботі мереж TCP / IP. Наприклад, протокол визначення адрес (Address Resolution Protocol, ARP) ппреобразует IP-адреси у фізичні мережні адреси, такі, як ідентифікатори Ethernet. Споріднений протокол - протокол зворотного перетворення адрес (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) - виконує забезпечує зворотну дію, перетворюючи фізичні мережні адреси в IP-адреси. Протокол управління повідомленнями Internet (Internet Control Message Protocol, ICMP) являє собою протокол супроводу, який використовує IP для обміну інформацією, що управляє і контролю над помилками, що відносяться до передачі пакетів IP. Наприклад, якщо маршрутизатор не може передати IP-дейтаграму, він використовує ICMP, з тим щоб інформувати відправника, що виникла проблема. Короткий опис деяких інших протоколів, які "ховаються під парасолькою" TCP / IP, наведено в урізанні

Короткий опис протоколів сімейства TCP / IP з розшифровкою абревіатур

ARP (Address Resolution Protocol, протокол визначення адрес): конвертує 32-розрядні IP-адреси у фізичні адреси обчислювальної мережі, наприклад, у 48-розрядні адреси Ethernet.

FTP (File Transfer Protocol, протокол передачі файлів): дозволяє передавати файли з одного комп'ютера на інший з використанням TCP-з'єднань. У родинному йому, але менш розповсюдженому протоколі передачі файлів - Trivial File Transfer Protocol (TFTP) - для пересилання файлів застосовується UDP, а не TCP.

ICMP (Internet Control Message Protocol, протокол керуючих повідомлень Internet): дозволяє IP-маршрутизаторам посилати повідомлення про помилки і керуючу інформацію іншим IP-маршрутизаторам і головним комп'ютерам мережі. ICMP-повідомлення "подорожують" у вигляді полів даних IP-дейтаграм і обов'язково повинні реалізовуватися у всіх варіантах IP.

IGMP (Internet Group Management Protocol, протокол керування групами Internet): дозволяє IP-дейтаграм поширюватися в циркулярному режимі (multicast) серед комп'ютерів, які належать до відповідних груп.

IP (Internet Protocol, протокол Internet): низькорівневий протокол, що направляє пакети даних по окремих мереж, пов'язаних разом за допомогою маршрутизаторів для формування Internet або інтрамережі. Дані "подорожують" у формі пакетів, називаних IP-дейтаграммами.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол зворотного перетворення адрес): перетворить фізичні мережні адреси в IP-адреси.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простий протокол обміну електронною поштою): визначає формат повідомлень, які SMTP-клієнт, що працює на одному комп'ютері, може використовувати для пересилання електронної пошти на SMTP-сервер, запущений на іншому комп'ютері.

TCP (Transmission Control Protocol, протокол керування передачею): протокол орієнтований на роботу з підключеннями і передає дані у вигляді потоків байтів. Дані пересилаються пакетами - TCP-сегментами, - які складаються з заголовків TCP і даних. TCP - "надійний" протокол, тому що в ньому використовуються контрольні суми для перевірки цілісності даних і відправлення підтверджень, щоб гарантувати, що передані дані прийняті без перекручувань.

UDP (User Datagram Protocol, протокол користувацьких дейтаграм): протокол, що не залежить від підключень, що передає дані пакетами, називаними UDP-дейтаграммами. UDP - "ненадійний" протокол, оскільки відправник не одержує інформацію, що показує, чи була в дійсності прийнята дейтаграма.

Архітектура TCP / IP

Проектувальники обчислювальних мереж часто використовують семирiвневу модель ISO / OSI (International Standards Organization / Open Systems Interconnect, Міжнародна організація зі стандартизації / Взаємодія відкритих систем), яка описує архітектуру мереж. Кожен рівень в цій моделі відповідає одному рівню функціональних можливостей мережі. У самій основі розташовується фізичний рівень, що представляє фізичну середу, за якою "подорожують" дані, - іншими словами, кабельну систему обчислювальної мережі. Над ним є канальний рівень, або рівень ланки даних, функціонування якого забезпечується мережевими інтерфейсними платами. На самому верху розміщується рівень прикладних програм, де працюють програми, що використовують службові функції мереж.

На малюнку показано, як TCP / IP узгоджується з моделлю ISO / OSI. Цей малюнок також ілюструє рівневе будова TCP / IP і показує взаємозв'язки між основними протоколами. При перенесенні блоку даних з мережної прикладної програми в плату мережевого адаптера він послідовно проходить через ряд модулів TCP / IP. При цьому на кожному кроці він доукомплектовується інформацією, необхідної для еквівалентного модуля TCP / IP на іншому кінці ланцюжка. До того моменту, коли дані потрапляють в мережеву плату, вони представляють собою стандартний кадр Ethernet, якщо припустити, що мережа заснована саме на цьому інтерфейсі. Програмне забезпечення TCP / IP на приймальному кінці відтворює вихідні дані для приймаючої програми шляхом захоплення кадру Ethernet і проходження його у зворотному порядку по набору модулів TCP / IP. (Один з найкращих способів розібратися у внутрішньому устрої TCP / IP стоїть у використанні програми-"шпигуна", щоб знайти всередині кадрів, "пролітають" по мережі, інформацію, додану різними модулями TCP / IP.)

Рівні мереж і протоколи TCP / IP

ISO / OSI TCP / IP

_____________________________ __________________________

| Рівень прикладних програм | | |

|_____________________________| | _________ _________ |

|_____________________________| | |_________| |_________| | Програм

_____________________________ | |

| Рівень сеансу | | |

|_____________________________| |__________________________|

| |

_____________________________ _____|_____________|______

| Транспортний рівень | | TCP UDP | Транспортний

|_____________________________| |_____|_____________|______| Рівень

| |

_____________________________ _____|_____________|______

|_____________________________| | ----> IP <--- | рівень

|__________________________|

_________

_____________________________ _______| Мережева |________

|_____________________________| |_______|_________|________| Ланки

| Даних

_____________________________ |

| Фізичний рівень | _____________|______________ Фізичний

|_____________________________| Кабельні з'єднання мережі рівень

У лівій частині цієї діаграми показані рівні моделі ISO / OSI. Права частина діаграми ілюструє кореляцію TCP / IP з цією моделлю.

Для ілюстрації ролі, яку TCP / IP грає в обчислювальних мережах в реальному світі, розглянемо, що відбувається, коли Web-браузер використовує HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачі гіпертексту) для вилучення сторінки HTML-даних з Web-сервера, підключеного до Internet . Для формування віртуального підключення до сервера браузер використовує абстракцію програмного забезпечення високого рівня, звану гніздом (socket). А щоб витягти сторінку Web, він посилає на сервер команду GET HTTP, записуючи її в гніздо. Програмне забезпечення гнізда, у свою чергу, застосовує TCP для пересилання бітів і байтів, що становлять команду GET на Web-сервер. TCP сегментує дані і передає окремі сегменти модулю IP, який пересилає сегменти в дейтаграммах на Web-сервер. Якщо браузер і сервер працюють на комп'ютерах, підключених до різних фізичних мереж (як це зазвичай буває), дейтаграми передаються від мережі до мережі до тих пір, поки не досягнуть тієї, до якої фізично підключений сервер. Зрештою дейтаграми досягають пункту свого призначення і знову збираються таким чином, щоб Web-сервер, який зчитує ланцюжка даних зі свого гнізда, отримував безперервний потік даних. Для браузера і сервера дані, записані в гніздо на одному кінці, як за помахом чарівної палички, "спливають" на іншому кінці. Але між цими подіями відбуваються всі види складних взаємодій для створення ілюзії безперервної передачі даних між обчислювальними мережами. І це практично все, чим займається TCP / IP: перетворенням безлічі невеликих мереж в одну велику і наданням послуг, які потрібні прикладним програмам для обміну інформацією один з одним по получающейся підсумку Internet.

Висновок

Про TCP / IP можна було б розповісти багато більше, але є три ключових моменти:

TCP / IP - це набір протоколів, які дозволяють фізичним мереж об'єднуватися разом для утворення Internet. TCP / IP з'єднує індивідуальні мережі для освіти віртуальної обчислювальної мережі, в якій окремі головні комп'ютери ідентифікуються не фізичними адресами мереж, а IP-адресами.
У TCP / IP використовується багаторівнева архітектура, яка чітко описує, за що відповідає кожен протокол. TCP і UDP забезпечують високорівневі службові функції передачі даних для мережевих програм, і обидва спираються на IP при передачі пакетів даних. IP відповідає за маршрутизацію пакетів до їхнього пункту призначення.
Дані, що переміщаються між двома прикладними програмами, що працюють на головних комп'ютерах Internet, "подорожують" вгору і вниз по стекам TCP / IP на цих комп'ютерах. Інформація, додана модулями TCP / IP на стороні відправника, "розрізається" відповідними TCP / IP-модулями на приймаючому кінці і використовується для відтворення вихідних даних.