Многоуровневая структура стека TCP/IP

В стеке ТСР/IP определены 4 уровня (рис. 34). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи – организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.

Рис. 34. Многоуровневая структура стека ТСР/IP

1-й уровень. Прикладной (application) уровень стека ТСР/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представительному и сеансовому. Он объединяет службы, предоставленные системой пользовательским приложениям. Протоколы прикладного уровня устанавливаются на «хостах», то есть конечном узле в Интернете. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер.

В отличие от протоколов других трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети, они обращаются к протоколам нижних уровней как к некоторому набору инструментов. Так, клиентская часть протокола прикладного уровня для обмена сообщениями со своей серверной частью, установленной на отдельном узле составной сети, должна обратиться с запросом к нижележащему транспортному уровню.

Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к нему широко используемых протоколов сетевых служб типа Telnet – протокола эмуляции (преобразования характеристик реального терминала в характеристики, принятые в информационной сети) терминала, FTP (File Transfer Protocol) – протокола копирования файлов, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простого протокола передачи электронной почты, HTTP (Hypertext Transfer Protocol) – протокола передачи гипертекстовой информации и многих других.

2-й уровень. Основной, или транспортный (transport), уровень стека ТСР/IP может предоставлять вышеизложенному уровню два типа сервиса:

• гарантированная доставка – протокол управления передачей (Transmission Control Protocol) – ТСР;

• доставка по возможности («best effort») – протокол пользовательских дейтаграмм (датаграмм) (User Datagram Protocol) – UDP.

FTP – File Transfer Protocol – протокол передачи файлов.

SMPT – Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты.

SNMP – Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью.

HTTP – HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста.

Telnet – служба, которая осуществляет сервис виртуального терминала.

Протоколы инкапсуляции – способ передачи пакетов немаршрутизируемых протоколов в пакеты какого-либо сетевого протокола.

Архитектура ARPANET – информационная сеть Агентства перспективных исследований проектов (DAPPA) МО США.

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу – надежной информационной связи между двумя отдельными узлами – решает основной (транспортный) уровень стека ТСР/IP.

Первый протокол ТСР – «гарантированная доставка» – обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений, 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.

Данный протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. ТСР дает возможность без ошибок доставить сформулированный на одном из компьютеров поток байтов с любого другого компьютера, входящего в составную сеть. ТСР делит поток байтов на части – сегменты и передает их нижележащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол ТСР снова соберет их в непрерывный поток байтов.

Второй протокол этого уровня UDP – доставка «по возможности» – простейшим дейтаграммным протоколом, который используется в том случае, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня – системными прикладными службами или пользовательскими приложениями.

Таким образом, этот поток обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задачу на передачу данных с тем или иным качеством, после выполнения рапортует об этом прикладному уровню. К нижележащему уровню межсетевого взаимодействия протоколы ТСР и UDP обращаются как к своего рода инструменту, не очень надежному, но способному перемещать пакеты в свободном и рискованном путешествии по составной сети. Протоколы ТСР и UDP, так же как и протокол прикладного уровня, устанавливаются на хостах (конечных узлах Интернета).

3-й уровень. Уровень межсетевого взаимодействия (internet), называемый также сетевым (network) уровнем, является стержнем всей архитектуры ТСР/ IP.

Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах всей составной сети. Протоколы уровня межсетевого взаимодействия поддерживают интерфейсы с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети. Он реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом, и обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным.

Основным протоколом межсетевого уровня (в терминах модели OSI) является межсетевой протокол IP (Internet Protocol). В его задачу входит продвижение пакета между подсетями – от одного программного маршрута до другого, до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов «прикладного» и «основного» уровней, протокол IP устанавливается не только на хостах, но и на всех шлюзах (маршрутизаторах в Интернете). Протокол IP – это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу «по возможности», в соответствии с которым он не берет на себя ответственность за доставку пакета до узла назначения. Если же по каким-то причинам пакет теряется (например, из-за переполнения буфера), протокол IP не пытается повторить его передачу. Максимум, на что он способен, – послать уведомление о потере пакета узлу-отправителю.

Протокол IP изначально проектировался как хорошо масштабируемое средство передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Учитывая, что между двумя узлами сети может пролегать несколько возможных путей, задача перемещения данных в составной сети включает задачу прокладки и выбора маршрутов.

Протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), также относятся к уровню межсетевого взаимодействия.

На этом же уровне работает и протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol), предназначенный для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом – источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Выбор последовательности шлюзов, через которые надо передавать пакет, чтобы он дошел до места назначения, – это задача протоколов уровня межсетевого взаимодействия. А вот перемещение пакета между соседними шлюзами в пределах каждой из встречающихся на пути пакета подсетей – это уже задача локальной (то есть использующейся в каждой из подсетей) технологии. Каждый раз, когда требуется воспользоваться локальными средствами доставки пакета в пределах подсети, протокол IP обращается к нижележащему уровню межсетевых интерфейсов.

Протоколы маршрутизации (например, RIP или OSPF) следует отличать от собственно сетевых протоколов (например, IP или IPX).

В то время как первые собирают и передают по сети чисто служебную информацию о возможных маршрутах, вторые предназначены для передачи пользовательских данных.

4-й уровень. Уровень сетевых интерфейсов (network interface) является интерпретацией функций самого нижнего уровня. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем сеть ТСР/ IP должна иметь средства включения себя в любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть ни использовала. Нижний уровень стека ТСР/ IP отвечает только за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей. Упрощенная задача обеспечения интерфейса между двумя технологиями сводится, во-первых, к определению способа упаковки («инкапсуляции») пакета IP в единицу передаваемых данных промежуточной сети, а во-вторых, к определению способа преобразования сетевого адреса следующего шлюза в новый тип адреса, который принят для адресации узлов в технологии данной промежуточной сети.