Материал: Основные протоколы стека TCP/IP

Прикладной уровень - обеспечивает приложениям доступ к сервисам других уровней и определяют протоколы, по которым приложения могут обмениваться данными. В качестве единицы данных протоколов прикладного уровня выступают сообщения (message).

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол - простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения - UDP.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.

Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.

Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.

На этом уровне предусмотрено много протоколов и постоянно разрабатываются новые.

Протоколы прикладного уровня:

·        TFTP (Trivial File Transfer Protocol - простой протокол передачи файлов) - предназначен для первоначальной загрузки бездисковых рабочих станций.

·        BGP (Border Gateway Protocol - протокол граничного шлюза) - предназначен для обмена информацией о маршрутах между автономными системами.

·        HTTP (Hyper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста) - предназначен для передачи данных на основе клиент-серверной технологии. HTTP в настоящее время используется во всемирной паутине для получения информации с веб-сайтов.

·        DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol - протокол динамической конфигурации узла) - предназначен для автоматического распределения между компьютерами IP-адресов и конфигурационных параметров, необходимых для работы в сети TCP/IP.

·        SNMP (Simple Network Management Protocol - протокол простого управления сетями) - предназначен для управления и контроля за сетевыми устройствами и приложениями в сети передачи данных путём обмена управляющей информацией.

·        DNS (Domain Name System - система доменных имён) - компьютерная распределённая иерархическая система для получения информации о доменах, чаще всего для получения IP-адреса по символьному имени хоста.

·        SIP (Session Initiation Protocol) - протокол установления сеанса, предназначенный для установления и завершения пользовательского интернет-сеанса, включающего обмен мультимедийным содержимым.

·        SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол передачи почты, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP.

·        POP3 (Post Office Protocol Version 3) - протокол почтового отделения версии 3. Обычно используется почтовым клиентом в паре с SMTP для получения сообщений электронной почты с сервера.

·        IMAP (Internet Message Access protocol) - протокол доступа к электронной почте Интернета.

·        TELNET (TELetype NETwork) - виртуальный текстовый терминал, предназначенный для реализации текстового интерфейса в сети с использованием транспортного протокола TCP.

·        PPTP (Point-to-Point tunneling protocol) - туннельный протокол типа точка-точка, позволяющий компьютеру устанавливать защищённое соединение с сервером за счёт создания специального туннеля в незащищённой сети.

Транспортный уровень

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Протоколы транспортного уровня (Transport Layer) обеспечивают надежную передачу данных для протоколов более высоких уровней или для приложений. При этом можно выбирать уровень надежности, то есть сложности процедур, который бы обеспечил более высокому уровню достаточный уровень сервиса. К примеру, в качестве приоритетных задач можно выбрать обнаружение и исправление ошибок, или высокую срочность доставки, или восстановление аварийно прерванной связи.

Тип сервиса протокола транспортного уровня для различных сетей может быть разным. Локальная сеть, чьи линии связи надежны, может обойтись методами восстановления потерянных данных более низких уровней, не тратя вычислительные ресурсы на реализацию сложных методов коррекции ошибок на транспортном уровне. С другой стороны, какая-нибудь медленная и ненадежная линия связи глобальной сети может потребовать пристального наблюдения за ошибками именно со стороны протоколов транспортного уровня.

Протоколы транспортного уровня:

·        TCP (Transmission Control Protocol) - протокол управления передачей данных с установлением соединения, реализующий обмен данных между двумя узлами на основе некоторого соглашения об управлении потоком данных.

·        UDP (User Datagram Protocol) - дейтаграммный протокол передачи данных в виде независимых единиц - дейтаграмм (datagram).

·        RTP (Real-time transport Protocol) - предназначен для передачи трафика в реальном времени.

·        На четвёртом уровне (Application - прикладной) находятся прикладные задачи, запрашивающие сервис у транспортного уровня.

Сетевой уровень

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается 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.

Сетевой уровень, или Network Layer, расположен над канальным уровнем и служит для построения единой транспортной системы, основой которой могут стать сети, использующие различные принципы передачи данных.

Сеть, в терминах сетевого уровня модели OSI - это совокупность компьютеров, объединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенного для этой топологии.

Сетевой уровень заведует доставкой данных между сетями. Ему нет дела до подробностей передачи данных на канальном уровне: ведь протоколы сетевого уровня оперируют адресами, отличными от тех, которые используются протоколами канального уровня. Одним из самых характерных устройств сетевого уровня является маршрутизатор. Руководствуясь адресами этого уровня, он осуществляет маршрутизацию трафика и выбирает самые рациональные пути его прохождения.

Если канальный уровень оперирует кадрами (frame), то сетевой имеет дело с пакетами (packet). Примером протокола сетевого уровня является IP, входящий в стек TCP/IP. К сетевому уровню относится также протокол IPX стека IPX/SPX. Это так называемые маршрутизируемые протоколы (Routed Protocols) - протоколы, которые занимаются доставкой информации в сети. К этому же уровню относятся специфические протоколы, с помощью которых маршрутизаторы управляют трафиком. Эти так называемые протоколы маршрутизации (Routing Protocols) служат для сбора и анализа информации о топологии сети. Они, не перенося по сети данные, которые могут быть полезны пользователю, тем не менее, играют важную роль.

Протоколы сетевого уровня:

·        SLIP (Serial Line IP) - первый стандарт канального уровня для выделенных линий. Разработан специально для стека протоколов TCP/IP, который благодаря простоте может использоваться как для коммутируемых, так и для выделенных каналов. SLIP поддерживается только протоколом сетевого уровня IP. Позволяет организовать межсетевое взаимодействие, используя различные физические и канальные протоколы обмена данными.

·        HDLC (High-level Data Link Control Procedure) - высокоуровневый протокол управления каналом - стандарт ISO для выделенных линий, представляющий собой семейство протоколов LAP (Link Access Protocol), HDLC относится к бит-ориентированным протоколам.

·        PPP (Point-to-Point Protocol) - протокол двухточечного соединения, пришедший на смену протоколу SLIP и построенный на основе формата кадров протоколов семейства HDLC с дополнением собственных полей. PPP является стандартным протоколом интернета и так же, как протокол HDLC, представляет собой семейство протоколов. Назначение - управление передачей данных по выделенным или коммутируемым линиям связи, обеспечивается двунаправленная одновременная передача данных.

Канальный уровень

стек пропускной сетевой управление

Канальный уровень, он же Data Link Layer, - это уровень более «интеллектуальный», чем физический. Канальный уровень оперирует самими данными. Он разбивает поток данных, поступающих с высшего уровня, на куски, которые называются кадрами (frame). Каждый кадр оформляется особым образом. При этом помимо полезных данных передаются контрольные данные, в кадр включаются адреса принимающего и передающего оборудования и так далее. Если получатель получит поврежденный кадр (целостность кадров проверяется путем подсчета контрольной суммы), канальный уровень повторит передачу.