Как упоминалось в предыдущей главе, TCP/IP — это не просто один-два протокола; обычно реализуется сразу целый набор протоколов, или, как иногда называют, стек протоколов. В предыдущей главе мы познакомились с соответствием между протоколами из стека TCP/IP и эталонной моделью OSI, но теперь рассмотрим этот стек более подробно. Как можно видеть на рис, стек TCP/IP состоит из четырех уровней: уровень приложений, транспортный уровень, уровень Интернета и сетевой уровень. В совокупности эти четыре уровня охватывают все функции модели OSI.
Внизу стека находится уровень сетевого интерфейса, который соответствует физическому уровню модели OSI. Этот уровень отвечает за перенос кадров в среду передачи и за извлечение кадров из среды передачи. Необходимо отметить, что это независимый от среды передачи уровень. Не имеет значения, будет ли это медный провод, волоконно-оптический кабель, лазер, инфракрасные лучи или радио. Кроме того, он не зависит от метода доступа к среде. Поэтому в локальной вычислительной сети (LAN) стек TCP/IP можно использовать поверх Ethernet, Token Ring или FDDI, и, конечно, можно использовать TCP/IP совместно с различными технологиями глобальных сетей (WAN), таких как последовательный канал, использующий старый протокол SLIP, или протокол РРР, который был создан как усовершенствование старого стандарта SLIP. РРР предоставляет службы канального уровня, которые включают обнаружение ошибок, управление конфигурацией, а также методы безопасности. Другим типом технологий WAN является коммутация пакетов, например Frame Relay или ATM.
Следующим уровнем снизу является уровень Интернета, который предоставляет функции, соответствующие второму (канальному) и третьему (сетевому) уровням модели OSI. Уровень Интернета отвечает за инкапсуляцию пакетов в дейтаграммы IP и выполняет все необходимые алгоритмы маршрутизации. Здесь имеются четыре протокола IP: протокол управляющих сообщений Интернета (Internet Control Message Protocol, iCMP), протокол управления группами Интернет (Internet Group Management Protocol, IGMP), протокол Интернет (Internet Protocol, IP) и протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol, ARP). Протокол ICMP используется для отправки сообщений и сообщений об ошибках относительно доставки пакетов. Он осуществляет это от имени IP. ICMP не делает IP "надежным" протоколом, но он может предоставить определенный уровень обратной связи по специальным условиям. Сами сообщения ICMP переносятся как дейтаграммы, т.е. без обеспечения надежности. Следующим протоколом, представленным на этом уровне, является IGMP. Он используется компьютерами для сообщения о своем членстве в определенной группе, чтобы получать широковещательные рассылки от маршрутизаторов, которые поддерживают широковещание. Эти рассылки передаются как дейтаграммы, т.е. являются ненадежной формой коммуникации. Последними двумя протоколами Интернета, о которых необходимо сказать, являются IP и ARP. В связи с важностью сетевой коммуникации мы рассмотрим их более детально. Остановимся сначала на протоколе IP.
IP отвечает за адресацию и маршрутизацию пакетов между компьютерами и сетями. (Каждое устройство в сети IP, имеющее IP-адрес, называется хостом; иногда хостами называют компьютеры, маршрутизаторы, принтеры и даже управляемые концентраторы.) Именно поэтому адрес, присвоенный хосту, поддерживающему стек TCP/IP, называется IP-адресом. Это протокол без поддержки соединения, т.е. он не создает сеанс перед передачей данных. В этом отношении он является ненадежным протоколом, так как не гарантирует доставку, не требуя подтверждения, что данные получены в месте назначения. Следующим протоколом уровня Интернета является протокол ARP.
ARP используется для поиска аппаратного адреса машины в сети. Этот адрес, называемый иногда адресом МАС или адресом платы Ethernet, требуется, если два компьютера собираются общаться друг с другом. Адрес МАС должен быть преобразован в адрес IP, чтобы хосты общались с помощью протокола IP. ?RP преобразует адрес с помощью широковещательной рассылки для всех хостов в локальной сети. Компьютер места назначения будет отвечать пакетом, который содержит IP-адрес и адрес МАС. Эта информация будет затем храниться в кэше ARP на локальной машине. Последующая информация предназначена для удаленного хоста; сначала будет проверяться кэш ARP, а затем посылаться другое широковещательное сообщение.
Второй уровень сверху является транспортным уровнем, отвечающим за обеспечение сеансов коммуникации между компьютерами. В стеке существуют два транспортных протокола. Это протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP). Для наличия двух транспортных протоколов в стеке есть серьезная причина, так как они работают по-разному. ТСР является протоколом с поддержкой соединения, т.е. сначала он создает соединение с другой машиной. Используемый, когда требуется надежное соединение, он обеспечивает подтверждение доставки каждого пакета. Если подтверждение не получено, то посылающий компьютер пошлет информацию повторно. С другой стороны, UDP является протоколом без поддержки соединения, он не требует соединения и не гарантирует доставку пакета. Это протокол, работающий без гарантии доставки: он оставляет задачу отслеживания пакетов и управление потоком данных приложению, которое обращается к транспортному уровню.
Вверху модели находится уровень приложений. В стандартной реализации стека протоколов TCP/IP на этом уровне существует множество утилит. Такие протоколы, как FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов), Telnet, SNMP (Simple Network Management Protocol, простой протокол управления сетью), DNS (служба имен доменов) находятся на этом уровне, так как именно здесь приложения получают доступ к сети. В реализации TCP/IP компании Microsoft есть два способа, которыми приложения могут получить доступ к сети: либо через NetBIOS, либо через Windows Sockets. Интерфейс NetBIOS позволяет протоколам TCP/IP или NetBEUI использовать службы именования и сообщений, используя соглашение об именах NetBIOS, в то время как служба Windows Sockets предоставляет интерфейс прикладного программирования (API) для транспортных протоколов, таких как TCP/IP или IPX.
Протокол управления передачей (протокол TCP) может выполнять базовую пересылку данных, используя непрерывный поток данных размером в байт. Данные упаковываются в сегменты для передачи протоколом Интернета. В общем TCP сам выполняет управление потоком и сам решает, когда передавать и когда задержать данные, если потребуется. Определена функция push, которая позволяет пользователю узнать, когда TCP успешно передал все данные, предоставленные ему приложением. Посылающий TCP может собирать данные от посылающих пользователей и посылать эти данные в сегментах по своему собственному усмотрению, пока не будет вызвана функция push, после чего он должен послать все не отосланные данные. Когда принимающий TCP видит флаг PUSH, он не должен ждать дополнительные данные от посылающего TCP, прежде чем передать данные в получающий процесс. Push заставляет TCP переслать и доставить полученные до этого момента данные прямо получателю. Мы увидим флаг push в некоторых примерах.
Чтобы восстановить поврежденные, потерянные, пришедшие в неправильном порядке или как-нибудь иначе поврежденные данные, TCP присваивает порядковый номер каждому передаваемому октету. Это позволяет уровню TCP на получающей машине знать, в каком порядке должны прийти пакеты, чтобы правильно их собрать. В дополнение к порядковым номерам, каждый правильно полученный пакет должен также подтверждаться (путем передачи служебного сообщения АСК) получающим TCP. Если АСК не получен в течение периода ожидания, данные будут посланы повторно. Для определения, что пакет был поврежден, используется контрольная сумма. Она добавляется к каждому сегменту, передаваемому посылающей машиной, и проверяется получателем.
Управление потоком обеспечивается с помощью "окна", которое посылается назад с каждым АСК. Это окно является диапазоном порядковых номеров, которые могут быть переданы в следующем раунде коммуникации. Они находятся за последним успешно полученным сегментом. Окно указывает число октетов, которое может послать отправитель, прежде чем получить следующее разрешение. Чтобы хост разрешал общаться через TCP в одно время нескольким процессам, используются порты. Добавление номера порта в конце адреса IP (например: 123.123.123.123:29) формирует со-кет. Пара сокетов используется для идентификации соединения, поэтому сокет можно использовать для переноса данных в обоих направлениях в одно время, т.е. это "дуплексная передача".
Хотя каждый хост отвечает за номера портов, которые он использует для этих соединений, некоторые функции были присвоены "хорошо известным портам". Эти службы доступны по известным адресам. Список этих хорошо известных портов находится в Приложении А. Комбинация сокетов, номеров последовательности и размеров окон называется соединением. Два процесса общаются, устанавливая сначала соединение. Когда коммуникация заканчивается, соединение закрывается, чтобы освободить ресурсы.
Есть два интерфейса, поддерживаемые протоколом управления передачей. Это интерфейс пользователя и интерфейс Интернета. Интерфейс пользователя позволяет вызвать пять основных функций протокола. Этими функциями являются: Открыть соединение, Закрыть соединение, Передать данные, Получить данные и Статус. Функция "Статус" выдает информацию о соединении. Эти пять вызовов действуют так же, как их аналоги в любой другой программе. Например, можно открыть или закрыть файл таким же образом, как TCP выполняет функции аналогичного типа. Пассивный запрос OPEN (открыть) означает, что процесс хочет принять входящие запросы соединения, а не пытается инициировать соединение.
Часто процесс, запрашивающий пассивный OPEN, будет принимать запрос соединения от любого вызывающего абонента. В этом случае для обозначения неуказанного сокета будет использоваться внешний сокет только из нулей. Неопределенные внешние сокеты допускаются только на пассивных OPEN. Процесс службы, которая желает предоставлять услуги для других неизвестных процессов, будет создавать пассивный запрос OPEN с неопределенным внешним сокетом. Затем можно будет создать соединение с любым процессом, который запрашивает соединение с этим локальным сокетом. Это полезно, если известно, что этот локальный сокет связан с данной службой.
Хорошо известные сокеты являются удобным механизмом связывания адреса сокета со стандартной службой. Например, процесс "TelnetServer" постоянно присвоен определенному сокету, а другие сокеты зарезервированы для передачи файлов. Интерфейс Интернета, поддерживаемый TCP, предоставляет только два вызова. Он может посылать или получать дейтаграммы, адресованные модулям TCP на других хостах. Эти вызовы имеют ряд параметров, которые можно задавать. Они задаются как флаги в кадре, как мы увидим в примерах трассировок. Эти параметры включают тип службы, приоритеты, безопасность и другую управляющую информацию.
Следующие разделы объясняют, как работают некоторые из наиболее общих команд TCP, и дают значительно лучшее понимание ситуации при поиске неисправностей. Описанные ниже пользовательские команды определяют базовые функции, которые будет выполнять TCP для поддержки коммуникации между процессами. Хотя эти команды не обязательно будут видны, мы найдем признаки их работы в рассматриваемых примерах трассировки. Различные реализации могут изменять точный формат или предоставлять комбинации или подмножества базовых функций в одиночных вызовах. В частности, некоторые реализации могут захотеть открывать соединение автоматически при получении команды пользователя SEND (послать) или RECEIVE (получить) для данного соединения. При предоставлении средств коммуникации между процессами TCP должен не только принимать команды, но также и возвращать информацию процессам, которые он обслуживает. Она представляет собой общую информацию о соединении (т.е. прерывания, удаленное закрытие, связывание неопределенного внешнего сокета). Ответы на специальные команды пользователя указывают успех или различные виды отказов.
Мы предполагаем, что локальный TCP знает идентичность процессов, которые он обслуживает, и будет проверять полномочия процесса на использование указанного соединения. В зависимости от реализации TCP идентификаторы локальной сети и TCP для адреса источника будут поставляться либо TCP, либо протоколом нижнего уровня (например, IP). Эти свойства являются результатом рассмотрения вопросов безопасности, чтобы один TCP не смог маскировать другой, и т.д. Аналогичным образом, ни один процесс не может маскировать другой без возникновения конфликта TCP.
Если флаг "активный/пассивный" (Active/Passive) задан как пассивный, то он представляет собой вызов LISTEN для входящего соединения. Пассивное открытие может иметь либо полностью специфицированный внешний сокет, ожидающий определенное соединение, либо не специфицированный внешний сокет, ожидающий любой вызов. Полностью специфицированный пассивный вызов можно сделать активным последующим выполнением команды SEND. Блок управления передачей (ТСВ) создается и частично заполняется данными из параметров команды OPEN. На активной команде OPEN TCP сразу начнет процедуру синхронизации (т.е. создания) соединения.
Параметр задержки (если присутствует) позволяет вызывающей стороне установить задержку для всех данных, переданных TCP. Если данные не будут доставлены в место назначения в течение времени задержки, TCP прервет соединение. По умолчанию в настоящее время используется пять минут.
TCP или некоторый компонент операционной системы будет проверять полномочия пользователя на открытие соединения с указанным приоритетом или защитой/ячейкой. Отсутствие приоритета или спецификации защиты/ячейки в вызове OPEN указывает, что должны использоваться значения по умолчанию.
TCP будет принимать входящие запросы как подходящие только в том Случае, если информация защиты/ячейки в точности совпадает и если приоритет равен или выше приоритета, запрошенного в вызове OPEN.
Приоритет соединения равен большему из значений, запрошенному в вызове OPEN и полученному из входящего запроса, и фиксируется на этом значении в течение жизни соединения. Реализации могут захотеть предоставить пользователю управление этим согласованием приоритета. Например, пользователь может определять, что приоритет должен точно совпадать, или что любая попытка увеличить приоритет подтверждается пользователем.
TCP будет возвращать пользователю имя локального соединения. Имя локального соединения может затем использоваться в качестве сокращенного термина для соединения, определенного парой <локальный сокет внешний сокет>.
TCP вызывает модуль низкоуровневого протокола для реальной отправки и получения информации через сеть. Одним из случаев является система взаимодействия сетей ARPA, где низкоуровневым протоколом будет IP. Если низкоуровневым протоколом является IP, он предоставляет аргументы для типа службы и для времени жизни. TCP использует следующие настройки для этих параметров: Type of service = precedence: routine; Delay: normal; Throughput: normal; Reliability: normal; или 00000000. Время жизни = одна минута, или 00111100. Отметим, что предполагаемое максимальное время жизни сегмента равно двум минутам. Здесь мы явно указываем, что сегмент будет уничтожен, если его окажется невозможно доставить по Интернету в течение одной минуты. Если нижним уровнем является IP (или другой протокол, который предоставляет это свойство) и используется маршрутизация источника, интерфейс должен разрешать передавать информацию о маршруте. Особенно важно, чтобы адреса источника и места назначения, используемые в контрольной сумме TCP, принадлежали исходному источнику и конечному месту назначения. Также важно сохранить маршрут возврата для ответа на запросы соединения.
Любой низкоуровневый протокол должен предоставлять адрес источника, адрес места назначения, поля протокола и некоторый способ определения "длины TCP" одновременно для предоставления функционально эквивалентной службы IP и для использования в контрольной сумме TCP. Обработка, показанная в этом разделе, является примером одной возможной реализации. Другие реализации могут иметь иную последовательность обработки, но они должны отличаться от приведенной в данном разделе только в деталях, а не по существу. Активность TCP можно охарактеризовать как реакцию на события. Происходящие события можно разделить на три категории: пользовательские вызовы, прибывающие сегменты и истечение времени ожидания. Этот раздел описывает обработку, которую выполняет TCP в ответ на каждое из этих событий. Во многих случаях требуемая обработка зависит от состояния соединения.
Протокол IP создан для использования в связанных системах компьютерных коммуникационных сетей с коммутацией пакетов. Протокол IP обрабатывает передаваемые от источника к месту назначения блоки данных, называемые дейтаграммами, где источниками и местами назначения являются хосты, идентифицированные адресами фиксированной длины. Протокол IP предусматривает также фрагментацию и повторную сборку длинных дейтаграмм.
Функции IP ограничены доставкой пакетов битов (дейтаграмм Интернета) от источника к месту назначения через связанную систему сетей. В нем не существует механизмов для обеспечения надежности двухточечной передачи данных, управления потоком, упорядочивания или других служб, присутствующих обычно в протоколах взаимодействия хостов. Протокол IP может использовать службы поддерживающих его сетей для предоставления служб различных типов и качества.
Этот протокол вызывается протоколами взаимодействия хостов в среде Интернета. Он вызывает протоколы локальных сетей для переноса дейтаграмм Интернета к следующему шлюзу или хосту места назначения. Например, модуль ТСР будет вызывать модуль IP, чтобы получить сегмент ТСР (включая заголовок ТСР и данные пользователя) как часть с данными дейтаграммы IP. Модуль ТСР будет предоставлять адреса и другие параметры в заголовке IP модулю IP как аргументы вызова. Модуль IP будет затем создавать дейтаграмму IP и вызывать интерфейс локальной сети для передачи дейтаграммы.
Протокол IP реализует две базовые функции: адресацию и фрагментацию. Модули IP используют адреса, передаваемые в заголовке ГР, для передачи дейтаграмм IP в направлении их места назначения. Выбор пути доступа для передачи называется маршрутизацией. Модули IP используют поля заголовка IP в случае необходимости для фрагментации и повторной сборки дейтаграмм IP.
Модель работы состоит в том, что модуль IP располагается на каждом хосте, вовлеченном в коммуникацию Интернета, и на каждом шлюзе, который соединяет сети. Эти модули используют общие правила для интерпретации полей адреса и для фрагментации и сборки дейтаграмм IP. Кроме того, эти модули (особенно на шлюзах) имеют процедуры для принятия решений о маршрутизации и другие функции.
Протокол IP интерпретирует каждую дейтаграмму IP как независимую сущность, не связанную с другой дейтаграммой IP. Не существует никаких соединений или логических связей (виртуальных или каких-либо других).
Протокол IP использует четыре ключевых механизма при предоставлении своих служб: тип службы, время жизни, параметры и контрольная сумма заголовка. Тип службы используется для указания качества желательной службы. Тип службы является абстрактным или обобщенным множеством параметров, характеризующих варианты служб, предоставляемых в сетях, из которых состоит Интернет. Это указание типа службы должно использоваться шлюзами для выбора параметров реальной передачи для определенной сети, которая будет применяться для следующего перехода или для следующего шлюза при маршрутизации дейтаграммы IP. Время жизни является указанием верхней границы времени жизни дейтаграммы IP. Оно задается отправителем дейтаграммы и уменьшается в точках вдоль маршрута, где оно обрабатывается. Если время жизни достигает нуля до того, как дейтаграмма Интернета достигает своего места назначения, дейтаграмма IP разрушается. Время жизни можно считать пределом времени саморазрушения.
Параметры, предоставляемые для управляющих функций, необходимы или полезны в некоторых ситуациях, но для большинства обычных коммуникаций не нужны. Параметры включают обеспечение отметок времени, безопасности и специальной маршрутизации. Контрольная сумма заголовка предоставляет проверку того, что информация, используемая при обработке дейтаграмм IP, была передана правильно. Данные могут содержать ошибки. Если контрольная сумма заголовка неправильная, дейтаграмма IP тотчас отбрасывается сущностью, которая обнаружила ошибку. Протокол IP не предоставляет надежного средства коммуникации. Не существует подтверждений между конечными точками или точками перехода. Отсутствует контроль ошибок данных, только контрольная сумма заголовка. Не существует повтора передачи и управления потоком. Обнаруженные ошибки могут сообщаться через протокол IСМР, который реализован в модуле протокола IP.
Протокол IP, с одной стороны, общается с протоколами коммуникации хостов более высокого уровня, а с другой стороны, с протоколом локальной сети.
