Основные протоколы IP-сетей

Основные протоколы, используемые в сети Интернет, разрабатывались для работы па опре­деленном уровне модели OSI. Список протоколов очень большой, т.к. разрабатывались они агентствами (DARPA), организациями по стандартизации (IEEE, ISO, ITU-T), компаниями (Apple, Banyan, Cisco, DEC, IBM, Novell, SUN), форумами (AF, FRF) и группами (IETF, RFC). Наиболее крупный вклад внесли: DARPA (TCP/IP), Apple (AppleTalk), Novell (стек Novell).

Обзор основных протоколов

Ниже названы только протоколы стека TCP/IP, имеющие непосредственное отношение к нашей теме. Принадлежность к определенному уровню модели OSI в ряде случаев условна. Мы будем придерживаться позиций, изложенных в руководстве по ЛС (Dalacom Networking. -Ericsson Radio System AB, 2001 [1]) и справочнике (A world of protocols. Millennium Edition. - RADCOM Academy, 1999 [2]), учитывая логику и степень представленной аргументации. В руководстве [1] неко­торые протоколы, принадлежность которых к определенному уровню OSI фантомна, назва­ны аномальными. Так, протоколы BGP и RIP (по логике функций, которые они осуществля­ют) приписаны к верхним уровням, а протоколы EGP, ICMP, IGMP, OSPF - к уровню 4, а в [2] они отнесены к уровню 3. Протоколы ARP и RARP в [1] приписаны к уровню 3, а в [2] - к уровню 2.

Принадлежность протокола определенному уровню легко прослеживается, если пред­ставить протоколы в виде иерархической схемы (па базе схема OSI): верхние уровни (уровни 5-7), транспортный уровень (4), сетевой уровень (3) и уровень звена данных (2), рис. 12-1. Здесь уровни взаимодействуют через точки входа с верхнего па нижний уровень и описаны как:

· номер порта - точка входа на уровень 4 - поле "номер порта назначения" протоколов уровня 4: TCP и UDP;

· номер протокопа - точка входа на уровень 3 - поле "номер протокола" протокола IP; эти номера уникальны в рамках Интернета и опубпикованы в RFC 1700;

· код типа - точка входа на уровень 2 - поле "код типа"протокола уровня звена данных Ethernet.

Рис.12-1. Иерархическая четырехуровневая схема взаимодействия протоколов

Так, протоколы RIP и OSPF выполняют функции динамической маршрутизации, но используют разные алгоритмы. Протоколу RIP присвоен номер порта назначения (520 для UDP), используемый как его ID при инкапсуляции на уровне 4, то он, согласно [1], должен относиться к уровню 5. Протокол OSPF не имеет номера порта, а имеет номер протокола (9), используемый как его ID при инкапсуляции на уровне 3, поэтому он должен принадлежать к уровню 4, а не к уровню 3, как указано в [2]. Итак, принимая гипотезу условности и аномальности, имеем для стека TCP/IP следующее распределение протоколов по уровням [1]:

- верхние уровни - основными протоколами являются (в скобках номера портов): BGP(179), ВООТР, FTP(20,21), НТТР(80), RIP(39), SMTP(25), Telnet(23), TFTP(69), другими протоколами м.б.: DHCP, DNS(53), IMAP2(143), NTP(123), РОРЗ(ПО), RADIUS, SNMP(161);

- транспортный уровень - основными протоколами являются: TCP и UDP, другими протоколами м.б.: EGP, EIGRP, ICMP, IGMP, IGP, IGRP, OSPF, RSVP, ХТР;

- сетевой (Интернет) уровень - основные протоколы: IP, ARP, RARP, другими протоколами м.б.: IARP, Р1М и пр.;

- уровень звена данных - д.б. представлен протоколами, характеризующими основные технологии ПС: IEEE 802.2 (LLC), 802.3 (Ethernet), 802.5 (TR), 802.6 (FDDI), PPP, LAPB, LAPD, LABF, LABM и др. (не относятся к стеку TCP/IP); протоколы: CSLIP, RSRB, SLIP и др. (относятся к стеку TCP/IP) [2].

Известно, что существуют сотни Интернет-протоколов, работающих на различных уров­нях модели OSI. Ниже приведен ряд широко используемых протоколов стека TCP/IP (расшиф­ровку сокращений и краткие сведения о них можно найти в [1,2]), а также в словаре: Слепов Н.Н. Англо-русский толковый словарь сокращений в области связи. 3-е изд. - М.: Радио и связь, 2005 [3]).

Протоколы верхних уровней можно разбить на две группы: тс, что служат непосредственно конечным пользователям (1), и тс, которые обеспечивают служебные функции (2). К первой группе относят: ВОР, ВООТР, FTP, HTTP, RIP, SMTP, Telnet, TFIT.

Ко второй группе относят: DHCP, DNS, 1МЛР, NTP, POP3, RADIUS, SNMP.

Протоколы транспортного уровня. К ним относятся: TCP и UDP (подробно описаны ниже). К группе протоколов уровня 4 относятся также: EGP, EIGRP, IGP, IGRP, OSPF, RSRV, ХТР.

Протоколы сетевого уровня. К ним относятся (за исключением IP, описанного ниже): ARP, IARP, ICMP, IGMP, PIM, RARP.

Протоколы уровня звена данных. К ним относятся, напр.: CSLIP, RSRB, SLIP.

Протокол IP

IP-протокол - протокол дейтаграммного пита, работающий в JIC па уровне 3 и не требую­щий предварительного установления соединения. Он не контролирует факт прибытия дейта­граммы и качество се доставки. Поэтому считается ненадежным, не позволяющим использо­вать классы QoS, по он используется для передачи любого трафика по сети Интернет.

IP может (например, при наличии ошибок) сбросить дейтаграмму (DG) в корзину, не уве­домляя об этом источника, или фрагментировать ее. Но он может приложить все усилия (best efforts - 0-й уровень QoS) для се восстановления, облегчая се прохождение но сети.

IP описан в документе RFC 791 и фигурирует как стандарт IETF STD 0005. На практике он существует в двух модификациях IPv4 и IPv6, которые кратко описаны ниже.

Протокол IPv4

Формат заголовка протокола IP, поля опций и данных приведены на рис.12-2. Его заголовок - 20 байт (первые 5 строк по 4 байта). Он состоит из полей (биты нумеруются справа налево):

- Ver - Version - номер версии (4 бита: байт 0, биты 4-7): 0100 - версия IPv4,0101 - Stream Datagram Mode, 0110 - версия IPv6; связь между абонентами гарантируется, если они работают с одной версией IP; пакеты другой версии сбрасываются;

- IHL - Internet Header length - длина Интернет-заголовка (4 бита: байт 0, биты 0-3), 0101 - 20 байт; вообще же величина от 5 до 15 (умноженная на 4 она дает длину заголовка и служит указателем начала поля данных);

- Total length - общая длина DG (байты 2,3), м.б. до 2¹⁶-1 (т.е. до 65535 байт), минимальная длина - 576 байт;

- ToS - Type of Service - тип сервиса (байт 1, биты 0-7), используется только для опции Diflserv (IETF); биты 0-2 указывают на тип DG: 000 - обычная, 111 - управляющая; другие биты используют протоколы: OSPF, BGP;

- Identification- ID-номер (байты 4,5), используется для идентификации фрагментов DG при сборке;

- Flags - поле флагов (байт 6, биты 5-7), 0 в бите 5 означает последний фрагмент DG, бит 6 не используется, 1 в бите 7 означает, что фрагментация невозможна, и, если промежуточная сеть не может передать DG такой длины, то она сбрасывает DG в корзину, а протокол ICMP сообщает об этом хосту, создавшему DG;

- Fragment Offset - поле смещения (13 бит в байтах 6, 7); если DG велика для промежуточной сети, она разби вается на фрагменты, их размеры д.б. в пределах 0-65535 (2¹⁶-1);

- Time To Live (TTL, байт 8) - максимальное время жизни DG в секундах (1-255) до момента сброса (по умолча нию TTL=64);

- Protocol - тип протокола (байт 9), используемого с IP: 1 (ICMP), 2 (IGMP), 4 (IP), 6 (TCP), 17 (UDP), 88 (IGRP) 9,89 (OSPF), см. RFC 1700;

- Header Checksum - контрольная сумма заголовка (байты 10,11), пересчитывается, если заголовок меняется;

- Source IP Address - IP-адрес источника/отправителя (4 байта: 12-15), м.б. класса А, В, С (см. ниже);

- Destination IP Address - IP-адрес назначения/получателя (4 байта: 16-19), м.б. А, В, С, D (см. ниже);

- Options - опции (если есть, то они занимают поле длиной до 3 байт);

- Padding - дополнение к заголовку (1-3 байта), выравнивает общую длину до величины, кратной 4 байтам; IP Data - IP-данные (длина данных д.б. такова, чтобы общая длина IP-пакета не превышала 65535 байтов).

Рис.12-2. Заголовок протокола IPv4

При передаче DG по ЛС или ГлС она инкапсулируется в ноле PL (поле данных) кадров Ethernet, TR, FDDI, X.25 (IPoX.25), FR (IPoFR), ATM (IPoATM) на уровне звена данных. Если DG велика и не м.б. инкапсулирована в кадр, она разбивается маршрутизатором на фрагменты. Их длина зависит от размера максимального передаваемого блока (MTU), определяемого ЛС или ГлС. Так, для Ethernet MTU=1500 байт, а для FDDI=4096 байт. Полученные фрагменты идентифицируются в поле Fragment offset (смещение) относительно начала DG. Получить смещение в байтах можно, умножив значение этого поля на 8 (1-й фрагмент имеет нулевое смещение). Смещение учитывается при сборке фрагментов DG в узле назначения.

Протокол IPv6

IPv6 - новая версия протокола IP (RFC 1883), принята IETF в 1996г. и обновлена в 1998г. (RFC 2460). В Интернет поддерживаются обе версии IP (v4 и v6), причем передача IPv6 по сегменту, поддерживающему только IPv4, происходит по методу туннельной проводки (RFC 1933), а стек протоколов TCP/IP на уровне 3 становится двойным. Узлы сети, поддерживающие обе версии IP, называются IРv6/IРv4-узлами. Протокол IPv6 имеет следующие особенности:

· поддерживается схема адресации на основе протокола CIDR:

- CIDR (Classless Inter-Domain Routing) - маршрутизация между доменами сети без использования адресных классов - техника группирования маршрутов, уменьшающая объем передаваемых данных (RFC 1517-1519);

· введено использование физического адреса устройства (МАС-адреса) в качестве номера узла (т.е. нет необхо­димости использовать протокол конвертации адреса ARP);

· уменьшен заголовок IР-дейтаграмм;

· фрагментация DG осуществляется на конечных узлах (нужный размер MTU определяется автоматически).

Адресация IPv6 существенно отличается от адресации IPv4. Адреса источни­ка/отправителя и назначения/получателя имеют длину 16 байт (или 128 бит), т.е. нет проблемы дефицита адресов в сети: адресное пространство – 2¹²⁸ , или 3,4 • 10³⁸ (разница с IPv4 - 29 по­рядков!). Вместо двух уровней иерархии адресов: адрес сети и адрес устройства (как это было в IPv4), используется пять уровней иерархии адресов:

Префикс (заменяющий Класс сети) определяет тип используемого адреса. Их много (по­рядка 20), они отличаются назначением и долей используемого адресного пространства. Ниже показан формат адреса с префиксом 010 для Адресов идентификации провайдера с макси­мальной долей адресного пространства 1/8.

Поле "ID-организации" определяет организацию, ответственную за выделение адресов провайдерам: InterNIC (Америка), RIPE (Европа), APNIC (Азия). Резервные поля оставлены для будущего расширения, 64 бита оставлено под поле "Адрес сети и устройства". Поле за­полняется по тем же правилам, что и для протокола IPv4 с классами А, В и С. Абонентом здесь м.б. любая другая организация, которая (в свою очередь) может организовать несколько уров­ней иерархии в своей сети. IPv6 еще вводит адреса типа:

· unicast- единственный адрес, или адрес уникастинга, который м.б. глобальным (global) - основной тип адре­са в Интернет, или локальным, который делится на локальное звено (link-local} и локальный узел (site-local) -тип адреса в сетях, не связанных с Интернет (ATM, FR, Ethernet, TR, FDDI); позволяет подключать ЛС без ре­конфигурации сетевых адресов (имеет 118 бит для адресного поля и 10 бит для префикса);

· multicast - групповой адрес, или адрес мультикастинга, поддерживает групповую передачу данных;

· anycast- адрес любого в группе, или эфес эникастинга - групповой адрес для прохождения группового тра­фика через маршрутизаторы некоторых провайдеров так, чтобы DG м.б. доставлена любому члену группы, IPv6 использует "маршрутизацию от источника" (source routing), которая освобождает маршрутизаторы от ана­лиза таблиц маршрутизации, уменьшая время обработки DQ; адрес эникастинга присваивается портам мар­шрутизатора как второй адрес, общий для всех маршрутизаторов в сети данного провайдера.

Протокол IPv6 не имеет широковещательного адреса, или бродкастинга (broadcasting), который заменен мулыпикастиигом и эникастингом для повышения гибкости, эффективности и большей управляемости сети, а также для исключения флудиига (flooding) - "наводнения" в сети, вызванного массовой рассылкой пакетов при бродкастипге.

Для совместимости с IPv6 используется адрес IPv4-compatible, который занимает 32 младших бита в 128-битном поле адреса IPv6. Заголовок DG при этом бывает двух типов: ос­новной и дополнительный.

Основной заголовок имеет длину 40 байт и присутствует всегда, его формат см. ниже.

Рис.12-3. Заголовок протокола Ipv6

Здесь представлены следующие обозначения:

- Первое поле аналогично полю Version в заголовке IPv4;

- Поле "Приоритет" устанавливает приоритет DG (0-7 - низкоприоритетный, 8-15 - приоритетный трафик);

- Поле "Метка протокола" содержит подполе "Метка потока" (Flow label) для идентификации DG, требующее от маршрутизаторов особого обслуживания, за которое отвечает протокол резервирования ресурсов RSVP;

- Поле "Следующий заголовок" определяет тип заголовка, следующего за "Полем данных"; если заголовка нет, то поле соответствует полю Protocol в заголовке IPv4, определяющему протокол, работающий с IP.

Дополнительный заголовок определяет некоторые параметры. Заголовки в IPv6:

• Routing- заголовок, определяющий полный маршрут (список IP-адресов) - используется маршрутизация от источника;

• Fragmentation- заголовок, содержит сведения о фрагментации на конечных узлах сети (размер MTU опреде­ляет отправитель, он может корректироваться при прохождении по сети с помощью сообщений ICMP);

• Authentication- заголовок, идентифицирует конечные узлы и обеспечивает целостность DG;

• Encryption - заголовок, используемый для шифрования и дешифровки передаваемых данных;

• Hop-by-Hop Option - заголовок, содержит параметры, проверяемые узлами на маршруте (отладка маршрута);

• Destination Option - заголовок, содержит дополнительную информация для узла назначения/получателя. Дополнительный заголовок содержит тип следующего заголовка, формируя цепочку заголовков.

• ⇐ Назад
• 97
• 98
• 99
• 100
• 101
• 102
• 103104105
• 106
• 107
• 108
• 109
• 110
• 111
• 112
• Далее ⇒