Тема 1. Интернет. Стек протоколов TCP/IP

Интернет – глобальная система взаимосвязанных компьютерных, локальных и других сетей, которые взаимодействуют друг с другом посредством стека протоколов TCP/IP (рис. 1.).

Рисунок 1 – Обобщенная схема сети Интернет

Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к нему. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.

Основные ячейки Интернета – локальные вычислительные сети (LAN – Local Area network). Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Интернету, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к нему. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету. Они называются хост-компьютерами (host – хозяин).

Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.

Важной особенностью сети Интернет является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны.

Еще одной отличительной особенностью Интернета является высокая надежность. При выходе из строя части компьютеров и линий связи сеть будет продолжать функционировать. Такая надежность обеспечивается тем, что в Интернете нет единого центра управления. Если выходят из строя некоторые линии связи или компьютеры, то сообщения могут быть переданы по другим линиям связи, так как всегда имеется несколько путей передачи информации.

Интернет не является коммерческой организацией и никому не принадлежит. Пользователи Интернета имеются практически во всех странах мира.

Пользователи подключаются к сети через компьютеры специальных организаций, которые называются поставщиками услуг Интернета. Соединение с Интернетом может быть постоянным или временным. Поставщики услуг Интернета имеют множество линий для подключения пользователей и высокоскоростные линии для связи с остальной частью Интернета. Часто мелкие поставщики подключены к более крупным, которые, в свою очередь, подключены к другим поставщикам.

Организации, соединенные друг с другом самыми скоростными линиями связи, образуют базовую часть сети, или хребет Интернета Backbon [Бэкбон]. Если поставщик подключен непосредственно к хребту, то скорость передачи информации будет максимальной.

В действительности разница между пользователями и поставщиками услуг Интернета достаточно условна. Любой человек, подключивший свой компьютер или свою локальную вычислительную сеть к Интернету и установивший необходимые программы, может предоставлять услуги подключения к сети другим пользователям. Одиночный пользователь, в принципе, может подключиться скоростной линией непосредственно к хребту Интернета.

В общем случае, Интернет осуществляет обмен информацией между любыми двумя компьютерами, подключенными к сети. Компьютеры, подключенные к Интернету, часто называютузлами Интернета, или сайтами,от английского слова site, которое переводится как место, местонахождение. Узлы, установленные у поставщиков услуг Интернета, обеспечивают доступ пользователей к Интернету. Существуют также узлы, специализирующиеся на предоставлении информации. Например, многие фирмы создают узлы в Интернете, с помощью которых они распространяют информацию о своих товарах и услугах.

Как же осуществляется передача информации? В Интернете используются два основных понятия: адрес и протокол. Свой уникальный адрес имеет любой компьютер, подключенный к Интернету. Так же, как почтовый адрес однозначно определяет местонахождение человека, адрес в Интернете однозначно определяет местонахождение компьютера в сети. Адреса в Интернете являются важнейшей его частью, и ниже о них будет подробно рассказано.

Данные, пересылаемые с одного компьютера на другой с использованием Интернета, разбивается на пакеты. Они перемещаются между компьютерами, составляющими узлы сети. Пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Каждый пакет имеет свою маркировку, что обеспечивает правильную сборку документа на компьютере, которому адресовано сообщение.

Что такое протокол? Как ранее было сказано, протокол - это правила взаимодействия. Например, дипломатический протокол предписывает, как поступать при встрече зарубежных гостей или при проведении приема. Так же сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Стандартные протоколы заставляют разные компьютеры "говорить на одном языке". Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернету разнотипных компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.

Базовыми протоколами Интернета является стек протоколов TCP/IP. Прежде всего требуется уточнить, что, в техническом понимании TCP/IP — это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях сетевой модели (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP — протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача данных. Протокол IP — адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.

Протокол TCP. Согласно Протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.

Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке, когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество ТСР-пакетов от многочисленных клиентов.

Когда мы работаем в Интернете, то по одной единственной телефонной линии можем одновременно принимать документы из Америки, Австралии и Европы. Пакеты каждого из документов поступают порознь, с разделением во времени, и по мере поступления собираются в разные документы.

Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (Internet Protocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто — четырьмя числами, например: 195.38.46.11. Структуру IP-адреса мы подробнее рассмотрим позже. Она организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа перебросок ТСР-пакет достигает адресата.

Слово «ближе» взято в кавычки не случайно. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства — маршрутизаторы. Роль маршрутизаторов в сети обычно выполняют специализированные компьютеры, но это могут быть и специальные программы, работающие на узловых серверах сети.

Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP — набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства — Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.

Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) — это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

прикладной уровень (application layer),
транспортный уровень (transport layer),
сетевой уровень (internet layer),
канальный уровень (link layer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI (таблица 1). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Таблица 1 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI

ISO/OSI	TCP/IP
7. Прикладной	HTTP, FTP, Telnet, SMTP, DNS	4. Прикладной
6. Представительный
5. Сеансовый
4. Транспортный	TCP, UDP, RTP, SCTP, DCCP	3. Транспортный
3. Сетевой	IP (вспомогательные протоколы, вроде ICMP и IGMP работают поверх IP, но являются частью сетевого уровня)	2. Сетевой
2. Канальный	Ethernet, АТМ, Frame Relay, Token ring и подобные	1. Канальный
1. Физический

Прикладной уровень

На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений.

Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий — транспортный — уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число — уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

Канальный уровень

Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

Примеры протоколов канального уровня — Ethernet, Wi-Fi, Frame Relay, Token Ring, ATM и др.

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня — LLC и MAC.

Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

Инкапсуляция

Инкапсуляция – упаковка, или вложение, пакетов высокого уровня (возможно, разного протокола) в пакеты одного протокола (нижнего уровня), включая адрес.

Например, когда приложению требуется послать сообщение с помощью TCP, то производится следующая последовательность действий (рис. 2):

Рисунок 2 – Процесс инкапсуляции

в первую очередь, приложение заполняет специальную структуру данных, в которой указывает информацию о получателе (сетевой протокол, IP-адрес, порт TCP);
передаёт сообщение, его длину и структуру с информацией о получателе обработчику протокола TCP (транспортный уровень);
обработчик TCP формирует сегмент, в котором в качестве данных выступает сообщение, а в заголовках находится TCP-порт получателя (а также другие данные);
обработчик TCP передаёт сформированный сегмент обработчику IP (сетевой уровень);
обработчик IP рассматривает переданный TCP сегмент как данные и предваряет их своим заголовком (в котором, в частности, находится IP-адрес получателя, взятый из той же структуры данных приложения, и номер верхнего протокола;
полученный пакет обработчик IP передаёт на канальный уровень, который опять-таки рассматривает данный пакет как «сырые» данные;
обработчик канального уровня, аналогично предыдущим обработчикам, добавляет в начало свой заголовок (в котором так же указывается номер протокола верхнего уровня, в нашем случае это 0x0800(IP)) и, в большинстве случаев, добавляет конечную контрольную сумму, тем самым формируя кадр;
далее полученный кадр передаётся на физический уровень, который осуществляет преобразование битов в электрические или оптические сигналы и посылает их в среду передачи.

На стороне получателя для распаковки данных и предоставления их приложению производится обратный процесс (снизу вверх), называемый декапсуляцией.