1.2.5 Протокол ip и его основные функции
Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP). Он обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей.
Название данного протокола - Intrenet Protocol - отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями. В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.
Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими IP-пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование - обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки. Например, если на промежуточном маршрутизаторе пакет был отброшен по причине истечения времени жизни или из-за ошибки в контрольной сумме, то модуль IP не пытается заново послать испорченный или потерянный пакет. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP. Именно TCP организует повторную передачу пакетов.
Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов, является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными, максимально допустимыми значениями поля данных кадров MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доминирующие позиции в сложных составных сетях.
Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и сложностью заголовка пакетов, которые этот протокол использует. Основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов. Поэтому очень полезно изучить назначение каждого поля заголовка IP-пакета, и это изучение дает не только формальные знания о структуре пакета, но и объясняет все основные режимы работы протокола по обработке и передаче IP-дейтаграмм.
1.2.6 Фрагментация
Протокол IP позволяет выполнять фрагментацию пакетов, поступающих на входные порты маршрутизаторов.
Следует различать фрагментацию сообщений в узле-отправителе и динамическую фрагментацию сообщений в транзитных узлах сети - маршрутизаторах. Во всех стеках протоколов есть протоколы, которые отвечают за фрагментацию сообщений прикладного уровня на такие части, которые укладываются в кадры канального уровня. В стеке TCP/IP эту задачу решает протокол TCP, который разбивает поток байтов, передаваемый ему с прикладного уровня на сообщения нужного размера. Поэтому протокол IP в узле-отправителе не использует свои возможности по фрагментации пакетов.
А вот при необходимости передать пакет в следующую сеть, для которой размер пакета является большим, IP-фрагментация становится необходимой. В функции уровня IP входит разбиение длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на короткие пакеты с созданием служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.
В большинстве типов локальных и глобальных сетей значения MTU, то есть максимальный размер поля данных, в которое должен инкапсулировать свой пакет протокол IP, значительно отличается. Сети Ethernet имеют значение MTU = 1500б, сети FDDI - 4096б, а сети Х.25 работают с MTU в 128б.
Процедуры фрагментации и сборки протокола IP рассчитаны на то, чтобы пакет мог быть разбит на любое количество частей, впоследствии вновь собирающихся. Получатель фрагмента использует поле идентификации для того, чтобы не перепутать фрагменты различных пакетов. Модуль IP, отправляющий пакет, устанавливает в поле идентификации значение, уникальное для данной пары отправитель - получатель, а также время, в течение которого пакет может быть активным в сети.
Поле смещения фрагмента сообщает получателю положение фрагмента в исходном пакете. Смещение фрагмента и длина определяют часть исходного пакета, принесенную этим фрагментом. Флаг «more fragments» показывает появление последнего фрагмента. Модуль протокола IP, отправляющий неразбитый пакет, устанавливает в 0 флаг и смещение во фрагменте.
Чтобы разделить на фрагменты большой пакет, модуль протокола IP, установленный на маршрутизаторе, создает несколько новых пакетов и копирует содержимое полей IP-заголовка из большого пакета в IP-заголовки всех новых пакетов. Данные из старого пакета делятся на соответствующее число частей, размер каждой из которых обязательно должен быть кратным 8 байт. Размер последней части данных равен полученному остатку.
Каждая часть данных помещается в новый пакет. При фрагментации некоторые параметры IP-заголовка копируются в заголовки всех фрагментов, другие остаются в заголовке первого фрагмента. Процесс фрагментации может изменить значения данных, расположенных в поле параметров, и значение контрольной суммы заголовка, изменить значение флага и смещение фрагмента, изменить длину IP-заголовка и общую длину пакета. В заголовок каждого пакета заносятся значения в поле смещения «fragment offset», а в поле общей длины пакета помещается длина каждого пакета. Первый фрагмент будет иметь в поле «fragment offset» значение 0. Во всех пакетах флаг «more fragments» = 1, а в последнем фрагменте = 0.
Чтобы собрать фрагменты пакета, модуль протокола IP объединяет IP-пакеты, имеющие одинаковые значения в полях идентификатора, отправителя, получателя и протокола. Таким образом, отправитель должен выбрать идентификатор таким образом, чтобы он был уникален для данной пары отправитель-получатель, для данного протокола и в течение того времени, пока данный пакет может существовать в составной IP-сети.
Модуль протокола IP имеет таблицу идентификаторов, где каждая запись соотносится с каждым отдельным получателем, с которым осуществлялась связь, и указывает последнее значение максимального времени жизни пакета в IP-сети. Однако некоторые хосты могут использовать просто уникальные идентификаторы, не зависящие от адреса получателя.
В некоторых случаях целесообразно, чтобы идентификаторы IP-пакетов выбирались протоколами более высокого, чем IP, уровня. Например, в протоколе TCP предусмотрена повторная передача ТСР - сегментов, по каким-либо причинам не дошедшим до адресата. Вероятность правильного приема увеличивалась бы, если бы при повторной передаче идентификатор для IP-пакета был бы тем же, что и в исходном IP-пакете, поскольку его фрагменты могли бы использоваться для сборки правильного ТСР - сегмента.
Каждый модуль IP должен быть способен передать пакет из 68 байт без дальнейшей фрагментации. Это связано с тем, что IP-заголовок может включать до 60 байт, а минимальный фрагмент данных - 8 байт. Каждый получатель должен быть в состоянии принять пакет из 576 байт в качестве единого куска либо в виде фрагментов, подлежащих сборке.
Если бит флага запрета фрагментации установлен, то фрагментация данного пакета запрещена, даже если в этом случае он будет потерян. Данное средство используется для предотвращения фрагментации в случаях, когда хост - получатель не имеет достаточных ресурсов для сборки фрагментов.
Рис.2.2. Фрагментация IP-пакетов при передаче между сетями с разным максимальным размером пакетов: К1 и 01 - канальный и физический уровень сети 1; К2 и Ф2 - канальный и физический уровень сети 2.
Пусть компьютер 1 связан с сетью, имеющей значение MTU в 4096 байт, например с сетью FDDI. При поступлении на IP-уровень компьютера 1 сообщения от транспортного уровня размером в 5600 байт протокол IP делит его на два IP-пакета, устанавливая в первом пакете признак фрагментации и присваивая пакету уникальный идентификатор, например 486, В первом пакете величина поля смещения равна 0, а во втором - 2800. Признак фрагментации во втором пакете равен 0 (это последний фрагмент пакета). Общая величина IP-пакета составляет 2800 + 20 (IP-заголовок), т. е. 2820
б, что умещается в поле данных кадра FDDI. Модуль IP компьютера 1 передает эти пакеты своему сетевому интерфейсу (образуемому протоколами канального уровня К 1 и физического уровня Ф1), Сетевой интерфейс отправляет кадры следующему маршрутизатору.
После того, как кадры пройдут уровень сетевого интерфейса маршрутизатора (К1 и Ф1) и освободятся от заголовков FDDI, модуль IP по сетевому адресу определяет, что прибывшие два пакета нужно передать в сеть 2, которая является сетью Ethernet и имеет значение MTU=1500. Т. е. прибывшие IP-пакеты необходимо фрагментировать. Маршрутизатор извлекает поле данных из каждого пакета и делит его еще пополам, чтобы каждая часть уместилась в поле данных кадра Ethernet. Затем он формирует новые IP-пакеты, каждый из которых имеет длину 1400 + 20 - 1420 б, что меньше 1500 байт, поэтому они нормально помещаются в поле данных кадров Ethernet.
В результате в компьютер 2 по сети Ethernet приходят 4 IP-пакета с общим идентификатором 486, что позволяет протоколу IP в компьютере 2 правильно собрать исходное сообщение. Если пакеты пришли не в том порядке, то смещение укажет правильный порядок их объединения.
IP-маршрутизаторы не собирают фрагменты пакетов в более крупные пакеты, даже если на пути встречается сеть, допускающая такое укрупнение. Это связано с тем, что отдельные фрагменты сообщения могут перемещаться по интерсети по различным маршрутам, т. е. нет гарантии, что все фрагменты проходят через какой-либо промежуточный маршрутизатор на их пути.
При приходе первого фрагмента пакета узел назначения запускает таймер, определяющий максимально допустимое время ожидания прихода остальных фрагментов этого пакета. Таймер устанавливается на максимальное из двух значений: первоначальное установочное время ожидания и время жизни, указанное в принятом фрагменте. Таким образом, первоначальная установка таймера является нижней границей для времени ожидания при c6oе. Если таймер истекает раньше прибытия последнего фрагмента, то все ресурсы сборки, связанные с данным пакетом, освобождаются, все полученные к этому моменту фрагменты пакета отбрасываются, а в узел, пославший исходный пакет, направляется сообщение об ошибке с помощью протокола ICMP.