4.2. Основы технологии tcp/ip и ip-сети

Технология TCP/IP предназначена для построения IP-сетей. Обо­значение TCP/IP указывает на стек протоколов, используемых в 1Р-се- тях, где основными являются протоколы: IP (Internet Protocol — интер- нет-протокол) и TCP (Transfer (or transport) Control Protocol — про­токол управления перед ачей). По этой технологии работают сети Ин­тернет и Интранет. Изначально IP-сети создавались только для передачи данных. Но вследствие того, что сеть Интернет приобрела глобальные размеры и пользователям сети требовалось передавать речь и видео, IP-сети приобрели свойства мультимедийных.

Основная идея построения IP-сети состоит в объединении меж­ду собой отдельных сетей в единую сеть. Объединяться могут локаль­ные (LAN) и глобальные (WAN) сети. В каждой точке соединения сетей устанавливается маршрутизатор, выполняющий роль межсе­тевого узла. Таким образом IP-сеть представляет собой составную сеть, в которую входит множество отдельных сетей. На рис. 4.2 по­казан пример составной IP-сети, включающей в себя две сети WAN и семь сетей LAN. Внутри каждой сети сообщения передаются в виде пакетов по своей технологии, например, в сети LAN — по техноло­гии Ethernet, а в сети WAN — по технологии ATM. При взаимодей­ствии между составными сетями используются протоколы TCP/IP.

Рассмотрим модель протоколов TCP/IP.

Модель включает в себя 4 уровня: сетевых интерфейсов, межсете­вого взаимодействия, транспортный и прикладной (рис. 4.3). В отли­чие от модели ВОС, счет уровней идет сверху вниз.

На уровне сетевых интерфейсов (уровень 4 TCP/IP) происходит взаимодействие с физической средой перед ачи потоков битов, а так­же выполняются функции канального уровня по передаче кадров. Здесь допустимы разнообразные интерфейсы, из которых широкое применение получили интерфейсы локальных сетей, прежде всего Ethernet, включая Fast Ether­net и Gigabit Ethernet, а также Token Ring и других LAN. При взаимодействии с глобальны-

ми сетями могут использо­ваться интерфейсы первичных систем передачи SDP и PDH, для которых предусмотрены протоколы соединений типа «точка—точка» РРР (Point to Point Protocol), SLIP (Serial Line Internet Protocol), LAPD. Предусматриваются соедине­ния с интерфейсами сетей ATM, Frame Relay, Х.25 и дру­гими. Количество интерфей­сов, взаимодействующих с уровнем 4 протоколов TCP/IP, не ограничено.

На уровне межсетевого взаимодействия (уровень 3 TCP/IP) регламентировано не­сколько протоколов, из кото­рых главным является прото­кол IP. Он выполняет основ­ные сетевые функции: выбор маршрута для каждого пакета, пересылку пакета с входа на выход (коммутация) узла. В терминале этот протокол формирует и вставляет (инкапсулирует) в каждый па­кет адрес сетевого узла назначения (IP-адрес). Этот уровень характе­ризуется негарантированной доставкой пакетов получателю.

На этом уровне также работают протоколы маршрутизации: RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), прото­кол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol), протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol) и другие протоколы.

Протоколы маршрутизации необходимы для составления таблиц маршрутизации, в соответствии с которыми протокол IP выбирает

Рис. 4.3. Модель протоколов TCP-IP

маршрут передачи пакетов. Эти протоколы на основании собран­ных в сети данных периодически редактируют таблицу маршрутиза­ции, т.е. вносят и удаляют записи в этой таблице. Такая маршрутиза­ция называется динамической. Протоколы маршрутизации также подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние работают в пределах одной составной сети, относящейся к одному администра­тору (оператору) сети. Внешний протокол используется для связи между сетями разных администраторов (операторов).

Протокол RIP относится к дистанционно-векторным внутренним протоколам. Принцип его работы состоит в том, что каждый марш­рутизатор периодически широковещательно рассылает информацию о расстоянии от себя до всех известных ему подсетей (вектор рассто­яний), входящих в данную составную сеть. Расстояние измеряется в условных единицах — хопах. Каждый маршрутизатор принимает информацию, рассылаемую маршрутизаторами других подсетей. Маршрутизатор сравнивает полученную информацию с тем, что за­писано в его таблице маршрутизации и при необходимости изменя­ет записи в этой таблице. Такое может произойти, если, например, нарушилось какое-либо звено составной сети. В результате в табли­це для каждой подсети указано расстояние до нее (в хопах) и адрес маршрутизатора в этой подсети. Протокол RIP применяется для от­носительно небольших сетей.

Протокол OSPF относится к протоколам состояния связей, ис­пользующий алгоритм SPF поиска кратчайшего пути в графе. Каж­дая вершина графа соответствует одному маршрутизатору сети, а реб­ра — связям между маршрутизаторами. В маршрутизаторах с помо­щью специальной процедуры формируются базы данных состояния связей между маршрутизаторами. Базы данных в маршрутизаторах одинаковы и представляют собой полное описание графа сети. В базе данных для каждой связи содержится оценка качества передачи, на­званная метрикой. Чем меньше метрика, тем выше качество связи. Алгоритм SPF, основываясь на базе данных состояния связей, вы­числяет кратчайшие пути между заданной вершиной графа и всеми остальными вершинами. Результатом работы этого алгоритма явля­ется таблица маршрутизации.

OSPF применяется для внутренней маршрутизации в системах сетей любой сложности.

Протокол ICMP предназначен для обмена информацией об ошиб­ках между маршрутизаторами сети и узлом, являющимся источником пакетов. С помощью специальных пакетов протокола ICMP источник извещается о невозможности доставки пакета, превышении времени жизни пакета, недопустимых величинах параметров и об иных событиях.

Протокол ARP служит для того, чтобы по IP-адресу можно было бы найти МАС-адрес. Поиск происходит либо внутри узла сети, либо путем обращения к ARP-серверу.

Транспортный уровень (уровень 2 TCP/IP) также называется ос­новным. На этом уровне функционируют протокол управления пе­редачей TCP и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную переда­чу сообщений между приложениями пользователей за счет образо­вания виртуальных соединений. При использовании протокола UDP пакеты передаются ненадежно. Ненадежная передача требует мень­шего времени обработки блоков данных и следовательно сообще­ния передаются с меньшей задержкой. По этой причине протокол UDP используется при передаче речи и видео в реальном масштабе времени. Этот протокол выполняет только функции связующего зве­на между протоколом IP и приложениями.

Прикладной уровень (уровень 1 TCP/IP) включает в себя множе­ство протоколов, обеспечивающих взаимодействие с приложени­ями пользователей. Чаще всего здесь используются протоколы:

HTTP — протокол доставки гипертекстовых сообщений; TELNET — протокол удаленного доступа; FTP и TFTP — протоколы передачи файлов; SMTP — протокол почтового обмена; SNMP — протокол сетевого управления. Для передачи речи и видео в реальном масш­табе времени на прикладном уровне применяется протокол RTP (Realtime Transport Protocol — протокол передачи в реальном масш­табе времени). На этом же уровне работают протоколы сигнализа­ции, например SIP (Session Initiation Protocol — протокол иниции­рования сеансов), используемые для установления соединений и разъединений между речевыми и видеоприложениями.

Каждый из протоколов прикладного уровня взаимодействует с одним из протоколов транспортного уровня. Например, протокол TCP используют приложения с протоколами FTP и HTTP, а прото­кол UDP — приложения с протоколами TFTP, SMTP, SNMP (Simple Network Management Protocol — простой протокол управления се­тью), DNS (Domain Name Service — доменная служба имен), RTP. Такой протокол как SIP может работать как с UDP, так и TCP.

В соответствии с принципами функционирования модели ВОС в пункте отправления сообщения при переходе с верхнего уровня на нижний нвдювом уровне к блоку данных добавляется заголо­вок. В пункте доставки при переходе с нижнего уровня на верх­ний на новом уровне из блока происходит изъятие соответствую­щего заголовка. В качестве примера на рис. 4.4 показана передача блока сообщения через сеть Ethernet. В пункте отправления наприкладном уровне из сообщения выделяется блок данных и пере­дается на транспортный уровень, на котором участвует протокол TCP. Эшг протокол добавляет свой заголовок и передает новый блок дан­ных, получивший название сегмент, на уровень межсетевого взаи­модействия. Здесь с помощью IP-протокола добавляется новый за­головок, в результате чего образуется IP-пакет. Теперь IP-пакет по­ступает в интерфейс сети Ethernet, где он вставляется в кадр Ethernet, имеющий Ethernet-заголовок. Далее кадр передается через сеть Ethernet.

В IP-сетях протоколы всех четырех уровней модели TCP/IP вы­полняются только в оконечном оборудовании, к которому чаще все­го относятся компьютеры пользователей, IP-телефоны и шлюзы. В маршрутизаторах работают только протоколы двух нижних уров­ней. Для наглядности на рис. 4.5 показан пример обмена данными между двумя компьютерами, включенными в две локальные сети Ethernet. Между LANI и LAN2 включен маршрутизатор.

Рассмотрим один из важных вопросов — адресация в IP-сетях.

В IP-сетях применяются три вида адресов: локальный (МАС-ад- рес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).

Локальный адрес действует внутри одной сети, входящей в состав­ную сеть. В сети LAN — это МАС-адрес, присваиваемый сетевому адапдеру компьютера или порту маршрутизатора. Эти адреса назна­чаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, поскольку распределяются централизовано. МАС-адрес имеет формат 6 байтов, из которых старшие 3 байта указывают на производителя оборудования, а младшие 3 байта назначаются уни­кальным образом самим производителем. Локальные адреса также назначаются внутри глобальных сетей.

Сетевой или IP-адрес обеспечивает обмен информацией между пользователями составных сетей. Он используется протоколом се­тевого уровня — протоколом IP. Обычно IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети задается централизо­вано международным центром — NIC (Network Information Center), а номера узлов назначаются администратором соответствующей сети.

Символьный адрес записывается в виде символов и состоит из нескольких частей, например, из имени компьютера, имени орга­низации, имени домена (например, servl.pgups.spb.ru). Важно отме­тить, что прежде чем начнется обмен пакетами между пользователями, символьный адрес преобразовывается в IP-адрес. При этом каж­дому символьному адресу соответствует свой IP-адрес.

Рассмотрим подробнее IP-адреса на примере широко используе­мой четвертой версии протокола IP (IPv4).

Существуют классовые и бесклассовые модели IP-адресов.

Классовая модель. Каждый IP-адрес имеет длину 4 байта и запи­сывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например: Двоичная форма: Десятичная форма:

1000000100001100 0000001000011111 129.12.2.31

В каждом IP-адресе содержатся номера сети (№ сети) и узла этой сети (№ узла). Кроме тою, в старших битах 4-го байта записывается код класса. Всего существует пять классов: А, В, С, D и Е, которые отличаются назначением и длинами полей, отведенных для номе­ров сети и узла (рис. 4.6).

Адреса классов А, В и С предназначены для пересылки паке­тов между двумя узлами пользователей. Адреса класса D исполь­зуются для групповой пересылки пакетов (режим multicast). Класс Е зарезервирован для дальнейшего применения. Первые слева биты, от одного до пяти, используются для определения класса IP-ад­ресов.

Класс А предназначен для крупных сетей, когда в одной сети мо­жет быть примерно до 224 узлов, а количество сетей может достигать 2⁷—2 (126 сетей, т.к. 0 не используется, а 127 — имеет специальное применение).

Класс В служит для построения сетей средних размеров, когда в одной сети может быть примерно до 216. Количество сетей может составлять примерно 2¹⁴.

Класс С предназначен для небольших сетей с числом узлов в од­ной сети до 254. Таких сетей может быть достаточно много, пример­но—до 2²¹.

В классе D содержатся адреса для групповой пересылки пакетов. Используя такой адрес, пакеты от одного узла можно рассылать ко всем узлам, входящим в данную группу. При этом допускается, что­бы один узел сети входил в несколько групп. Узлы одной группы могут входить в разные IP-сети.

Таким образом, приведенный выше IP-адрес 129.12.2.31 относится к классу В.

Рис. 4.6. Классы IP-адресов

Под узлом в IP-адресации в первую очередь понимается терми­нальное оборудование, к которому чаще всего относятся персональ­ные компьютеры. Однако IP-адреса присваиваются также отдель­ным портам маршрутизаторов составной сети. Допускается, чтобы один компьютер входил в несколько IP-сетей. Такому узлу будет при­своено несколько IP-адресов.

Важно отметить, что в отдельной сети, входящей в составную сеть, каждому IP-адресу соответствует локальный адрес, например МАС-адрес.

В любой IP-сети используются два важных правила. Если в но­мере узла сети записаны нули, то это адрес, присвоенный самой сети (адрес сети в составной сети). Если в номере узла сети — все едини­цы, то пакет участвует в широковещательной передаче (broadcast). При такой передаче пакеты от узла отправления доставляются ко всем узлам данной сети.

В IP-адресации также предусмотрено несколько адресов специ­ального назначения, которые здесь не рассматриваются.

Бесклассовая модель. В такой модели используются также 4-бай­товые адреса. Отличие от классовой модели состоит в том, что в бес­классовой модели более гибко задаются границы между номером сети и номером узла. Это позволяет значительно лучше использовать ад­реса внутри IP-сети. Правила работы бесклассовой модели опреде­лены стандартом CIDR (Classless Internet Direct Routing — Прямая бесклассовая маршрутизация в сети Интернет).

Граница между номерами сети и узла устанавливается с шагом в один бит (в адресации с классами — с шагом в один байт). Чтобы установить такую границу в посылаемом в сеть пакете к IP-адресу добавляется 32-битовое двоичное слово, которое называют Маской сети (netmask) или Маской подсети (subnet mask). В старших разря­дах Маски записывается непрерывный ряд единиц, определяющих в IP-адресе биты, соответствующие номеру сети.

Для удобства записи IP-адрес в модели CIDR часто представля­ется в виде a.b.c.d / п, где a.b.c.d — IP-адрбс, п — количество бит, относящихся к номеру сети. Например, может быть следующая за­пись: 129.12.2.31/14. Маска сети для этого адреса имеет вид: 14 еди­ниц (номер сети) и 16 нулей (номер узла), что в представлении в виде байтов имеет вид:

11111111.11111100.00000000.00000000 или 255.252.0.0.

В пункте приема пакета номер сети определяется побитным ум­ножением IP-адреса на Маску. Номер узла получается побитным умножением IP-адреса на инвертированную Маску сети.

В настоящее время в IP-сетях преимущественно используется бесклассовая модель.