Организация межсоединений в сети ИНТЕРНЕТ

Основное, что отличает Интернет от других сетей – это её протоколы – TCP/IP. Термин TCP/IP связан с протоколами взаимодействия между компьютерами в Интернет. TCP/IP описывает технологию межсетевого взаимодействия.

Своё название протокол TCP/IP получил от двух коммуникационных протоколов (или протоколов связи): Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). Несмотря на то, что в сети Интернет используется большое число других протоколов, сеть Интернет часто называют TCP/IP-сетью, так как эти два протокола, безусловно, являются важнейшими.

В Интернет существует семь уровней взаимодействия между компьютерами: физический, логический (канальный), сетевой, транспортный, сеансов связи, представительский и прикладной. Соответственно каждому уровню взаимодействия соответствует свой набор протоколов или правил взаимодействия.

Протоколы физического уровня определяют вид и характеристики линий связи между компьютерами. В Интернет используются практически все известные в настоящее время способы связи от простого провода до волоконно-оптических линий связи.

Для каждого типа линий связи разработан соответствующий протокол логического уровня, занимающийся управлением и передачей информации по каналу. К протоколам логического уровня для телефонных линий относятся протоколы SLIP (Serial Line Interface Protocol) и PPP (Point to Point Protocol). Канальный уровень выполняет форматирование блока данных, контроль ошибок, адресацию и другие функции, необходимые, чтобы гарантировать точную передачу данных между соседними системами.

Протоколы сетевого уровня отвечают за передачу данных между устройствами в разных сетях, то есть занимаются маршрутизацией пакетов в сети. К протоколам сетевого уровня принадлежат IP (Internet Protocol) и ARP (Address Resolution Protocol).

Протоколы транспортного уровня управляют передачей данных из одной программы в другую. К протоколам транспортного уровня принадлежат TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).

Протоколы уровня сеансов связи отвечают за установку, поддержание и уничтожение соответствующих каналов. В Интернет этим занимаются уже упомянутые TCP и UDP протоколы, а также протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol).

Протоколы представительского уровня занимаются обслуживанием прикладных программ. К программам представительского уровня принадлежат программы, запускаемые для предоставления различных услуг абонентам. К таким программам, например, относятся: telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NFS-сервер, NNTP (Net News Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и др.
Представительский уровень определяет способ представления информации для обмена между прикладными программами и имеет дело лишь с синтаксисом данных.

Протоколы прикладного уровня отвечают за предоставление сетевых информационных услуг и используются непосредственно пользователем прикладных программ. На этом уровне реализуются функции, отвечающие потребностям пользователя. Расширение функциональных возможностей сети путём добавления уровня за уровнем приводит к созданию дружественного и полезного инструментария.

Наиболее полной в настоящее время считается модель открытой системы межсоединений – «Open System Interconnection (OSI)». Она описывает систему взаимодействий в процессах обмена сообщениями и данными между узлами сетей. Модель основана на декомпозиции среды на семь вышерассмотренных уровней, взаимодействие между которыми описывается соответствующими стандартами, что обеспечивает практически полную «прозрачность» взаимодействия через эти уровни вне зависимости от того, каким образом построен любой из уровней в каждой конкретной реализации.

Межсетевой протокол (IP)

С помощью линий связи обеспечивается доставка данных из одного пункта в другой. Интернет может доставлять данные во многие точки мира.

Различные участки Интернета связываются с помощью системы компьютеров (называемых маршрутизаторами), соединяющих между собой сети.

Если проводить аналогию между Интернет и почтой, рассматривая доставку данных в нужную точку, то линии связи и сети будут эквивалентны средствам доставки почты (поезд, автомобиль, самолёт и т.п.), а маршрутизаторы будут играть роль почтовых отделений (там решается, куда направлять конверты с почтой).

Определённые правила, называемые протоколами, регламентируют порядок работы Интернет. Межсетевой протокол (IP) отвечает за адресацию, т.е. гарантирует, что маршрутизатор знает, что делать с Вашими данными, когда они поступят. Следуя аналогии с почтовым ведомством, можно сказать, что межсетевой протокол выполняет функции конверта с адресом.

Определённая адресная информация приводится в начале любого сообщения. Она даёт сети достаточно сведений для доставки пакета данных.

Начало адреса содержит информацию для маршрутизаторов о том, к какой сети относится Ваш компьютер. Правая часть адреса служит для того, чтобы сообщить сети какой компьютер должен получить этот пакет. Интернет выполнит свою задачу, когда маршрутизаторы направят данные в соответствующую сеть, а эта локальная сеть – в соответствующий компьютер.

По целому ряду технических причин (в основном это аппаратные ограничения) информация, посылаемая по IP-сетям, разбивается на порции, называемые пакетами. В одном пакете обычно посылается до 1500 символов информации. Это не даёт возможности одному пользователю монополизировать сеть, однако позволяет каждому рассчитывать на своевременное обслуживание. Это также означает, что в случае перегрузки сети качество её работы несколько ухудшается для всех пользователей. Поскольку данные помещаются в «IP-конверт», то сеть имеет всю информацию, необходимую для перемещения этого пакета в пункт назначения. Здесь возникает сразу несколько проблем:

• в большинстве случаев объём пересылаемой информации превышает 1500 символов;
• может произойти ошибка, так как сети иногда теряют пакеты или повреждают их при передаче;
• последовательность доставки пакетов может быть нарушена, т.е. отосланные по одному адресу одно за другим два письма не придут в порядке их отправления.

Протоколы управления передачей данных

Для решения упомянутых выше проблем используется «протокол управления передачей» (Transmission Control Protocol, TCP).

Информацию, передаваемую по сети, ТСР разбивает на порции. Каждая порция нумеруется, чтобы можно было проверить, вся ли информация получена, и разложить данные в правильном порядке. Порция данных помещается в «пакет ТСР», который в свою очередь, помещается в «конверт IP» и передаётся в сеть.

На принимающей стороне программное обеспечение протокола ТСР собирает конверты, извлекает из них данные и располагает их в правильном порядке. Если каких-нибудь пакетов нет, программа просит отправителя передать их ещё раз. После размещения всей информации в правильном порядке эти данные передаются той прикладной программе, которая использует услуги ТСР.

В реальной жизни пакеты не только теряются, но и претерпевают изменения по дороге ввиду кратковременных отказов телефонных линиях. ТСР решает эту проблему. При помещении данных в пакет производится вычисление контрольной суммы. Когда пакет прибывает в пункт назначения, TCP обеспечивает вычисление контрольной суммы и сравнивает её с той, которую послал отправитель. Если значения не совпадают, то при передаче произошла ошибка. Принимающий ТСР отключает этот пакет и запрашивает повторную передачу.

Протокол ТСР создаёт видимость выделенной линии связи между двумя прикладными программами, т.к. гарантирует, что информация, входящая на одном конце линии, выходит на втором. В действительности не существует выделенного канала между отправителем и получателем, однако создаётся впечатление, что он есть, и на практике этого обычно бывает достаточно.

Формирование ТСР – соединения требует значительных расходов и затрат времени. Если этот механизм не нужен, лучше не использовать его. Если данные, которые необходимо послать, помещаются в одном пакете, и гарантия доставки не особенно важна, может быть использован другой протокол, который позволяет избежать таких расходов. Он называется «протокол пользовательских дейтаграмм» (User Datagram Protocol, UDP) и используется в некоторых прикладных программах.

UDP используется для тех случаев, когда посылают только короткие сообщения и могут повторить передачу данных, если ответ задерживается.

Итак, иерархию управления в TCP/IP сетях можно представить в виде пятиуровневой концептуальной модели приведённой на рис. 2.1.

Первый уровень – физический, описывает ту или иную среду передачи данных.

На втором уровне – канальном, служит аппаратно-зависимое программное обеспечение, реализующее распространение информации на том или ином отрезке среды передачи данных.

Третий уровень (сетевой) представляет собой протокол IP. Его главная задача – маршрутизация (выбор пути через множество промежуточных узлов) при доставке информации от узла-отправителя до узла-адресата. Вторая важная задача протокола IP – сокрытие аппаратно-программных особенностей среды передачи данных и предоставление вышележащим уровням единого унифицированного и аппаратно независимого интерфейса для доставки информации. Достигаемая при этом канальная (аппаратная) независимость и обеспечивает многоплатформенное применение приложений, работающих под управлением IP.

При этом протокол IP не гарантирует доставку пакетов, сохранение порядка и целостности пакетов, и не различает логические объекты (процессы), порождающие поток информации. Это задачи других протоколов – TCP и UDP, относящихся к четвёртому, транспортному уровню.

На пятом уровне (прикладном) – лежат прикладные задачи, запрашивающие услуги у транспортного уровня.