Введение в сетевые протоколы

Transport layer (layer 4)

Рассмотрим протокол 4-го транспортного уровня модели OSI. Семейство TCP/IP включает в себя два таких протокола – TCP и UDP. TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) обеспечивает виртуальные соединения между пользовательскими приложениями и гарантирует точную доставку данных. UDP (User Datagram Protocol, протокол передачи датаграмм пользователя) служит для быстрого обмена специальными сообщениям (датаграммами) без гарантии доставки.

Основные характеристики TCP и UDP показаны в табл. 16.3.

TCP

TCP/IP представляет собой комбинацию двух уровней, TCP и IP. IP – протокол третьего уровня – обеспечивает наилучшую, но не гарантированную доставку данных через сеть. TCP – протокол четвертого уровня – позволяет эту гарантию обеспечить. Поэтому совместно они могут предоставить большее количество сервисов.

Работа по TCP-протоколу начинается с установления соединения. Два компьютера (один из них инициатор соединения, второй – принимающий) обмениваются специальными пакетами в три этапа. Условно их можно назвать "запрос", "подтверждение" и "подтверждение на подтверждение". Такая процедура необходима, чтобы при получении какого-нибудь старого пакета (например, делается вторая попытка установить соединение) не возникало никаких неоднозначностей.

После успешного установления соединения участники могут начать обмениваться данными. Рассмотрим пример HTTP-сервера, который отправляет HTML-страницу клиенту. Текст может быть слишком длинным, чтобы уместиться в один пакет, поэтому первая задача уровня TCP – разбить сообщение на несколько пакетов, а на стороне отправителя – собрать их опять в единое целое. Поскольку очередность пакетов несомненно важна, каждый получает порядковый номер.

Следующая задача протокола – обеспечить гарантированную доставку. Делается это с помощью следующей процедуры. Отправитель посылает пакет с номером n и начинает ждать. Получатель в случае успешного прихода пакета n, отправляет подтверждение о получении ("квитанцию"), в котором также указывает номер n. Если отправитель в течение определеннного времени (тайм-аута) не получает подтверждения, он считает пакет n потерянным и отсылает его еще раз.

Разумеется, отправителю неэффективно просто ждать, пока получатель получит и обработает каждый пакет по одному. Поэтому процедура усложняется, вводится специальное понятие – "окно" (window). Окно имеет некоторый размер, предположим, 10. Это означает, что передача начинается с отсылки 10 первых пакетов. Получатель может принять их не в том порядке, в каком они были отосланы. Тем не менее, на каждый успешно полученный пакет отсылается подтверждение с указанием номера такого пакета. Если отправитель отослал уже все 10 пакетов, но квитанция о получении пакета 1 так и не пришла, то передача приостанавливается, а по прошествии тайм-аута первый пакет считается потерянным и пересылается еще раз. Если же подтверждения приходят регулярно, то отправляются новые пакеты, но не более 10 единовременно.

Этот алгоритм носит название "скользящего окна". Если представить, что все пакеты выстроены в ряд, то окно "скользит" по нему, определяя, какие пакеты готовы для отсылки. Такой подход обеспечивает гарантированную доставку при максимально возможной скорости передачи данных. Разумеется, протокол TCP работает не столь быстро, ведь часть пропускной способности сети тратится на пересылку квитанций и повторов потерянных пакетов. Однако, большое количество информации требуется доставлять именно таким образом. Понятно, что части, например, текста должны составляться в строгом порядке и без пропусков. Были разработаны специальные механизмы, автоматически регулирующие величины таких характеристик, как тайм-аут и размер окна, для достижения оптимальной производительности.

UDP

В отличие от TCP, UDP не гарантирует доставку данных. UDP не устанавливает виртуального соединения, источник просто шлет специальные сообщения (в UDP они называются датаграммами) получателю. Если данные были доставлены некорректно, или вообще часть пакетов потерялась, UDP не позволяет их восстановить. Запрос на получение данных должен будет выполняться заново.

Казалось бы, недостатков у такого протокола довольно много, что ставит под сомнение его эффективность. Но есть сервисы, где UDP незаменим. Например, при передаче потокового аудио-видео если бы мы использовали TCP, то при потере одного пакета у нас была бы приостановлена трансляция для его повторной передачи. При использовании UDP один потерянный пакет – всего лишь незначительное (наверняка, вообще незаметное пользователю) ухудшение изображения/звука, при этом передача данных не прерывается. Также при использовании UDP не обязательно устанавливать виртуальное соединение, не нужно отсылать квитанции – все это ускоряет работу протокола.

Порты

Как было рассмотрено, для протокола IP достаточно знать IP-адрес, чтобы обработать сообщение. Оба протокола транспортного уровня, TCP и UDP, дополнительно используют порты (port) для взаимодействия с вышестоящими уровнями. Порт описывается числом от 0 до 65535 и позволяет операционной системе распределять пакеты, приходящие на транспортный уровень, между различными прикладными программами. Предположим, пользователь одновременно скачивает файл с FTP-сервера и работает с удаленным сервером базы данных. От обоих этих серверов пользовательская машина будет получать по сети пакеты и необходимо правильно передавать их соответствующим приложениям (FTP-клиенту и БД-клиенту).

Часть портов зарезервирована под стандартные приложения. Например, для FTP зарезервирован порт 21, для telnet – 23, для HTTP – 80. Далее приведен список распределения портов:

• порты меньше 255 используются для публичных сервисов;
• порты из диапазона 255-1023 назначаются компаниями-разрабочиками для приложений;
• номера свыше 1023 – не регулируемые.

Таким образом, говоря об установленном TCP-соединении, имеют ввиду 4 числа: IP-адрес и порт одной стороны и те же параметры второй стороны. Например, если пользователь со своей машины 194.11.22.33 обратился через браузер к web-серверу 213.180.194.129, то это означает, что установлено соединение 194.11.22.33:10123-213.180.194.129:80 (номер 10123 выбран произвольно – используется любой незанятый порт).

Используется также термин "сокет" (socket), под которым подразумевается пара "IP-адрес:порт" – адресная "точка" для сетевых обращений.

Session layer (layer 5)

После транспортного уровня пакет поступает на уровень сессий. Когда приложения, запущенные на различных машинах, начинают взаимодействовать через сеть, то между ними происходит множество мини-"переговоров", обменов, диалогов, из которых и состоит сетевая сессия.

Session layer координирует установление и завершение соединений и сессий между приложениями.

Presentation layer (layer 6)

Этот уровень отвечает за представление данных, пересылаемых по сети. Он обеспечивает следующую функциональность: data formatting (presentation, то есть преобразование данных в понятный получателю формат), data encryption (шифрование), data compression (сжатие данных). Presentation layer выполняет одну или все эти функции во время передачи сообщений между 7-м и 5-м уровнями. Приведем пример использования уровня представлений.

Предположим, хост-получатель использует EBCDIC (кодировка, применяемая на крупных IBM-серверах для передачи символов в виде чисел), а хост- отправитель – ASCII (традиционная кодировка для персональных компьютеров). Presentation layer будет обеспечивать преобразование пересылаемых между этими машинами данных.

Для обеспечения безопасности при передаче частной информации через публичные сети необходимо шифрование данных. Один из распространенных протоколов, используемых для этой цели, – SSL (Secured Sockets Layer) – может быть отнесен к уровню представлений.

Если канал связи обладает низкой пропускной способностью, целесообразно применять компрессию данных. Представительский уровень, используя математические алгоритмы, позволяет уменьшить объем передаваемых данных. Что касается высокоскоростных каналов, то для них использование компрессии может потребовать значительных вычислительных мощностей при больших объемах трафика.

Application layer (layer 7)

Последний уровень – уровень приложений, на котором определяются взаимодействующие стороны, учитывается авторизация пользователя, определяется качество обслуживания (quality of service) и, собственно, обеспечивается выполнение прикладных задач, таких, как обмен файлами, электронными письмами и т.д. Уровень приложения – это не само приложение, хотя зачастую программы выполняют некоторые функции Application layer.

Уже упоминались многие протоколы этого уровня: FTP, HTTP, telnet. Этот список легко продолжить, например, протоколы POP3 и SMTP для получения и отправки электронных писем, или протоколы DNS (Domain Name System, служба имен доменов), обеспечивающие преобразование числовых IP- адресов в текстовые доменные имена и обратно. Хотя Internet с технической точки зрения построен на основе IP-адресации, текстовые имена понятнее и легче запоминаются, а потому гораздо более распространены среди обычных пользователей.

Рассмотрим принцип работы DNS более подробно. Все привыкли обращаться к, например, web-серверам по доменному имени. С другой стороны для установления соединения требуется IP-адрес. Так, при обращении к серверу www.ru устанавливается TCP-соединение с хостом 194.87.0.50.

Поскольку в сети огромное количество серверов, DNS-имена являются иерархическими, иначе с ними было бы очень затруднительно работать. Иерархические части имени записываются через точку. Первый уровень указывается последним. Первоначально существовало 7 трехбуквенных доменов первого уровня:

• com – commercial (коммерческие организации);
• org – non-profit (некоммерческие организации);
• net – network service (организация работы сети);
• edu – educational (образование, зачастую – американские университеты);
• int – international (международные организации);
• gov – government (правительство, организации американского правительства);
• mil – military (военные, американские военные организации).

Кроме того, для каждой страны был заведен двухбуквенный домен, например, ru - Россия, su – СССР, us – США, fr – Франция и т.д. В последнее время вводятся новые доменные имена верхнего уровня, такие, как biz и info.

В каждом домене первого уровня может быть множество доменов второго уровня. Так, существует множество сайтов в домене ru, или com. У домена второго уровня может быть множество доменов третьего уровня и т.д.

Как же определить, какому IP-адресу соответствует доменное имя сервера, к которому обращается пользователь? Для этого существует аналогичная иерархическая система DNS-серверов, каждый из которых отвечает за свой домен. В сетевых настройках компьютера указывается адрес локального DNS-сервера. При запросе к нему сервер сначала проверяет список имен, за которые отвечает он сам, и кеш. Если искомое имя ему неизвестно, он делает запрос вышестоящему DNS-серверу. Например, при обращении к intuit.ru будет сделан запрос к DNS-серверу, отвечающему за домен ru.

В свою очередь, сервер intuit.ru знает про все имена в своей зоне intuit.ru, либо, в случае обращения к домену следующего уровня (например, node1.host1.intuit.ru ), знает адрес другого сервера ( host1.intuit.ru ), который за него отвечает, и на этот сервер перенаправляет запрос.

Таким образом можно установить IP-адрес для любого зарегистрированного доменного имени.