Описание стека протоколов OSI и TCP/IP

Физический уровень

На физическом уровне и уровне звена передачи данных стек протоколов TCP/IP не отдает предпочтения ни одному протоколу. Он поддерживает все стандартные и частные протоколы передачи по кабелю, оптоволоконному кабелю и радиоканалам, которые определяются сетевыми технологиям на этом уровне (PDH — Plesiochronous Digital Hierarchy, SDH — Synchronous Digital Hierarchy, ATM — Asynchronous Transfer Mode и другими).

Канальный уровень (звена передачи данных)

На этом уровне коммутационные устройства используют различные технологии: Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP и другие.

Интернет предназначен для транспортировки любого вида информации от источника к получателю. В транспортировке информации участвуют различные элементы сети (см. рис. 1.1) – оконечные устройства, коммутационные устройства и серверы. Группы узлов при помощи коммутационных устройств объединяются в локальную сеть, локальные сети соединяются между собой шлюзами (маршрутизаторами).

Узлы, с точки зрения сети, представляют собой источники и получатели информации. Четыре нижних уровня в совокупности независимы от вида передаваемой информации. Каждое приложение, связывающееся с четвертым уровнем, идентифицируется своим уникальным номером порта. Номера портов занимают диапазон от 0 до 65535. В этом диапазоне номера портов 0-1023 выделены под общесетевые приложения (well-known ports), номера портов 1024-49151 используются разработчиками специализированного программного обеспечения, номера портов 49152-65535 динамически закрепляются за приложениями пользователей на время сеанса связи. Численные значения номеров портов стека приведены в [ 43 ] .

Транспортный уровень

На транспортном уровне TCP/IP определяет два протокола: протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP).

UDP и TCP — транспортные протоколы уровня, которые отвечают за доставку сообщения от процесса (функционирующей программы) к другому процессу.

Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP – User Datagram Protocol) — наиболее простой из двух стандартных транспортных протоколов TCP/IP. Он выполняет функции передачи между прикладными уровнями разных рабочих станций, по адресу порта, контролирует ошибки по контрольной сумме и передает информацию верхним уровням.

Протокол управления передачей (TCP – Transmission Control Protocol) обеспечивает полные услуги транспортного уровня к приложениям. TCP — достоверный транспортный протокол потока, ориентированный на дуплексный режим связи с установлением логического соединения. Для этого каждый передаваемый пакет снабжается порядковым номером, и правильный его прием должен быть подтвержден приемной стороной. В этом контексте термин поток означает передачу данных, рассчитанную на то, что соединение должно быть установлено между обоими концами передачи прежде, чем начнется передача данных. Протокол TCP имеет код протокола 6 (в шестнадцатеричном коде – 0x06) и используется для гарантированной транспортировки информации.

В конце каждой передачи TCP делит поток данных в меньшие модули, называемые сегментами. Каждый сегмент включает порядковый номер, необходимый, чтобы переупорядочить информацию после приема, и номер подтверждения для полученных сегментов. Сегменты переносятся через сеть в дейтаграммах IP. В конце получения TCP собирает каждую дейтаграмму в том виде, как она поступила, и переупорядочивает, основываясь на порядковых номерах.

Сетевой уровень

На сетевом уровне (или, более точно, межсетевом уровне) TCP/IP поддерживает протокол межсетевого взаимодействия (IP). IP, на этом (сетевом) уровне используются четыре протокола поддержки: протокол определения адреса (ARP — Address Resolution Protocol), протокол определения сетевого адреса по местоположению (RARP – Reverse Address Resolution Protocol), протокол управляющих сообщений Internet – (ICMP — Internet Control Message Protocol) и межсетевой протокол управления группами (IGMP – Internet Group Message Protocol). На этом же уровне применяются протоколы маршрутизации: протокол обмена маршрутной информацией (RIP — Routing Information Protocol), "открыть кратчайший путь первым" (OSPF — Open Shortest Path First), протокол пограничной маршрутизации (BGP — Border Gateway Protocol).

Протокол межсетевого взаимодействия (IP)

Протокол межсетевого взаимодействия (IP) — механизм передачи, используемый протоколами TCP/IP. Это ненадежная служба доставки дейтаграммы без установления соединения, но с "максимальными усилиями" (best-effort).

Термин с "максимальными усилиями" означает, что делается все возможное (максимальные усилия), чтобы передать информацию к ее пункту назначения, но IP не обеспечивает никакой проверки ошибок или их отслеживания. IP предполагает ненадежность основных уровней, без гарантий требуемого уровня сервиса.

IP транспортирует данные в пакетах, называемые дейтаграммами, каждая из которых транспортируется отдельно. Дейтаграммы могут перемещаться по различным маршрутам и могут прибыть не в исходной последовательности или быть дублированы. IP не сохраняет копию маршрутов и не имеет никаких средств для того, чтобы переупорядочить дейтаграммы, как только они достигают пункта назначения.

Ограниченные функциональные возможности IP, однако, нельзя считать слабостью. IP обеспечивает "чистые" функции передачи, которые освобождены от пользовательских особенностей, и предполагает, что на других уровнях будут добавлены те средства, которые необходимы для данного приложения, и таким образом будет достигнута максимальная эффективность.

Протокол определения адресов (ARP – Address Resolution Protocol) используется, чтобы связать адрес IP с физическим адресом. На типичной физической сети, типа локальной сети LAN (Local Area Network), каждое устройство на линии связи идентифицировано физическим адресом или адресом станции, обычно закрепленным в сетевой карте интерфейса (NIC – Network Interface Card). ARP используются, чтобы найти физический адрес узла, когда известен его адрес в сети Интернет.

Обратный протокол определения адресов (RARP — протокол определения сетевого адреса по местоположению) позволяет хосту обнаруживать его адрес в сети Интернет, когда хост знает только свой физический адрес. Он используется, когда компьютер связывается с сетью впервые или когда компьютер загружается без диска.

Протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP – Internet Control Message Protocol) — механизм, используемый хостами и шлюзами, чтобы передать извещение о дейтаграммных проблемах назад к передатчику.

Межсетевой протокол управления группами (IGMP – Internet Group Message Protocol) – обслуживает одновременную передачу сообщения к группе получателей.

Протокол пограничной маршрутизации (BGP — Border Gateway Protocol) — протокол маршрутизации между автономными системами, основанный на применении вектора пути.

Протокол обмена маршрутной информацией (RIP — Routing Information Protocol) — протокол маршрутизации, основанный на использовании алгоритма вектора расстояний.

"Открыть кратчайший путь первым" (OSPF — Open Shortest Path First) — внутрисетевой протокол маршрутизации, основанный на анализе состояния линий связи.

Прикладной уровень TCP/IP

Прикладной уровень в стеке протоколов Интернета эквивалентен объединению сеансового, представительского и прикладного уровня в модели OSI. На рис. 1.3 показаны следующие протоколы прикладного уровня:

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой почтовый протокол. Он поддерживает передачу почтовых электронных сообщений по сети Интернет. Протокол называется простым, потому что обеспечивает передачу информации пользователям, готовым к немедленной доставке. Передача осуществляется в режиме 7-битовых слов. Он требует наличия программ перехода от принятого в большинстве программ формата с 8-разрядными словами к формату с 7-разрядными словами.

Система поддерживает:

• посылку одиночных сообщений одному или более получателям;
• посылку сообщений, включающих в себя текст, голосовые сообщения, видео или графические материалы.

Протокол передачи файлов (FTP — File Transfer Protocol) используется для передачи файлов от одного компьютера к другому. Обеспечивает просмотр каталогов удаленного компьютера, копирование, удаление и пересылку файлов. FTP отличается от других протоколов тем, что устанавливает два соединения между хостами. Одно используется для передачи информации, а другое — для управления передачей.

DNS (Domain Name System) – служба доменных имен. Она осуществляет присвоение уникальных имен всем пользователям и узлам сети Интернет и устанавливает логическую связь с их сетевыми адресами. Доменное имя представляется иерархической структурой, имеющей несколько уровней. Типовые имена доменов верхнего уровня закреплены следующим образом:

SNMP (Simple Network Management Protocol) — простой протокол управления сетью. Он обеспечивает набор фундаментальных действий по наблюдению и обслуживанию Интернета.

Протокол разработан так, чтобы он мог контролировать устройства, созданные различными изготовителями и установленные на различных физических сетях. Другими словами, SNMP освобождает задачи управления от учета физических характеристик управляемых устройств и от основной технологии организации сети.

Сетевая файловая система (NFS — Network File System). Это один из многих протоколов (например, на рисунке показан еще один протокол RPC –Remote Procedure Call – вызов удаленной процедуры), который позволяет использование файлов, содержащих процедуры управления и периферии в другом компьютере.

Тривиальный (простейший) протокол передачи файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Используется в простых случаях при начальной загрузке рабочих станций или загрузке маршрутизаторов, не имеющих внешней памяти.

Протокол передачи гипертекста (HTTP — Hyper Text Transfer Protocol) — транспортный протокол, который применяется в Интернете при обмене документами, представленными на языке описания гипертекстовых документов.

Язык разметки гипертекста (HTML — Hyper Text Markup Language). Является одним из главных языков, используемых в сети WWW.

Мировая паутина (WWW — World Wide Web) – глобальная гипертекстовая информационная система. Она объединяет огромное количество документов, хранящихся во многих странах мира и доступных через сеть узлов в сети Интернет, которые связаны между собой каналами связи.