Введение в TCP/IP

Работа сети Internet основана на использовании семейства коммуникационных протоколов TCP/IP, что расшифровывается как Transmission Control Protocol/Internet Protocol (Протокол управления передачей данных/Протокол Internet). TCP/IP используется для передачи данных как в глобальной сети Internet, так и во многих локальных сетях. В этой главе кратко рассматриваются протоколы TCP/IP и применяемые в них способы управления передачей данных.

Разумеется, для работы с Internet в качестве пользователя не требуется никаких специальных знаний о протоколах TCP/IP, но понимание основных принципов поможет вам в решении возможных проблем общего характера, возникающих, в частности, при настройке системы электронной почты. TCP/IP также тесно связан с двумя другими базовыми приложениями Internet FTP и Telnet. Наконец, знание ряда основополагающих концепций Internet поможет вам в полной мере оценить степень сложности этой системы, подобно тому как представление о работе двигателя внутреннего сгорания помогает проникнуться уважением к устройству автомобиля.

Что такое TCP/IP

TCP/IP - это название семейства протоколов передачи данных в сети. Протокол - это набор правил, которых должны придерживаться все компании, чтобы обеспечить совместимость производимого аппаратного и программного обеспечения. Эти правила гарантируют, что машина фирмы Digital Equipment, работающая с пакетом TCP/IP, сможет общаться с PC Compaq, также работающим с TCP/IP. При соблюдении определенных стандартов для функционирования всей системы не имеет значения, кто является производителем программного обеспечения или аппаратных средств. Идеология открытых систем предполагает использование стандартных аппаратных средств и программного обеспечения. TCP/IP - открытый протокол, и это значит, что вся специальная информация о протоколе издана и может быть свободно использована.

Протокол определяет, каким образом одно приложение связывается с другим. Эта связь программного обеспечения подобна диалогу: "Я посылаю вам эту порцию информации, затем вы посылаете мне обратно то-то, потом я отправлю вам это. Вы должны сложить все биты и послать обратно общий результат, а если возникнут проблемы, вы должны послать мне соответствующее сообщение." Протокол определяет, как различные части полного пакета управляют передачей информации. Протокол указывает, содержит ли пакет сообщение электронной почты, статью телеконференции или служебное сообщение. Стандарты протокола сформулированы таким образом, что принимают во внимание возможные непредвиденные обстоятельства. Протокол также включает правила обработки ошибок.

Термин TCP/IP включает названия двух протоколов - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). TCP/IP не является одной программой, как ошибочно полагают многие пользователи. Напротив, TCP/IP относится к целому семейству связанных между собой протоколов, разработанных для передачи информации по сети и одновременного обеспечения информацией о состоянии самой сети. TCP/IP является программным компонентом сети. Каждая часть семейства TCP/IP решает определенную задачу: отправление электронной почты, обеспечение удаленного обслуживания входа в систему, пересылку файлов, маршрутизацию сообщений или обработку сбоев в сети. Применение TCP/IP не ограничено глобальной сетью Internet. Это наиболее широко используемые во всем мире сетевые протоколы, применяемые как в крупных корпоративных сетях, так и в локальных сетях с небольшим числом компьютеров.

Как только что говорилось, ТСР/IР - не один протокол, а их семейство. Почему иногда употребляют термин ТСР/IР, хотя имеется в виду сервис, отличный от TCP или IP? Обычно общее название используют при обсуждении всего семейства сетевых протоколов. Однако некоторые пользователи, говоря о TCP/IP, имеют в виду лишь некоторые из протоколов семейства: они предполагают, что другая сторона в диалоге понимает, о чем конкретно идет речь. В действительности лучше называть каждый из сервисов своим именем, чтобы внести большую ясность в предмет разговора.

Компоненты TCP/IP

Различный сервис, включаемый в TCP/IP, и их функции могут быть классифицированы по типу выполняемых задач. Далее приводится описание групп протоколов и их назначение.

Транспорт н ые протоколы управляют передачей данных между двумя машинами.

TCP (Transmission Control Protocol). Протокол, поддерживающий передачу данных, осно­ванную на логическом соединении между посылающим и принимающим компьютерами.

UDP (User Datagram Protocol). Протокол, поддерживающий передачу данных без установ­ления логического соединения. Это означает, что данные посылаются без предварительного установления соединения между компьютерами получателя и отправителя. Можно провести аналогию с отправлением почты по какому-то адресу, когда нет никакой гарантии, что это сообщение прибудет к адресату, если он вообще существует. (Две машины соединены в том смысле, что обе подключены к Internet, но они не поддерживают связь между собой через логическое соединение.)

Протоколы маршрутизации обрабатывают адресацию данных и определяют наилучшие пути до адресата. Они также могут обеспечивать разбиение больших сообщений на несколько сообщений меньшей длины, которые затем последовательно передаются и компонуются в единое целое на компьютере-адресате.

IP (Internet Protocol). Обеспечивает фактическую передачу данных.

ICMP (Internet Control Message Protocol). Обрабатывает сообщения состояния для IP, например, ошибки и изменения в сетевых аппаратных средствах, которые влияют на маршрутизацию.

RIP (Routing Information Protocol). Один из нескольких протоколов, которые определяют наилучший маршрут доставки сообщения.

OSPF (Open Shortest Path First). Альтернативный протокол для определения маршрутов.

Поддержка сетевого адреса - это способ идентификации машины с уникальным номером и именем. (Более подробно об адресах см. ниже в этой главе.)

ARP (Address Resolution Protocol). Определяет уникальные числовые адреса машин в сети.

DNS (Domain Name System). Определяет числовые адреса по именам машин.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Определяет адреса машин в сети, но способом, обратным ARP.

Прикладные сервисы - это программы, которые пользователь (или компьютер) использует для получения доступа к различным услугам. (Более подробно см. "Прикладные программы TCP/IP" позже в этой главе.)

ВООТР (Boot Protocol) загружает сетевую машину, читая информацию для начальной загрузки с сервера.

FTP (File Transfer Protocol) передает файлы между компьютерами.

TELNET обеспечивает удаленный терминальный доступ к системе, т. е. пользователь одного компьютера может соединяться с другим компьютером и чувствовать себя так, как будто он работает за клавиатурой удаленной машины.

Шлюзовые протоколы помогают передавать по сети сообщения о маршрутизации и информацию о состоянии сети, а также обрабатывать данные для локальных сетей. (Более подробно о шлюзовых протоколах см. "Шлюзовые протоколы" позже в этой главе.)

EGP (Exterior Gateway Protocol) служит для передачи маршрутизационной информации для внешних сетей.

GGP (Gateway-to-Gateway Protocol) служит для передачи маршрутизационной информации между шлюзами.

IGP (Interior Gateway Protocol) служит для передачи маршрутизационной информации для внутренних сетей.

NFS (Network File System) позволяет использовать каталоги и файлы удаленного компьютера так, как если бы они существовали на локальной машине.

NIS (Network Information Service) поддерживает в сети информацию о пользователях не­скольких компьютеров, упрощая вход в систему и проверку паролей.

RPC (Remote Procedure Call) позволяет удаленным прикладным программам связываться друг с другом простым и эффективным способом.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - это протокол, который передает сообщения электронной почты между машинами. SMTP обсуждается более подробно в гл. 13 "Как работает электронная почта в Internet."

SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для администрирования, который посылает сообщения о состоянии сети и подключенных к ней устройств.

Все эти виды сервиса в совокупности составляют TCP/IP - мощное и эффективное семейство сетевых протоколов.

Числовой адрес компьютера

Каждая машина, которая подключена к Internet или любой другой TCP/IP-сети, должна быть уникально идентифицирована. Без уникального идентификатора сеть не знает, как доставить сообщение для вашей машины. Если один и тот же идентификатор окажется у нескольких компьютеров, то сеть не сможет адресовать сообщение.

В Internet компьютеры сети идентифицируются путем назначения Internet-адреса или, более правильно, IP-адреса. IP-адреса всегда имеют длину 32 бита и состоят из четырех частей по 8 бит. Это значит, что каждая часть может принимать значение в пределах от 0 до 255. Четыре части объединяют в запись, в которой каждое восьмибитовое значение отделяется точкой. Например, 255.255.255.255 или 147.120.3.28 - это два IP-адреса. Когда речь идет о сетевом адресе, то обычно имеется в виду IP-адрес.

Если бы использовались все 32 бита в IP-адресе, то получилось бы свыше четырех миллиардов возможных адресов - более чем достаточно для будущего расширения Internet! Однако некоторые комбинации битов зарезервированы для специальных целей, что уменьшает число потенциальных адресов. Кроме того, 8-битные четверки сгруппированы специальными способами в зависимости от типа сети, так что фактическое число возможных адресов еще меньше.

IP-адреса назначаются не по принципу перечисления хостов в сети -1, 2, 3, ... На самом деле IP-адрес как бы состоит из двух частей: адреса сети и адреса хоста в этой сети. Благодаря такой структуре IP-адреса компьютеры в разных сетях могут иметь одинаковые номера. Поскольку адреса сетей различны, то компьютеры идентифицируются однозначно. Без такой схемы нумерация быстро становится очень неудобной.

IP-адреса выделяются в зависимости от размеров организации и типа ее деятельности. Если это небольшая организация, то скорее всего в ее сети немного компьютеров (и, следовательно, IP-адресов). Напротив, у большой корпорации могут быть тысячи компьютеров, объединенных в несколько соединенных между собой локальных сетей. Для обеспечения максимальной гибкости IP-адреса выделяются в зависимости от количества сетей и компьютеров в организации и разделяются на классы А, В и С. Еще существуют классы D и Е, но они используются для специфических целей.

Три класса IP-адресов позволяют распределять их в зависимости от размера сети организации. Так как 32 бита - допустимый полный размер IP-адреса, то классы разбивают четыре 8-битные части адреса на адрес сети и адрес хоста в зависимости от класса. Один или несколько битов зарезервированы в начале IP-адреса для идентификации класса.

Адреса класса А - числа между 0 и 127

Адреса класса В - числа между 128 и 191

Адреса класса С - числа между 192 и 223

Если IP-адрес вашей машины - 147.14.87.23, то вы знаете, что ваша машина находится в сети класса В, сетевой идентификатор - 147.14, а уникальный номер вашей машины в этой сети - 87.23. Если IP-адрес - 221.132.3.123, то машина находится в сети класса С с сетевым идентификатором 221.132.3 и идентификатором хоста 123.

Всякий раз, когда посылается сообщение какому-либо хост-компьютеру в Internet, IP-адрес используется для указания адреса отправителя и получателя. Конечно, вам не придется самому запоминать все IP-адреса, так как для этого существует специальный сервис TCP/IP, называемый Domain Name System (Доменная система имен).

Доменные имена

Когда компания или организация хочет использовать Internet, то нужно принять решение; либо самим непосредственно подключаться к Internet, либо возложить решение всех вопросов подключения на другую компанию, называемую сервис-провайдером. Большинство компаний выбирают второй путь, чтобы уменьшить количество оборудования, снять вопросы администрирования и снизить общие затраты.

Если компания решила непосредственно подключиться к Internet (а иногда и при подключении через сервис-провайдера), может возникнуть желание получить для себя уникальный идентификатор. Например, корпорация АВС может захотеть получить адрес электронной почты в Internet, содержащий строку abc.com. Такой идентификатор, включающий название фирмы, позволяет отправителю определить компанию адресата.

Чтобы получить один из этих уникальных идентификаторов, называемых доменным именем, ком­пания или организация посылает запрос в орган, который контролирует подключение к Internet - Network Information Center (InterNIC). Если InterNIC утверждает имя компании, то оно добавляется в базу данных Internet. Доменные имена должны быть уникальны, чтобы предотвратить коллизии.

Последняя часть доменного имени называется идентификатором домена верхнего уровня (например, .corn). Существуют шесть доменов верхнего уровня, установленных InterNIC:

Агра Идентификатор сети ARPANET

Corn Коммерческие компании

Edu Образовательные учреждения

Gov Правительственные учреждения или организации

Mil Военные учреждения

Org Организации, которые не относятся ни к одной из перечисленных категорий

Сервис WWW

World Wide Web (WWW, Всемирная паутина) - это новейший вид информационных услуг Internet, основанный на архитектуре клиент-сервер. В конце 80-х годов в CERN (Европейский центр физики элементарных частиц) начались работы по созданию информационного сервиса, который позволил бы любому пользователю легко найти и прочитать документы, размещенные на серверах в любой части Internet. Для этого был разработан стандартный формат документов, позволяющий наглядным образом представить информацию на дисплее компьютера любого типа, а также обеспечить возможность установки внутри одних документов ссылок на другие документы.

Хотя WWW был разработан с целью применения сотрудниками CERN, после того как этот вид сервиса был обнародован, его популярность стала расти необычайно быстро. Было разработано множество прикладных программ, используемых в качестве WWW-клиентов, т. е. обеспечивающих доступ к WWW-серверам и представление документов на экране. Имеется клиентское программное обеспечение, основанное как на графическом интерфейсе пользователя (одной из наиболее популярных является программа Mosaic), так и на эмуляции алфавитно-цифрового терминала (примером является программа Lynx). Большинство WWW-клиентов позволяют использовать их интерфейс и для доступа к другим видам сервиса Internet, таким как FTP и Gopher.

Документы, расположенные на WWW-серверах, представляют собой не просто текстовые документы в стандарте ASCII. Это ASCII-файлы, содержащие команды специального языка, названного HTML (HyperText Markup Language, Язык разметки гипертекста). Команды HTML позволяют структурировать документ, выделяя в нем логически различающиеся части текста (заголовки разных уровней, абзацы, перечисления и т. д.). В результате каждая из клиентских программ просмотра WWW может форматировать текст документа таким образом, чтобы наилучшим способом отобразить его на конкретном дисплее. Для придания документам большей выразительности текст обычно форматируется с использованием увеличенных размеров шрифта заголовков, применением полужирного и курсивного начертаний для важных терминов, выде­лением пунктов перечислений и т. д. Язык HTML позволяет также включать в документы иллюстративную графику, которая может быть отображена программами просмотра, основанными на использовании графического интерфейса пользователя.

Одним из самых важных свойств HTML является возможность включения в документ гипер­текстовых ссылок. Эти ссылки позволяют пользователю загрузить новый документ на свой компьютер, просто щелкнув указателем мыши в том месте экрана, где расположена ссылка. Любой документ может содержать ссылки на другие документы. Документ, на который указывает ссылка, может находиться как на том же WWW-сервере, что и исходный документ, так и на любом другом компьютере в Internet. Областью документа, используемой в качестве ссылки, может служить слово, группа слов, графическое изображение или даже заданный фрагмент изображения. Большинство программ просмотра WWW могут также обращаться к ресурсам других информационных сервисов, таких как FTP и Gopher. В дополнение к этому программы просмотра WWW позволяют работать с файлами мультимедиа, содержащими видео и звук, посредством использования программ поддержки мультимедиа, инсталлированных на локальном компьютере.

Стек TCP / IP .

Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.

В операционной системе Microsoft Windows Server 2003 стек TCP/IP выбран в качестве основного, хотя поддерживаются и другие протоколы (например, стек IPX/SPX, протокол NetBIOS).

Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:

платформонезависимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных системах и процессорах;

открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.

История создания TCP / IP .

В 1967 году Агентство по перспективным исследовательским проектам министерства обороны США (ARPA – Advanced Research Projects Agency) инициировало разработку компьютерной сети, которая должна была связать ряд университетов и научно-исследовательских центров, выполнявших заказы Агентства. Проект получил название ARPANET. К 1972 году сеть соединяла 30 узлов.

В рамках проекта ARPANET были разработаны и в 1980–1981 годах опубликованы основные протоколы стека TCP/IP – IP, TCP и UDP. Важным фактором распространения TCP/IP стала реализация этого стека в операционной системе UNIX 4.2 BSD (1983).

К концу 80-х годов значительно расширившаяся сеть ARPANET стала называться Интернет (Interconnected networks – связанные сети) и объединяла университеты и научные центры США, Канады и Европы.

В 1992 году появился новый сервис Интернет – WWW (World Wide Web – всемирная паутина), основанный на протоколе HTTP. Во многом благодаря WWW Интернет, а с ним и протоколы TCP/IP, получил в 90-е годы бурное развитие.

В начале XXI века стек TCP/IP приобретает ведущую роль в средствах коммуникации не только глобальных, но и локальных сетей.

Модель OSI .

Модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open Systems Interconnection) была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) для единообразного подхода к построению и объединению сетей. Разработка модели OSI началась в 1977 году и закончилась в 1984 году утверждением стандарта. С тех пор модель является эталонной для разработки, описания и сравнения различных стеков протоколов.

Рассмотрим кратко функции каждого уровня.

Модель OSI включает семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления и прикладной.

Физический уровень (physical layer) описывает принципы передачи сигналов, скорость передачи, спецификации каналов связи. Уровень реализуется аппаратными средствами (сетевой адаптер, порт концентратора, сетевой кабель).

Канальный уровень (data link layer) решает две основные задачи – проверяет доступность среды передачи (среда передачи чаще всего оказывается разделена между несколькими сетевыми узлами), а также обнаруживает и исправляет ошибки, возникающие в процессе передачи. Реализация уровня является программно-аппаратной (например, сетевой адаптер и его драйвер).

Сетевой уровень (network layer) обеспечивает объединение сетей, работающих по разным протоколам канального и физического уровней, в составную сеть. При этом каждая из сетей, входящих в единую сеть, называется подсетью (subnet). На сетевом уровне приходится решать две основные задачи – маршрутизации (routing, выбор оптимального пути передачи сообщения) и адресации (addressing, каждый узел в составной сети должен иметь уникальное имя). Обычно функции сетевого уровня реализует специальное устройство – маршрутизатор (router) и его программное обеспечение.

Транспортный уровень (transport layer) решает задачу надежной передачи сообщений в составной сети с помощью подтверждения доставки и повторной отправки пакетов. Этот уровень и все следующие реализуются программно.

Сеансовый уровень (session layer) позволяет запоминать информацию о текущем состоянии сеанса связи и в случае разрыва соединения возобновлять сеанс с этого состояния.

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование передаваемой информации из одной кодировки в другую (например, из ASCII в EBCDIC).

Прикладной уровень (application layer) реализует интерфейс между остальными уровнями модели и пользовательскими приложениями.

Структура TCP / IP . В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD (Department of Defense – Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2.2.

Следует заметить, что нижний уровень модели DARPA – уровень сетевых интерфейсов – строго говоря, не выполняет функции канального и физического уровней, а лишь обеспечивает связь (интерфейс) верхних уровней DARPA с технологиями сетей, входящих в составную сеть (например, Ethernet, FDDI, ATM).

Все протоколы, входящие в стек TCP/IP, стандартизованы в документах RFC.

Документы RFC .

Утвержденные официальные стандарты Интернета и TCP/IP публикуются в виде документов RFC (Request for Comments – рабочее предложение). Стандарты разрабатываются всем сообществом ISOC (Internet Society – Сообщество Интернет, международная общественная организация). Любой член ISOC может представить на рассмотрение документ для его публикации в RFC. Далее документ рассматривается техническими экспертами, группами разработчиков и редактором RFC и проходит в соответствии с RFC 2026 следующие этапы, называемые уровнями готовности (maturity levels):

черновик (Internet Draft) – на этом этапе с документом знакомятся эксперты, вносятся дополнения и изменения;

предложенный стандарт (Proposed Standard) – документу присваивается номер RFC, эксперты подтвердили жизнеспособность предлагаемых решений, документ считается перспективным, желательно, чтобы он был опробован на практике;

черновой стандарт (Draft Standard) – документ становится черновым стандартом, если не менее двух независимых разработчиков реализовали и успешно применили предлагаемые спецификации. На этом этапе ещё допускаются незначительные исправления и усовершенствования;

стандарт Интернета (Internet Standard) – наивысший этап утверждения стандарта, спецификации документа получили широкое распространение и хорошо зарекомендовали себя на практике. Список стандартов Интернета приведен в RFC 3700. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета».

Кроме стандартов документами RFC могут быть также описания новых сетевых концепций и идей, руководства, результаты экспериментальных исследований, представленных для информации и т. д. Таким документам RFC может быть присвоен один из следующих статусов:

экспериментальный (Experimental) – документ, содержащий сведения о научных исследованиях и разработках, которые могут заинтересовать членов ISOC;

информационный (Informational) – документ, опубликованный для предоставления информации и не требующий одобрения сообщества ISOC;

лучший современный опыт (Best Current Practice) – документ, предназначенный для передачи опыта конкретных разработок, например реализаций протоколов.

Статус указывается в заголовке документа RFC после слова Category (Категория). Для документов в статусе стандартов (Proposed Standard, Draft Standard, Internet Standard) указывается название Standards Track , так как уровень готовности может меняться.

Номера RFC присваиваются последовательно и никогда не выдаются повторно. Первоначальный вариант RFC никогда не обновляется. Обновленная версия публикуется под новым номером. Устаревший и замененный документ RFC получает статус исторический (Historic).

Все существующие на сегодня документы RFC можно посмотреть, например, на сайте www.rfc-editor.org . В августе 2007 года их насчитывалось более 5000. Документы RFC, упоминаемые в этом курсе, приведены в Приложении I.

Обзор основных протоколов.

Протокол IP (Internet Protocol ) – это основной протокол сетевого уровня, отвечающий за адресацию в составных сетях и передачу пакета между сетями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т. е. не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Обеспечением гарантий занимается протокол транспортного уровня TCP.

Протоколы RIP (Routing Information Protocol – протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First – « первыми открываются кратчайшие маршруты») – протоколы маршрутизации в IP-сетях.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol – протокол управляющих сообщений в составных сетях) предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов сообщает о невозможности доставки пакета, о продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol – протокол преобразования адресов) преобразует IP-адреса в аппаратные адреса локальных сетей. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RAPR (Reverse ARP).

TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными узлами сети за счет образования логических соединений. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт на любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части – сегменты и передает их сетевому уровню. После того как эти сегменты будут доставлены в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя) обеспечивает передачу данных дейтаграммным способом.

HTTP (HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) – протокол доставки web-документов, основной протокол службы WWW.

FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) – протокол для пересылки информации, хранящейся в файлах.

POP 3 (Post Office Protocol version 3 – протокол почтового офиса) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) – протоколы для доставки входящей электронной почты (POP3) и отправки исходящей (SMTP).

Telnet – протокол эмуляции терминала 1 , позволяющий пользователю подключаться к другим удалённым станциям и работать с ними со своей машины, как если бы она была их удалённым терминалом.

SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью) предназначен для диагностики работоспособности различных устройств сети.

В настоящее время я работаю над проектом, где мне нужно использовать Arduino Nano (http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardNano) для отправки данных с датчика температуры на веб-сервер.

Сначала я думал, что это будет легко, так как там очень много отличных библиотек, чтобы помочь с POST/GET и т.д. Однако мой профессор сказал мне, что мне нужно отправить данные на сервер с использованием TCP/IP, и, насколько я понимаю, POST и GET являются HTTP-методами.

Может ли кто-нибудь объяснить мне разницу между HTTP и TCP/IP? В частности, это касается отправки данных на веб-сервер. Я ищу ответ, который не слишком технический (я довольно новичок в этом).

Наконец, если есть кто-то, у кого есть опыт, когда Arduino делает то, что я описал выше, я бы очень признателен за некоторые указатели.

3 ответов

HTTP - это протокол, используемый в основном для просмотра Интернета (IE, Firefox и т.д.). Он распространяется поверх TCP, который обеспечивает надежную связь между двумя компьютерами (если пакет потерян - он повторно передается). Сам TCP проходит поверх IP-адреса, который обеспечивает унифицированную адресацию для связи между компьютерами. TCP/IP является основой для Интернета и 99% других сетей.

В основном это означает, что если вы сообщаете HTTP, вы делаете это с TCP/IP под ним (но я уверен, что это не то, что имел в виду ваш профессор).

Arduino Nano не поддерживает все эти функции, поэтому вам нужно что-то среднее между ними, которое будет транслировать передачу Nano на связь TCP/HTTP.

Некоторые из ваших вариантов:

• Общение с Nano over Serial и перевод ПК на ваш последовательный протокол на HTTP/TCP
• Switch Nano с другой платой Arduino, которая поддерживает расширение экрана Ethernet/Wifi (Uno/Mega) или выбор пользовательской платы, которая сама по себе содержит Ethernet
• Использование другого Arduino (Uno/Mega) с экраном Ethernet в качестве дополнительной платы, которая взаимодействует с Nano over Serial или с помощью RF-модулей (я лично реализовал этот вариант в прошлом)
• Еще один необычный вариант - подключить Nano к Android-смартфону с помощью аудиокабеля и использовать библиотеку soft-modem (https://code.google.com/p/arms22/issues/detail?id=2), которая содержит реализацию для Android и написать приложение для Android

Веб-сервер, о котором вы говорите, поддерживает HTTP только по определению, поэтому, если вы хотите общаться через TCP, вам нужно будет использовать какой-либо TCP-сервер.

Один из существующих веб-сервисов для предоставления графиков для визуализации данных Sensor - https://xively.com/ , он основан на REST, который проходит поверх HTTP. Но это не единственный.

Вкратце: TCP - это протокол транспортного уровня, а HTTP - протокол уровня приложения, который работает через TCP.

Подробнее: Чтобы понять разницу (и многие другие темы в сети), вам нужно понять идею многоуровневой сетевой модели. По сути, существуют разные протоколы, которые позволяют компьютеру разговаривать на разных расстояниях и разных уровнях абстракции.

В самом низу сетевого стека находится физический уровень. Здесь электрические сигналы или световые импульсы или радиоволны фактически передают информацию с места на место. Физический уровень действительно не имеет протоколов, но вместо этого имеет стандарты для напряжений, частот и других физических свойств. Вы можете передавать информацию прямо таким образом, но вам нужно много энергии или выделенной линии, и без более высоких уровней вы не сможете использовать пропускную способность.

Следующий слой вверх - это слой связи. Этот уровень охватывает связь с устройствами, которые совместно используют физический коммуникационный носитель. Здесь протоколы, такие как Ethernet, 802.11a/b/g/n и Token Ring, определяют, как обрабатывать несколько одновременных доступов к физическому носителю и как направлять трафик на одно устройство, а не на другое. В типичной домашней сети это то, как ваш компьютер разговаривает с вашим домашним "маршрутизатором".

Третий уровень - это сетевой уровень. В большинстве случаев в этом доминирует Internet Protocol (IP). Здесь происходит волшебство Интернета, и вы можете поговорить с компьютером на полпути по всему миру, не зная, где он находится. Маршрутизаторы обрабатывают ваш трафик из локальной сети в сеть, где живет другой компьютер, где его собственный уровень ссылок обрабатывает пакеты на нужном компьютере.

Теперь мы куда-то попадаем. Мы можем поговорить с компьютером где-то по всему миру, но на этом компьютере запущено множество разных программ. Как он должен знать, какой из них должен доставить ваше сообщение? Транспортный уровень позаботится об этом, как правило, с номерами портов. Двумя самыми популярными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP. TCP делает много интересного, чтобы сгладить шероховатые пятна коммуникаций с коммутацией пакетов на сетевом уровне, таких как переупорядочивание пакетов, повторная передача потерянных пакетов и т.д. UDP более ненадежный, но имеет меньше накладных расходов.

Итак, мы подключили ваш браузер к программному обеспечению веб-сервера на другом конце, но как сервер знает, какую страницу вы хотите? Как вы можете отправить вопрос или ответ? Это те вещи, которые обрабатываются протоколами прикладного уровня. Для веб-трафика это протокол передачи гипертекста (HTTP). Существуют тысячи протоколов прикладного уровня: SMTP, IMAP и POP3 для электронной почты; XMPP, IRC, ICQ для чата; Telnet, SSH, RDP для удаленного администрирования; и др.

Это пять уровней сетевой модели TCP/IP, но они действительно только концептуальны. Модель OSI имеет 7 уровней. В действительности, некоторые протоколы прокладывают между различными слоями или могут работать сразу с несколькими слоями. TLS/SSL, например, обеспечивает шифрование и информацию о сеансе между сетевым и транспортным уровнями. Над слоем приложения интерфейсы прикладного программирования (API) управляют взаимодействием с веб-приложениями, такими как Quora, Twitter и Facebook.

В этой статье будут рассказаны основы модели TCP/IP. Для лучшего понимания описаны основные протоколы и службы. Главное - не торопиться и стараться понимать каждую вещь поэтапно. Все они взаимосвязаны и без понимания одной, трудно будет понять другую. Здесь скомпонована весьма поверхностная информация, так что эту статью смело можно назвать «стеком протоколов TCP/IP для чайников». Однако, многие вещи здесь не так трудны для понимания, как может показаться на первый взгляд.

TCP/IP

Стек TCP/IP - сетевая модель передачи данных в сети, она определяет порядок взаимодействия устройств. Данные поступают на канальный уровень и обрабатываются поочередно каждым уровнем выше. Стек представлен в виде абстракции, которая объясняет принципы обработки и приема данных.

Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:

1. Канальный (Link).
2. Сетевой (Internet).
3. Транспортный (Transport).
4. Прикладной (Application).

Прикладной уровень

Прикладной уровень обеспечивает возможность взаимодействия между приложением и другими уровнями стека протоколов, анализирует и преобразовывает поступающую информацию в формат, подходящий для программного обеспечения. Является ближайшим к пользователю и взаимодействует с ним напрямую.

• HTTP;
• SMTP;

Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.

HTTP (HyperText Transfer Protocol) предназначен для передачи данных. По нему отправляются, например, документы в формате HTML, которые служат основой веб-страницы. Упрощенно схема работы представляется как «клиент - сервер». Клиент отправляет запрос, сервер его принимает, должным образом обрабатывает и возвращает конечный результат.

Служит стандартом передачи файлов в сети. Клиент посылает запрос на некий файл, сервер ищет этот файл в своей базе и при успешном обнаружении отправляет его как ответ.

Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:

1. Определение адреса отправителя. Это необходимо для возвращения писем.
2. Определение получателя. Этот шаг может повторяться некоторое количество раз при указании нескольких адресатов.
3. Определение содержимого сообщения и отправка. В качестве служебной информации передаются данные о типе сообщения. Если сервер подтверждает готовность принять пакет, то совершается сама транзакция.

Заголовок (Header)

В заголовке содержатся служебные данные. Важно понимать, что они предназначаются только для конкретного уровня. Это значит, что как только пакет отправится к получателю, то будет обработан там по такой же модели, но в обратном порядке. Вложенный заголовок будет нести специальную информацию, которая может быть обработана только определенным образом.

Например, заголовок, вложенный на транспортном уровне, на другой стороне может быть обработан только транспортным уровнем. Другие просто его проигнорируют.

Транспортный уровень

На транспортном уровне полученная информация обрабатывается как единый блок, вне зависимости от содержимого. Полученные сообщения делятся на сегменты, к ним добавляется заголовок, и все это отправляется ниже.

Протоколы передачи данных:

Самый распространенный протокол. Он отвечает за гарантированную передачу данных. При отправке пакетов контролируется их контрольная сумма, процесс транзакции. Это значит, что информация дойдет «в целости и сохранности» независимо от условий.

UDP (User Datagram Protocol) - второй по популярности протокол. Он также отвечает за передачу данных. Отличительное свойство кроется в его простоте. Пакеты просто отправляются, не создавая особенной связи.

TCP или UDP?

У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.

Основное преимущество UDP заключается в скорости передачи. TCP является сложным протоколом с множеством проверок, в то время как UDP представляется более упрощенным, а значит, и более быстрым.

Недостаток кроется в простоте. Ввиду отсутствия проверок не гарантируется целостность данных. Таким образом, информация просто отправляется, а все проверки и подобные манипуляции остаются за приложением.

UDP используется, например, для просмотра видео. Для видеофайла не критична потеря небольшого количества сегментов, в то время как скорость загрузки - важнейший фактор.

Однако если необходимо отправить пароли или реквизиты банковской карты, то необходимость использования TCP очевидна. Потеря даже самой мизерной части данных может повлечь за собой катастрофические последствия. Скорость в этом случае не так важна, как безопасность.

Сетевой уровень

Сетевой уровень из полученной информации образует пакеты и добавляет заголовок. Наиболее важной частью данных являются IP и MAC-адреса отправителей и получателей.

IP-адрес (Internet Protocol address) - логический адрес устройства. Содержит информацию о местоположении устройства в сети. Пример записи: .

MAC-адрес (Media Access Control address) - физический адрес устройства. Используется для идентификации. Присваивается сетевому оборудованию на этапе изготовления. Представлен как шестибайтный номер. Например: .

Сетевой уровень отвечает за:

• Определение маршрутов доставки.
• Передачу пакетов между сетями.
• Присвоение уникальных адресов.

Маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Они прокладывают путь между компьютером и сервером на основе полученных данных.

Самый популярный протокол этого уровня - IP.

IP (Internet Protocol) - интернет-протокол, предназначенный для адресации в сети. Используется для построения маршрутов, по которым происходит обмен пакетами. Не обладает никакими средствами проверки и подтверждения целостности. Для обеспечения гарантий доставки используется TCP, который использует IP в качестве транспортного протокола. Понимание принципов этой транзакции во многом объясняет основу того, как работает стек протоколов TCP/IP.

Виды IP-адресов

В сетях используются два вида IP-адресов:

1. Публичные.
2. Приватные.

Публичные (Public) используются в Интернете. Главное правило - абсолютная уникальность. Пример их использования - маршрутизаторы, каждый из которых имеет свой IP-адрес для взаимодействия с сетью Интернет. Такой адрес называется публичным.

Приватные (Private) не используются в Интернете. В глобальной сети такие адреса не являются уникальными. Пример - локальная сеть. Каждому устройству присваивается уникальный в пределах данной сети IP-адрес.

Взаимодействие с сетью Интернет ведется через маршрутизатор, который, как уже было сказано выше, имеет свой публичный IP-адрес. Таким образом, все компьютеры, подключенные к маршрутизатору, представляются в сети Интернет от имени одного публичного IP-адреса.

IPv4

Самая распространенная версия интернет-протокола. Предшествует IPv6. Формат записи - четыре восьмибитных числа, разделенные точками. Через знак дроби указывается маска подсети. Длина адреса - 32 бита. В подавляющем большинстве случаев, когда речь идет об IP-адресе, имеется в виду именно IPv4.

Формат записи: .

IPv6

Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.

Основная проблема, которую решает IPv6 - это исчерпание адресов IPv4. Предпосылки начали проявляться уже в начале 80-х годов. Несмотря на то, что эта проблема вступила в острую стадию уже в 2007-2009 годах, внедрение IPv6 очень медленно «набирает обороты».

Главное преимущество IPv6 - более быстрое интернет-соединение. Это происходит из-за того, что для этой версии протокола не требуется трансляции адресов. Выполняется простая маршрутизация. Это является менее затратным и, следовательно, доступ к интернет-ресурсам предоставляется быстрее, чем в IPv4.

Пример записи: .

Существует три типа IPv6-адресов:

1. Unicast.
2. Anycast.
3. Multicast.

Unicast - тип одноадресных IPv6. При отправке пакет достигает только интерфейса, расположенного на соответствующем адресе.

Anycast относится к групповым IPv6-адресам. Отправленный пакет попадет в ближайший сетевой интерфейс. Используется только маршрутизаторами.

Multicast являются многоадресными. Это значит, что отправленный пакет достигнет всех интерфейсов, находящихся группе мультивещания. В отличие от broadcast, который является «вещанием для всех», multicast вещает лишь определенной группе.

Маска подсети

Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.

Например, IP-адрес имеет маску . В таком случае формат записи будет выглядеть так . Число «24» - это количество бит в маске. Восемь бит равняется одному октету, который также может называться байтом.

Если подробнее, то маску подсети можно представить в двоичной системе счисления таким образом: . В ней имеется четыре октета, и запись состоит из «1» и «0». Если сложить количество единиц, то получим в сумме «24». К счастью, считать по единице не обязательно, ведь в одном октете - 8 значений. Видим, что три из них заполнены единицами, складываем и получаем «24».

Если говорить именно о маске подсети, то в двоичном представлении она имеет в одном октете либо единицы, либо нули. При этом последовательность такова, что сначала идут байты с единицами, а только потом с нулями.

Рассмотрим небольшой пример. Есть IP-адрес и маска подсети . Считаем и записываем: . Теперь сопоставляем маску с IP-адресом. Те октеты маски, в которых все значения равны единице (255) оставляют соответствующие им октеты в IP-адресе без изменения. Если же в значении нули (0), то октеты в IP-адресе также становятся нулями. Таким образом, в значении адреса подсети получаем .

Подсеть и хост

Подсеть отвечает за логическое разделение. По сути, это устройства, использующие одну локальную сеть. Определяется диапазоном IP-адресов.

Хост - это адрес сетевого интерфейса (сетевой карты). Определяется из IP-адреса с помощью маски. Например: . Так как первые три октета - подсеть, то остается . Это и есть номер хоста.

Диапазон адресов хоста - от 0 до 255. Хост под номером «0» является, собственно, адресом самой подсети. А хост под номером «255» является широковещательным.

Адресация

Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

1. Локальные.
2. Сетевые.
3. Доменные имена.

Локальными называются MAC-адреса. Они используются для адресации в таких технологиях локальной сети как, например, Ethernet. В контексте TCP/IP слово «локальные» означает, что они действуют лишь в пределах подсети.

Сетевым адресом в стеке протоколов TCP/IP является IP-адрес. При отправке файла из его заголовка считывается адрес получателя. С его помощью маршрутизатор узнает номер хоста и подсеть и, основываясь на этой информации, прокладывает маршрут к конечному узлу.

Доменные имена - это удобочитаемые адреса веб-сайтов в Интернете. Веб-сервера в сети Интернет доступны по публичному IP-адресу. Он успешно обрабатывается компьютерами, однако для людей представляется слишком неудобным. Для того чтобы избежать подобных сложностей, используются доменные имена, которые состоят из областей, называемых «доменами». Они располагаются в порядке строгой иерархии, от верхнего уровня к нижнему.

Домен первого уровня представляет конкретную информацию. Общие (.org, .net) не ограничены какими-либо строгими границами. Обратная ситуация - с локальными (.us, .ru). Они, как правило, привязаны территориально.

Домены низших уровней - это все остальное. Он может быть любого размера и содержать любое количество значений.

Например, "www.test.quiz.sg" - корректное доменное имя, где «sg» - локальный домен первого (верхнего) уровня, «quiz.sg» - домен второго уровня, «test.quiz.sg» - домен третьего уровня. Доменные имена также могут называться DNS-именами.

DNS (Domain Name System) устанавливает соответствие между доменными именами и публичным IP-адресом. При наборе доменного имени в строке браузера DNS обнаружит соответствующий IP-адрес и сообщит устройству. Устройство обработает этот и вернет его в виде веб-страницы.

Канальный уровень

На канальном уровне определяется взаимосвязь между устройством и физической средой передачи, добавляется заголовок. Отвечает за кодировку данных и подготовку фреймов для передачи по физической среде. На этом уровне работают сетевые коммутаторы.

Самые распространенные протоколы:

1. Ethernet.
2. WLAN.

Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.

WLAN - локальная сеть на основе беспроводных технологий. Взаимодействие устройств происходит без физических кабельных соединений. Пример самого распространенного метода - Wi-Fi.

Настройка TCP/IP для использования статического IPv4-адреса

Статический IPv4-адрес назначается напрямую в настройках устройства или автоматически при подключении к сети и является постоянным.

Для настройки стека протоколов TCP/IP на использование постоянного IPv4-адреса необходимо ввести в консоль команду ipconfig/all и найти следующие данные.

Настройка TCP/IP для использования динамического IPv4-адреса

Динамический IPv4-адрес используется какое-то время, сдается в аренду, после чего меняется. Присваивается устройству автоматически при подключении к сети.

Чтобы настроить стек протоколов TCP/IP на использование непостоянного IP-адреса необходимо зайти в свойства нужного соединения, открыть свойства IPv4 и поставить отметки так, как указано.

Способы передачи данных

Данные передаются через физическую среду тремя способами:

• Simplex.
• Half-duplex.
• Full Duplex.

Simplex - это односторонняя связь. Передача ведется только одним устройством, в то время как другое только принимает сигнал. Можно сказать, что информация транслируется только в одном направлении.

Примеры симплексной связи:

• Телевещание.
• Сигнал от спутников GPS.

Half-duplex - это двусторонняя связь. Однако только один узел может передавать сигнал в определенный момент времени. При такой связи два устройства не могут одновременно использовать один канал. Полноценная двусторонняя связь может быть невозможна физически или приводить к коллизиям. Говорится, что они конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании коаксиального кабеля.

Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.

Full Duplex - полноценная двусторонняя связь. Устройства могут одновременно транслировать сигнал и производить прием. Они не конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании технологии Fast Ethernet и соединении с помощью витой пары.

Пример - общение по телефону через мобильную сеть.

TCP/IP vs OSI

Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:

1. Физический (Physical).
2. Канальный (Data Link).
3. Сетевой (Network).
4. Транспортный (Transport).
5. Сеансовый (Session).
6. Представительский (Presentation).
7. Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.

Физический представляет собой собственно физическую связь - электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.

13.10.06 5.6K

Большинство из нас знает TCP/IP как "клей", связующий Internet. Но не многие способны дать убедительное описание того, что этот протокол представляет собой и как работает. Итак, что же такое TCP/IP в действительности?

TCP/IP — это средство для обмена информацией между компьютерами, объединенными в сеть. Не имеет значения, составляют ли они часть одной и той же сети или подключены к отдельным сетям. Не играет роли и то, что один из них может быть компьютером Cray, а другой Macintosh. TCP/IP — это не зависящий от платформы стандарт, который перекидывает мосты через пропасть, лежащую между разнородными компьютерами, операционными системами и сетями. Это протокол, который глобально управляет Internet, и в значительной мере благодаря сети TCP/IP завоевал свою популярность.

Понимание TCP/IP главным образом подразумевает способность разбираться в наборах таинственных протоколов, которые используются главными компьютерами TCP/IP для обмена информацией. Давайте рассмотрим некоторые из этих протоколов и выясним, что составляет оболочку TCP/IP.

Основы TCP/IP

TCP/IP — это аббревиатура термина Transmission Control Protocol/Internet Protocol (Протокол управления передачей/Протокол Internet). В терминологии вычислительных сетей протокол — это заранее согласованный стандарт, который позволяет двум компьютерам обмениваться данными. Фактически TCP/IP не один протокол, а несколько. Именно поэтому вы часто слышите, как его называют набором, или комплектом протоколов, среди которых TCP и IP — два основных.

Программное обеспечение для TCP/IP, на вашем компьютере, представляет собой специфичную для данной платформы реализацию TCP, IP и других членов семейства TCP/IP. Обычно в нем также имеются такие высокоуровневые прикладные программы, как FTP (File Transfer Protocol, Протокол передачи файлов), которые дают возможность через командную строку управлять обменом файлами по Сети.

TCP/IP — зародился в результате исследований, профинансированных Управлением перспективных научно-исследовательских разработок (Advanced Research Project Agency, ARPA) правительства США в 1970-х годах. Этот протокол был разработан с тем, чтобы вычислительные сети исследовательских центров во всем мире могли быть объединены в форме виртуальной "сети сетей" (internetwork). Первоначальная Internet была создана в результате преобразования существующего конгломерата вычислительных сетей, носивших название ARPAnet, с помощью TCP/IP.

Причина, по которой TCP/IP столь важен сегодня, заключается в том, что он позволяет самостоятельным сетям подключаться к Internet или объединяться для создания частных интрасетей. Вычислительные сети, составляющие интрасеть, физически подключаются через устройства, называемые маршрутизаторами или IP-маршрутизаторами. Маршрутизатор — это компьютер, который передает пакеты данных из одной сети в другую. В интрасети, работающей на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся "близкими родственниками". По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. Точно так же, как подключения к сети Ethernet распознаются по 48-разрядным идентификаторам Ethernet, подключения к интрасети идентифицируются 32-разрядными IP-адресами, которые мы выражаем в форме десятичных чисел, разделенных точками (например, 128.10.2.3). Взяв IP-адрес удаленного компьютера, компьютер в интрасети или в Internet может отправить данные на него, как будто они составляют часть одной и той же физической сети.

TCP/IP дает решение проблемы данными между двумя компьютерами, подключенными к одной и той же интрасети, но принадлежащими различным физическим сетям. Решение состоит из нескольких частей, причем каждый член семейства протоколов TCP/IP вносит свою лепту в общее дело. IP — самый фундаментальный протокол из комплекта TCP/IP — передает IP-дейтаграммы по интрасети и выполняет важную функцию, называемую маршрутизацией, по сути дела это выбор маршрута, по которому дейтаграмма будет следовать из пункта А в пункт B, и использование маршрутизаторов для "прыжков" между сетями.

TCP — это протокол более высокого уровня, который позволяет прикладным программам, запущенным на различных главных компьютерах сети, обмениваться потоками данных. TCP делит потоки данных на цепочки, которые называются TCP-сегментами, и передает их с помощью IP. В большинстве случаев каждый TCP-сегмент пересылается в одной IP-дейтаграмме. Однако при необходимости TCP будет расщеплять сегменты на несколько IP-дейтаграмм, вмещающихся в физические кадры данных, которые используют для передачи информации между компьютерами в сети. Поскольку IP не гарантирует, что дейтаграммы будут получены в той же самой последовательности, в которой они были посланы, TCP осуществляет повторную "сборку" TCP-сегментов на другом конце маршрута, чтобы образовать непрерывный поток данных. FTP и telnet — это два примера популярных прикладных программ TCP/IP, которые опираются на использование TCP.

Другой важный член комплекта TCP/IP — User Datagram Protocol (UDP, протокол пользовательских дейтаграмм), который похож на TCP, но более примитивен. TCP — "надежный" протокол, потому что он обеспечивает проверку на наличие ошибок и обмен подтверждающими сообщениями чтобы данные достигали своего места назначения заведомо без искажений. UDP — "ненадежный" протокол, ибо не гарантирует, что дейтаграммы будут приходить в том порядке, в котором были посланы, и даже того, что они придут вообще. Если надежность — желательное условие, для его реализации потребуется программное обеспечение. Но UDP по-прежнему занимает свое место в мире TCP/IP, и испльзуется во многих программах. Прикладная программа SNMP (Simple Network Management Protocol, простой протокол управления сетями), реализуемый во многих воплощениях TCP/IP, — это один из примеров программ UDP.

Другие TCP/IP протоколы играют менее заметные, но в равной степени важные роли в работе сетей TCP/IP. Например, протокол определения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) ппреобразует IP-адреса в физические сетевые адреса, такие, как идентификаторы Ethernet. Родственный протокол — протокол обратного преобразования адресов (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) — выполняет обеспечивает обратное действие, преобразуя физические сетевые адреса в IP-адреса. Протокол управления сообщениями Internet (Internet Control Message Protocol, ICMP) представляет собой протокол сопровождения, который использует IP для обмена управляющей информацией и контроля над ошибками, относящимися к передаче пакетов IP. Например, если маршрутизатор не может передать IP-дейтаграмму, он использует ICMP, с тем чтобы информировать отправителя, что возникла проблема. Краткое описание некоторых других протоколов, которые "прячутся под зонтиком" TCP/IP, приведено во врезке.

Краткое описание протоколов семейства TCP/IP с расшифровкой аббревиатур
ARP (Address Resolution Protocol, протокол определения адресов): конвертирует 32-разрядные IP-адреса в физические адреса вычислительной сети, например, в 48-разрядные адреса Ethernet.

FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов): позволяет передавать файлы с одного компьютера на другой с использованием TCP-соединений. В родственном ему, но менее распространенном протоколе передачи файлов — Trivial File Transfer Protocol (TFTP) — для пересылки файлов применяется UDP, а не TCP.

ICMP (Internet Control Message Protocol, протокол управляющих сообщений Internet): позволяет IP-маршрутизаторам посылать сообщения об ошибках и управляющую информацию другим IP-маршрутизаторам и главным компьютерам сети. ICMP-сообщения "путешествуют" в виде полей данных IP-дейтаграмм и обязательно должны реализовываться во всех вариантах IP.

IGMP (Internet Group Management Protocol, протокол управления группами Internet): позволяет IP-дейтаграммам распространяться в циркулярном режиме (multicast) среди компьютеров, которые принадлежат к соответствующим группам.

IP (Internet Protocol, протокол Internet): низкоуровневый протокол, который направляет пакеты данных по отдельным сетям, связанным вместе с помощью маршрутизаторов для формирования Internet или интрасети. Данные "путешествуют" в форме пакетов, называемых IP-дейтаграммами.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного преобразования адресов): преобразует физические сетевые адреса в IP-адреса.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол обмена электронной почтой): определяет формат сообщений, которые SMTP-клиент, работающий на одном компьютере, может использовать для пересылки электронной почты на SMTP-сервер, запущенный на другом компьютере.

TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей): протокол ориентирован на работу с подключениями и передает данные в виде потоков байтов. Данные пересылаются пакетами — TCP-сегментами, — которые состоят из заголовков TCP и данных. TCP — "надежный" протокол, потому что в нем используются контрольные суммы для проверки целостности данных и отправка подтверждений, чтобы гарантировать, что переданные данные приняты без искажений.

UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм): протокол, не зависящий от подключений, который передает данные пакетами, называемыми UDP-дейтаграммами. UDP — "ненадежный" протокол, поскольку отправитель не получает информацию, показывающую, была ли в действительности принята дейтаграмма.

Архитектура TCP/IP

Проектировщики вычислительных сетей часто используют семиуровневую модель ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnect, Международная организация по стандартизации/ Взаимодействие открытых систем), которая описывает архитектуру сетей. Каждый уровень в этой модели соответствует одному уровню функциональных возможностей сети. В самом основании располагается физический уровень, представляющий физическую среду, по которой "путешествуют" данные, — другими словами, кабельную систему вычислительной сети. Над ним имеется канальный уровень, или уровень звена данных, функционирование которого обеспечивается сетевыми интерфейсными платами. На самом верху размещается уровень прикладных программ, где работают программы, использующие служебные функции сетей.

На рисунке показано, как TCP/IP согласуется с моделью ISO/OSI. Этот рисунок также иллюстрирует уровневое строение TCP/IP и показывает взаимосвязи между основными протоколами. При переносе блока данных из сетевой прикладной программы в плату сетевого адаптера он последовательно проходит через ряд модулей TCP/IP. При этом на каждом шаге он доукомплектовывается информацией, необходимой для эквивалентного модуля TCP/IP на другом конце цепочки. К тому моменту, когда данные попадают в сетевую плату, они представляют собой стандартный кадр Ethernet, если предположить, что сеть основана именно на этом интерфейсе. Программное обеспечение TCP/IP на приемном конце воссоздает исходные данные для принимающей программы путем захвата кадра Ethernet и прохождения его в обратном порядке по набору модулей TCP/IP. (Один из наилучших способов разобраться во внутреннем устройстве TCP/IP стоит в использовании программы-"шпиона", чтобы найти внутри кадров, "пролетающих" по сети, информацию, добавленную различными модулями TCP/IP.)

Уровни сетей и протоколы TCP/IP

ISO/OSI TCP/IP _____________________________ __________________________ | Уровень прикладных программ | | | |_____________________________| | _________ _________ | _____________________________ | |Сетевая | |Сетевая | | Уровень | Уровень представления | | |программа| |программа| | прикладных |_____________________________| | |_________| |_________| | программ _____________________________ | | | Уровень сеанса | | | |_____________________________| |__________________________| | | _____________________________ _____|_____________|______ | Транспортный уровень | | TCP UDP | Транспортный |_____________________________| |_____|_____________|______| уровень | | _____________________________ _____|_____________|______ | Сетевой уровень | | | | | Сетевой |_____________________________| | ----> IP <--- | уровень |__________________________| _________ _____________________________ _______| Сетевая |________ | Уровень звена данных | | ARP<->| плата |<->RARP | Уровень |_____________________________| |_______|_________|________| звена | данных _____________________________ | | Физический уровень | _____________|______________ Физический |_____________________________| Кабельные соединения сети уровень

В левой части этой диаграммы показаны уровни модели ISO/OSI. Правая часть диаграммы иллюстрирует корреляцию TCP/IP с этой моделью.

Для иллюстрации роли, которую TCP/IP играет в вычислительных сетях в реальном мире, рассмотрим, что происходит, когда Web-браузер использует HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачи гипертекста) для извлечения страницы HTML-данных из Web-сервера, подключенного к Internet. Для формирования виртуального подключения к серверу браузер использует абстракцию программного обеспечения высокого уровня, называемую гнездом (socket). А чтобы извлечь страницу Web, он посылает на сервер команду GET HTTP, записывая ее в гнездо. Программное обеспечение гнезда, в свою очередь, применяет TCP для пересылки битов и байтов, составляющих команду GET на Web-сервер. TCP сегментирует данные и передает отдельные сегменты модулю IP, который пересылает сегменты в дейтаграммах на Web-сервер.

Если браузер и сервер работают на компьютерах, подключенных к различным физическим сетям (как это обычно бывает), дейтаграммы передаются от сети к сети до тех пор, пока не достигнут той, к которой физически подключен сервер. В конце концов дейтаграммы достигают пункта своего назначения и вновь собираются таким образом, чтобы Web-сервер, который считывает цепочки данных из своего гнезда, получал непрерывный поток данных. Для браузера и сервера данные, записанные в гнездо на одном конце, как по волшебству, "всплывают" на другом конце. Но между этими событиями происходят все виды сложных взаимодействий для создания иллюзии непрерывной передачи данных между вычислительными сетями.

И это практически все, чем занимается TCP/IP: превращением множества небольших сетей в одну большую и предоставлением услуг, которые нужны прикладным программам для обмена информацией друг с другом по получающейся в итоге Internet.

Краткое заключение

О TCP/IP можно было бы рассказать много больше, но есть три ключевых момента:

* TCP/IP — это набор протоколов, которые позволяют физическим сетям объединяться вместе для образования Internet. TCP/IP соединяет индивидуальные сети для образования виртуальной вычислительной сети, в которой отдельные главные компьютеры идентифицируются не физическими адресами сетей, а IP-адресами.
* В TCP/IP используется многоуровневая архитектура, которая четко описывает, за что отвечает каждый протокол. TCP и UDP обеспечивают высокоуровневые служебные функции передачи данных для сетевых программ, и оба опираются на IP при передаче пакетов данных. IP отвечает за маршрутизацию пакетов до их пункта назначения.
* Данные, перемещающиеся между двумя прикладными программами, работающими на главных компьютерах Internet, "путешествуют" вверх и вниз по стекам TCP/IP на этих компьютерах. Информация, добавленная модулями TCP/IP на стороне отправителя, "разрезается" соответствующими TCP/IP-модулями на принимающем конце и используется для воссоздания исходных данных.

Хорошо Плохо