Архитектура TCP/IP

Архитектура TCP/IP

Архитектура семейства протоколов TCP/IP основана на представлении, что коммуникационная инфраструктура включает три объекта: процессы, хосты, и сети. Процессы являются основными коммуникационными объектами, поскольку между процессами, в конечном итоге, осуществляется передача информации. Выполнение процессов происходит на различных хостах (или компьютерах). Передача информации между процессами проходит через сети, к которым подключены хосты.

Подобный взгляд на вещи позволяет сделать основной вывод: чтобы доставить данные процессу, их необходимо сначала передать нужному хосту, а затем определенному процессу, который выполняется на этом хосте. Более того — эти две фазы могут выполняться независимо. Таким образом, от коммуникационной инфраструктуры требуется маршрутизация и доставка данных между хостами, а хосты, в свою очередь, обязаны обеспечить доставку нужным процессам.

Основываясь на этом простом соображении, при разработке семейства протоколов взаимодействия логичным было четкое распределение обязанностей между отдельными протоколами, представив их в виде нескольких уровней. Разработчиками было выбрано четыре уровня:

? Уровень приложений/процессов (Application/process layer)

? Транспортный уровень (Host-to-host layer)

? Уровень Internet (Internet layer)

? Уровень сетевого интерфейса (Network interface layer)

Уровень сетевого интерфейса составляют протоколы, обеспечивающие доступ к физической сети. С помощью этих протоколов осуществляется передача данных между коммуникационными узлами, подключенными к одному и тому же сетевому сегменту (например, сегменту Ethernet или каналу точка-точка). Протоколы этого уровня должны поддерживаться всеми активными устройствами, подключенными к сети (например, мостами). К этому уровню относятся протоколы Ethernet, IEEE802.X, SLIP, PPP и т.д. Протоколы уровня сетевого интерфейса формально не являются частью семейства TCP/IP, однако стандарты Internet определяют, каким образом должна осуществляться передача данных TCP/IP с использованием вышеперечисленных протоколов.

Уровень Internet составляют протоколы, обеспечивающие передачу данных между хостами, подключенными к различным сетям. Одной из функций, которая должна быть реализована протоколами этого уровня, является выбор маршрута следования данных, или маршрутизация. Сетевые элементы, осуществляющие передачу данных из одной сети в другую, получили название шлюзов (gateway).[68] Шлюз имеет несколько сетевых интерфейсов, подключенных к различным физическим сетям, и его основной задачей является выбор маршрута передачи данных из одного сетевого интерфейса в другой. Основной представитель уровня Internet — протокол IP.

Протоколы транспортного уровня обеспечивают передачу данных между процессами, выполняющихся на разных хостах. Помимо этого транспортные протоколы могут реализовывать дополнительные функции, например, гарантированную доставку, создание виртуального канала и т.д. К транспортному уровню относятся протоколы TCP и UDP.

Наконец, протоколы уровня приложений обеспечивают функционирование прикладных услуг, таких как удаленный терминальный доступ, копирование удаленных файлов, передача почтовых сообщений и т.д. Работу этих приложений обеспечивают протоколы Telnet, File Transfer Protocol (FTP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) и т.д.

На рис. 6.1 показана иерархическая четырехуровневая модель семейства протоколов TCP/IP. Заметим, что протоколы уровня сетевого интерфейса, фактически не являются частью семейства, поскольку не определены ни стандартами Министерства обороны США, ни стандартами Internet. Вместо этого используются существующие протоколы сети и определяются методы передачи трафика TCP/IP с помощью данной коммуникационной технологии. Например, RFC894 (A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks) определяет формат и процедуру передачи IP-пакетов в сетях Ethernet, a RFC 1577 (Classical IP and ARP over ATM) — в сетях ATM.

Рис. 6.1. Архитектура протоколов TCP/IP

На рис. 6.2 показана базовая коммуникационная схема протоколов TCP/IP. Коммуникационная инфраструктура может состоять из нескольких физических сетей. Для передачи данных в физической сети между подключенными хостами используется некоторый протокол уровня сетевого интерфейса, определенный для данной технологии передачи данных (Ethernet, FDDI, ATM и т.д.). Отдельные сети связаны между собой шлюзами, — устройствами, подключенными одновременно к нескольким сетям и служащими для передачи пакетов данных из одного интерфейса в другой. Выполнение этой функции обеспечивается протоколом IP. Как видно из рисунка, протокол IP выполняется на хостах и шлюзах и в конечном итоге обеспечивает доставку данных от хоста-отправителя к хосту- получателю. За обмен данными между процессами отвечают протоколы транспортного уровня — TCP или UDP. Поскольку работа транспортных протоколов обеспечивает передачу данных между удаленными процессами, протоколы этого уровня должны быть реализованы на хостах. При этом шлюзов для TCP или UDP как бы не существует, поскольку их присутствие и работу полностью скрывает протокол IP. Наконец, процессы также используют некоторый протокол для обмена данными, например Telnet или FTP.

Рис. 6.2. Коммуникационная схема TCP/IP

Для правильного обмена данными каждый коммуникационный узел должен иметь уникальный адрес. На самом деле, как правило, существует несколько уровней адресации. Например, в локальной сети, каждый сетевой интерфейс (первый уровень модели) имеет т.н. MAC-адрес. С помощью этого адреса обеспечивается доставка данных требуемому получателю в физической сети. Для доставки данных IP необходимо адресовать хост-получатель. Для этого используется т.н. IP- или Internet-адрес. Наконец, хост, получивший данные, должен доставить их требуемому процессу. Таким образом, каждый процесс хоста, участвующий в коммуникационном взаимодействии также имеет адрес. Этот адрес получил название номера порта.

Таким образом, для того чтобы однозначно адресовать принимающую сторону, отправитель данных должен указать адреса хоста (IP-адрес) и процесса на этом хосте (номер порта). Он также должен указать, какой протокол транспортного уровня будет использован при обмене данными (номер протокола). Поскольку путь данных может проходить по нескольким физическим сегментам, физический адрес, или MAC-адрес, сетевого интерфейса не имеет смысла и определяется автоматически на каждом этапе пересылки (hop) между шлюзами.

Попробуем вкратце рассмотреть процесс передачи данных от процесса 2000 (номер порта), выполняющегося на хосте А, к процессу 23, выполняющемуся на хосте В. Согласно рис. 6.2 хосты расположены в разных физических сегментах, соединенных шлюзом X. Для этого процесс 2000 передает некоторые данные модулю протокола TCP (допустим, что приложение использует этот транспортный протокол), указывая, что данные необходимо передать процессу 23 хоста В. Модуль TCP, в свою очередь, передает данные модулю IP, указывая при только адрес хоста В. Модуль IP выбирает маршрут и соответствующий ему сетевой интерфейс (если их несколько) и передает последнему данные, указывая шлюз X в качестве промежуточного получателя.

Можно заметить, что наряду с передачей данных, каждый уровень обработки передает последующему некоторую управляющую информацию (IP-адрес, номер порта и т.д.). Эта информация необходима для правильной доставки данных адресату. Поэтому каждый протокол формирует пакет (Protocol Data Unit, PDU), состоящий из данных, переданных модулем верхнего уровня, и заголовка, содержащего управляющую информацию. Эта управляющая информация распознается модулем того же уровня (peer module) удаленного узла и используется для правильной обработки данных и передачи их соответствующему протоколу верхнего уровня.

На рис. 6.3 схематически показан процесс обработки данных при их передаче между хостами сети с использованием протоколов TCP/IP. С точки зрения процессов 23 и 2000 между ними существует коммуникационный канал, обеспечивающий надежную и достоверную передачу потока данных, внутреннюю структуру которого определяют сами процессы по предварительной договоренности (например, в соответствии с протоколом Telnet). Модуль TCP хоста А обменивается сегментами данных с парным ему модулем TCP хоста В, не задумываясь о топологии сети или физических интерфейсах. Задача модулей TCP заключается в обеспечении достоверной и последовательной передачи данных между модулями приложений (процессов). TCP не интерпретирует прикладные данные и ему безразлично, передается ли в сегменте фрагмент почтового сообщения, файл или регистрационное имя пользователя. В свою очередь модуль IP хоста А передает данные, полученные от транспортных протоколов, модулю IP хоста В, не заботясь о надежности и последовательности передачи. Он не интерпретирует данные TCP, поскольку его задача — правильно адресовать отправляемую датаграмму. Поэтому модулю IP все равно, передает ли он данные TCP или UDP, управляющие сегменты или инкапсулированные прикладные данные.

Рис. 6.3. Обработка данных в соответствии с протоколами TCP/IP

Работу модулей TCP/IP можно сравнить со сборочным конвейером: каждый участок выполняет определенную для него задачу, полагаясь на качество работы, выполненной на предыдущем этапе.