Основы TCP/IP


1. Основы TCP/IP


Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие. TCP/IP - это технология межсетевого взаимодействия, технология internet. Сеть, которая использует технологию internet, называется "internet". Если речь идет о глобальной сети, объединяющей множество сетей с технологией internet, то ее называют Internet.

1.1. Модуль IP создает единую логическую сеть


Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных пакетных подсетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети могут обмениваться пакетами.
Когда необходимо передать пакет между машинами, подключенными к разным подсетям, то машина-отправитель посылает пакет в соответствующий шлюз (шлюз подключен к подсети также как обычный узел). Оттуда пакет направляется по определенному маршруту через систему шлюзов и подсетей, пока не достигнет шлюза, подключенного к той же подсети, что и машина-получатель; там пакет направляется к получателю. Объединенная сеть обеспечивает датаграммный сервис.
Проблема доставки пакетов в такой системе решается путем реализации во всех узлах и шлюзах межсетевого протокола IP. Межсетевой уровень является по существу базовым элементом во всей архитектуре протоколов, обеспечивая возможность стандартизации протоколов верхних уровней.

1.2. Структура связей протокольных модулей


Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети internet, изображена на рис.1. Прямоугольники обозначают обработку данных, а линии, соединяющие прямоугольники, - пути передачи данных. Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает кабель сети Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды. Знак "*" - обозначает IP-адрес, а "@" - адрес узла в сети Ethernet (Ethernet-адрес). Понимание этой логической структуры является основой для понимания всей технологии internet. В дальнейшем мы будем часто ссылаться на эту схему.
рис.1. Структура протокольных модулей в узле сети TCP/IP (5.680 bytes)

1.3. Терминология


Введем ряд базовых терминов, которые мы будем использовать в дальнейшем.
Драйвер - это программа, непосредственно взаимодействующая с сетевым адаптером. Модуль - это программа, взаимодействующая с драйвером, сетевыми прикладными программами или другими модулями. Драйвер сетевого адаптера и, возможно, другие модули, специфичные для физической сети передачи данных, предоставляют сетевой интерфейс для протокольных модулей семейства TCP/IP.
Название блока данных, передаваемого по сети, зависит от того, на каком уровне стека протоколов он находится. Блок данных, с которым имеет дело сетевой интерфейс, называется кадром; если блок данных находится между сетевым интерфейсом и модулем IP, то он называется IP-пакетом; если он - между модулем IP и модулем UDP, то - UDP-датаграммой; если между модулем IP и модулем TCP, то - TCP-сегментом (или транспортным сообщением); наконец, если блок данных находится на уровне сетевых прикладных процессов, то он называется прикладным сообщением.
Эти определения, конечно, несовершенны и неполны. К тому же они меняются от публикации к публикации. Более подробные определения можно найти в RFC-1122, раздел 1.3.3.

1.4. Потоки данных


Рассмотрим потоки данных, проходящие через стек протоколов, изображенный на рис.1. В случае использования протокола TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей), данные передаются между прикладным процессом и модулем TCP. Типичным прикладным процессом, использующим протокол TCP, является модуль FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов). Стек протоколов в этом случае будет FTP/TCP/IP/ENET. При использовании протокола UDP (User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм), данные передаются между прикладным процессом и модулем UDP. Например, SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью) пользуется транспортными услугами UDP. Его стек протоколов выглядит так: SNMP/UDP/IP/ENET.
Модули TCP, UDP и драйвер Ethernet являются мультиплексорами n x 1. Действуя как мультиплексоры, они переключают несколько входов на один выход. Они также являются демультиплексорами 1 x n. Как демультиплексоры, они переключают один вход на один из многих выходов в соответствии с полем типа в заголовке протокольного блока данных (рис.2).
Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в модуль ARP (Address Resolution Protocol - адресный протокол), либо в модуль IP (Internet Protocol - межсетевой протокол). На то, куда должен быть направлен Ethernet-кадр, указывает значение поля типа в заголовке кадра.
Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем "протокол" в заголовке IP-пакета.
Если UDP-датаграмма попадает в модуль UDP, то на основании значения поля "порт" в заголовке датаграммы определяется прикладная программа, которой должно быть передано прикладное сообщение. Если TCP-сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, осуществляется на основе значения поля "порт" в заголовке TCP-сообщения.
Мультиплексирование данных в обратную сторону осуществляется довольно просто, так как из каждого модуля существует только один путь вниз. Каждый протокольный модуль добавляет к пакету свой заголовок, на основании которого машина, принявшая пакет, выполняет демультиплексирование.
рис.2. Мультиплексор n x 1 и демультиплексор 1 x n
Данные от прикладного процесса проходят через модули TCP или UDP, после чего попадают в модуль IP и оттуда - на уровень сетевого интерфейса.
Хотя технология internet поддерживает много различных сред передачи данных, здесь мы будем предполагать использование Ethernet, так как именно эта среда чаще всего служит физической основой для IP-сети. Машина на рис.1 имеет одну точку соединения с Ethernet. Шестибайтный Ethernet-адрес является уникальным для каждого сетевого адаптера и распознается драйвером.
Машина имеет также четырехбайтный IP-адрес. Этот адрес обозначает точку доступа к сети на интерфейсе модуля IP с драйвером. IP-адрес должен быть уникальным в пределах всей сети Internet.

Работающая машина всегда знает свой IP-адрес и Ethernet-адрес.

1.5. Работа с несколькими сетевыми интерфейсами


Машина может быть подключена одновременно к нескольким средам передачи данных. На рис.3 показана машина с двумя сетевыми интерфейсами Ethernet. Заметим, что она имеет 2 Ethernet-адреса и 2 IP-адреса.
Из представленной схемы видно, что для машин с несколькими сетевыми интерфейсами модуль IP выполняет функции мультиплексора n x m и демультиплексора m x n (рис.4).
рис.3. Узел сети TCP/IP с двумя сетевыми интерфейсами
Рис. 3
Рис.4. Мультиплексор n x m и демультиплексор m x n
Рис. 4
Таким образом, он осуществляет мультиплексирование входных и выходных данных в обоих направлениях. Модуль IP в данном случае сложнее, чем в первом примере, так как может передавать данные между сетями. Данные могут поступать через любой сетевой интерфейс и быть ретранслированы через любой другой сетевой интерфейс. Процесс передачи пакета в другую сеть называется ретрансляцией IP-пакета. Машина, выполняющая ретрансляцию, называется шлюзом. [1]
Как показано на рис.5 (в следующей, 2-ой главе), ретранслируемый пакет не передается модулям TCP или UDP. Некоторые шлюзы вообще могут не иметь модулей TCP и UDP.


 1. В документации по TCP/IP термины шлюз (gateway) и IP-маршрутизатор (IP-router) часто используются как синонимы. Мы сочли возможным использовать более распространенный термин "шлюз".
исходящий в сети, и принимает адресованные ему Ethernet-кадры, а также Ethernet-кадры с адресом "FF:FF:FF:FF:FF:FF" (в 16-ричной системе), который обозначает "всем", и используется при широковещательной передаче.

Ethernet


В этом разделе мы кратко рассмотрим технологию Ethernet.
Кадр Ethernet содержит адрес назначения, адрес источника, поле типа и данные. Размер адреса в Ethernet - 6 байт. Каждый сетевой адаптер имеет свой Ethernet-адрес. Адаптер контролирует обмен информацией.
Рис.5. Пример межсетевой ретрансляции пакета модулем IP
Ethernet реализует метод МДКН/ОС (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений). Метод МДКН/ОС предполагает, что все устройства взаимодействуют в одной среде, в каждый момент времени может передавать только одно устройство, а принимать могут все одновре- менно. Если два устройства пытаются передавать одновременно, то происхо- дит столкновение передач, и оба устройства после случайного (краткого) периода ожидания пытаются вновь выполнить передачу.

1. Аналогия с разговором


Хорошей аналогией взаимодействиям в среде Ethernet может служить разговор группы вежливых людей в небольшой темной комнате. При этом ана- логией электрическим сигналам в коаксиальном кабеле служат звуковые волны в комнате.
Каждый человек слышит речь других людей (контроль несущей). Все люди в комнате имеют одинаковые возможности вести разговор (множественный доступ), но никто не говорит слишком долго, так как все вежливы. Если человек будет невежлив, то его попросят выйти (т.е. удалят из сети). Все молчат, пока кто-то говорит. Если два человека начинают говорить одновременно, то они сразу обнаруживают это, поскольку слышат друг друга (обнаружение столкновений). В этом случае они замолкают и ждут некоторое время, после чего один из них вновь начинает разговор. Другие люди слы- шат, что ведется разговор, и ждут, пока он кончится, а затем могут начать говорить сами. Каждый человек имеет собственное имя (аналог уникального Ethernet-адреса). Каждый раз, когда кто-нибудь начинает говорить, он называет по имени того, к кому обращается, и свое имя, например, "Слушай Петя, это Андрей, ... ля-ля-ля ..." Если кто-то хочет обратиться ко всем, то он говорит: "Слушайте все, это Андрей, ... ля-ля-ля ..." (широковеща- тельная передача).

Протокол ARP


В этом разделе мы рассмотрим то, как при посылке IP-пакета определяется Ethernet-адрес назначения. Для отображения IP-адресов в Ethernet- адреса используется протокол ARP (Address Resolution Protocol - адресный протокол). Отображение выполняется только для отправляемых IP-пакетов, так как только в момент отправки создаются заголовки IP и Ethernet.

1. ARP-таблица для преобразования адресов


Преобразование адресов выполняется путем поиска в таблице. Эта таб- лица, называемая ARP-таблицей, хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом. Ниже приведен пример упрощенной ARP-таблицы.

IP-адресEthernet-адрес
223.1.2.1
223.1.2.3
223.1.2.4		 08:00:39:00:2F:C3
08:00:5A:21:A7:22
08:00:10:99:AC:54
Табл.1. Пример ARP-таблицы
Принято все байты 4-байтного IP-адреса записывать десятичными числами, разделенными точками. При записи 6-байтного Ethernet-адреса каждый байт указывается в 16-ричной системе и отделяется двоеточием.
ARP-таблица необходима потому, что IP-адреса и Ethernet-адреса выбираются независимо, и нет какого-либо алгоритма для преобразования одного в другой. IP-адрес выбирает менеджер сети с учетом положения машины в сети internet. Если машину перемещают в другую часть сети internet, то ее IP-адрес должен быть изменен. Ethernet-адрес выбирает производитель сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. Когда у машины заменяется плата сетевого адаптера, то меняется и ее Ethernet-адрес.

2. Порядок преобразования адресов


В ходе обычной работы сетевая программа, такая как TELNET, отправляет прикладное сообщение, пользуясь транспортными услугами TCP. Модуль TCP посылает соответствующее транспортное сообщение через модуль IP. В результате составляется IP-пакет, который должен быть передан драйверу Ethernet. IP-адрес места назначения известен прикладной программе, модулю TCP и модулю IP. Необходимо на его основе найти Ethernet-адрес места назначения. Для определения искомого Ethernet-адреса используется ARP-таблица.

3. Запросы и ответы протокола ARP


Как же заполняется ARP-таблица? Она заполняется автоматически модулем ARP, по мере необходимости. Когда с помощью существующей ARP-таблицы не удается преобразовать IP-адрес, то происходит следующее:
  1. По сети передается широковещательный ARP-запрос.
  2. Исходящий IP-пакет ставится в очередь.
Каждый сетевой адаптер принимает широковещательные передачи. Все драйверы Ethernet проверяют поле типа в принятом Ethernet-кадре и передают ARP-пакеты модулю ARP. ARP-запрос можно интерпретировать так: "Если ваш IP-адрес совпадает с указанным, то сообщите мне ваш Ethernet-адрес". Пакет ARP-запроса выглядит примерно так:

IP-адрес отправителя
Ethernet-адрес отправителя		 223.1.2.1
08:00:39:00:2F:C3
Искомый IP-адрес
Искомый Ethernet-адрес		 223.1.2.2
пусто

Каждый модуль ARP проверяет поле искомого IP-адреса в полученном ARP-пакете и, если адрес совпадает с его собственным IP-адресом, то посылает ответ прямо по Ethernet-адресу отправителя запроса. ARP-ответ можно интерпретировать так: "Да, это мой IP-адрес, ему соответствует такой-то Ethernet-адрес". Пакет с ARP-ответом выглядит примерно так:

IP-адрес отправителя
Ethernet-адрес отправителя		 223.1.2.2
08:00:28:00:38:A9
Искомый IP-адрес
Искомый Ethernet-адрес		 223.1.2.1
08:00:39:00:2F:C3

Этот ответ получает машина, сделавшая ARP-запрос. Драйвер этой машины проверяет поле типа в Ethernet-кадре и передает ARP-пакет модулю ARP. Модуль ARP анализирует ARP-пакет и добавляет запись в свою ARP- таблицу.
Обновленная таблица выглядит следующим образом:

IP-адресEthernet-адрес
223.1.2.1
223.1.2.2
223.1.2.3
223.1.2.4		 08:00:39:00:2F:C3
08:00:28:00:38:A9
08:00:5A:21:A7:22
08:00:10:99:AC:54

4. Продолжение преобразования адресов


Новая запись в ARP-таблице появляется автоматически, спустя несколько миллисекунд после того, как она потребовалась. Как вы помните, ранее на шаге 2 исходящий IP-пакет был поставлен в очередь. Теперь с использованием обновленной ARP-таблицы выполняется преобразование IP-адреса в Ethernet-адрес, после чего Ethernet-кадр передается по сети. Полностью порядок преобразования адресов выглядит так:
  1. По сети передается широковещательный ARP-запрос.
  2. Исходящий IP-пакет ставится в очередь.
  3. Возвращается ARP-ответ, содержащий информацию о соответствии IP- и Ethernet-адресов. Эта информация заносится в ARP-таблицу.
  4. Для преобразования IP-адреса в Ethernet-адрес у IP-пакета, поставленного в очередь, используется ARP-таблица.
  5. Ethernet-кадр передается по сети Ethernet.
Короче говоря, если с помощью ARP-таблицы не удается сразу осуществить преобразование адресов, то IP-пакет ставится в очередь, а необходимая для преобразования информация получается с помощью запросов и ответов протокола ARP, после чего IP-пакет передается по назначению.
Если в сети нет машины с искомым IP-адресом, то ARP-ответа не будет и не будет записи в ARP-таблице. Протокол IP будет уничтожать IP-пакеты, направляемые по этому адресу. Протоколы верхнего уровня не могут отличить случай повреждения сети Ethernet от случая отсутствия машины с искомым IP-адресом.
Некоторые реализации IP и ARP не ставят в очередь IP-пакеты на то время, пока они ждут ARP-ответов. Вместо этого IP-пакет просто уничтожается, а его восстановление возлагается на модуль TCP или прикладной процесс, работающий через UDP. Такое восстановление выполняется с помощью таймаутов и повторных передач. Повторная передача сообщения проходит успешно, так как первая попытка уже вызвала заполнение ARP-таблицы.
Следует отметить, что каждая машина имеет отдельную ARP-таблицу для каждого своего сетевого интерфейса.

Установка маршрутов


До сих пор мы рассматривали то, как используется таблица маршрутов для маршрутизации IP-пакетов. Но откуда берется информация в самой таблице маршрутов? В данном разделе мы рассмотрим методы, позволяющие поддерживать корректность таблиц маршрутов.

1. Фиксированные маршруты


Простейший способ проведения маршрутизации состоит в установке маршрутов при запуске системы с помощью специальных команд. Этот метод можно применять в относительно маленьких IP-сетях, в особенности, если их конфигурации не часто меняются.
На практике большинство машин автоматически формирует таблицы маршрутов. Например, UNIX добавляет записи о IP-сетях, к которым есть непосредственный доступ. Стартовый файл может содержать команды

ifconfig
ifconfig		ie0
ie1		128.6.4.4
128.6.5.35		netmask
netmask		255.255.255.0
255.255.255.0


Они показывают, что существуют два сетевых интерфейса, и устанавливают их IP-адреса. Система может автоматически создать две записи в таблице маршрутов:

сетьфлаг вида маршрутизациишлюзинтерфейс
128.6.4
128.6.5		прямая
прямая		<пусто>
<пусто>		ie0
ie1

Табл.15. Автоматически создаваемые записи
Эти записи определяют, что IP-пакеты для локальных подсетей 128.6.4 и 128.6.5 должны посылаться через указанные интерфейсы.
В стартовом файле могут быть команды, определяющие маршруты доступа к другим IP-сетям. Например,

route add
route add		128.6.2.0
128.6.6.0		128.6.4.1
128.6.5.35		1
0


Эти команды показывают, что в таблицу маршрутов должны быть добавлены две записи. Первый адрес в командах является IP-адресом сети, второй адрес указывает шлюз, который должен использоваться для доступа к данной IP-сети, а третий параметр является метрикой. Метрика показывает, на каком "расстоянии" находится описываемая IP-сеть. В данном случае метрика - это количество шлюзов на пути между двумя IP-сетями. Маршруты с метрикой 1 и более определяют первый шлюз на пути к IP-сети. Маршруты с метрикой 0 показывают, что никакой шлюз не нужен - данный маршрут задает дополнительный сетевой номер локальной IP-сети.
Таким образом, команды, приведенные в примере, говорят о том, что для доступа к IP-сети 128.6.2 должен использоваться шлюз 128.6.4.1, а IP-сеть 128.6.6 - это просто дополнительный номер для физической сети, подключенной к интерфейсу 128.6.5.35.

сетьфлаг вида маршрутизациишлюзинтерфейс
128.6.2
128.6.6		косвенная
прямая		128.6.4.1
<пусто>		ie0
ie1

Табл.16. Записи, добавляемые в таблицу маршрутов
Можно определить маршрут по умолчанию, который используется в тех случаях, когда IP-адрес места назначения не встречается в таблице маршрутов явно. Обычно маршрут по умолчанию указывает IP-адрес шлюза, который имеет достаточно информации для маршрутизации IP-пакетов со всеми возможными адресами назначения.
Если ваша IP-сеть имеет всего один шлюз, тогда все, что нужно сделать, - это установить единственную запись в таблице маршрутов, указав этот шлюз как маршрут по умолчанию. После этого можно не заботиться о формировании маршрутов в других узлах. (Конечно, сам шлюз требует больше внимания.)
Следующие разделы посвящены IP-сетям, где есть несколько шлюзов.

2. Перенаправление маршрутов


Большинство экспертов по межсетевому взаимодействию рекомендуют оставлять решение проблем маршрутизации шлюзам. Плохо иметь на каждой машине большую таблицу маршрутов. Дело в том, что при каких-либо изменениях в IP-сети приходится менять информацию во всех машинах. Например, при отключении какого-нибудь канала связи для восстановления нормальной работы нужно ждать, пока кто-то заметит это изменение в конфигурации I P-сети и внесет исправления во все таблицы маршрутов.
Простейший способ поддержания адекватности маршрутов заключается в том, что изменение таблицы маршрутов каждой машины выполняется по командам только одного шлюза. Этот шлюз должен быть установлен как маршрут по умолчанию. (В ОС UNIX это делается командой "route add default 128.6.4.27 1", где 128.6.4.27 является IP-адресом шлюза.) Как было описано выше, каждая машина посылает IP-пакет шлюзу по умолчанию в том случае, когда не находит лучшего маршрута. Однако, когда в IP-сети есть несколько шлюзов, этот метод работает не так хорошо. Кроме того, если таблица маршрутов имеет только одну запись о маршруте по умолчанию, то как использовать другие шлюзы, если это более выгодно? Ответ состоит в том, что большинство шлюзов способны выполнять "перенаправление" в тех случаях, когда они получают IP-пакеты, для которых существуют более выгодные маршруты. "Перенаправление" является специальным типом сообщения протокола ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений). Сообщение о перенаправлении содержит информацию, которую можно интерпретировать так: "В будущем для IP-адреса XXXX используйте шлюз YYYY, а не меня". Корректные реализации TCP/IP должны использовать сообщения о перенаправлении для добавления записей в таблицу маршрутов. Предположим, таблица маршрутов в начале выглядит следующим образом:

адрес назначенияфлаг вида маршрутизациишлюзинтерфейс
127.0.0
128.6.4
default		прямая
прямая
косвенная		<пусто>
<пусто>
128.6.4.27		lo0
pe0
pe0
Табл.17. Таблица маршрутов в начале работы
Эта таблица содержит запись о локальной IP-сети 128.6.4 и маршрут по умолчанию, указывающий шлюз 128.6.4.27. Допустим, что существует шлюз 128.6.4.30, который является лучшим путем доступа к IP-сети 128.6.7. Как им воспользоваться? Предположим, что нужно посылать IP-пакеты по IP-адресу 128.6.7.23. Первый IP-пакет пойдет на шлюз по умолчанию, так как это единственный подходящий маршрут, описанный в таблице. Однако шлюз 128.6.4.27 знает, что существует лучший маршрут, проходящий через шлюз 128.6.4.30. (Как он узнает об этом, мы сейчас не рассматриваем. Существует довольно простой метод определения лучшего маршрута.) В этом случае шлюз 128.6.4.27 возвращает сообщение перенаправления, где указывает, что IP-пакеты для узла 128.6.7.23 должны посылаться через шлюз 128.6.4.30. Модуль IP на машине-отправителе должен добавить запись в таблицу маршрутов:

адрес назначенияфлаг вида маршрутизациишлюзинтерфейс
128.6.7.23косвенная128.6.4.30pe0
Табл.18. Новая запись в таблице маршрутов
Все последующие IP-пакеты для узла 128.6.7.23 будут посланы прямо через указанный шлюз.
До сих пор мы рассматривали способы добавления маршрутов в IP-таблицу, но не способы их исключения. Что случится, если шлюз будет выключен? Хотелось бы иметь способ возврата к маршруту по умолчанию после того, как какой-либо маршрут разрушен. Однако, если шлюз вышел из строя или был выключен, то он уже не может послать сообщение перенаправления. Поэтому должен существовать метод определения работоспособности шлюзов, с которыми ваша машина связана непосредственно. Лучший способ обнаружения неработающих шлюзов основан на выявлении "плохих" маршрутов. Модуль TCP поддерживает различные таймеры, которые помогают ему определить разрыв соединения. Когда случается сбой, то можно пометить маршрут как "плохой" и вернуться к маршруту по умолчанию. Аналогичный метод может использоваться при обработке ошибок шлюза по умолчанию. Если два шлюза отмечены как шлюзы по умолчанию, то машина может использовать их по очереди, переключаясь между ними при возникновении сбоев.

3. Слежение за маршрутизацией


Заметим, что сообщения перенаправления не могут использоваться самими шлюзами. Перенаправление - это просто способ оповещения обычного узла о том, что нужно использовать другой шлюз. Сами шлюзы должны иметь полную картину о положении дел в сети internet и уметь вычислять оптимальные маршруты доступа к каждой подсети. Обычно они поддерживают эту картину, обмениваясь информацией между собой. Для этой цели существуют несколько специальных протоколов маршрутизации. Один из способов, с помощью которого узлы могут определять действующие шлюзы, состоит в слежении за обменом сообщениями между ними. Для большинства протоколов маршрутизации существует программное обеспечение, позволяющее обычным узлам осуществлять такое слежение. При этом на узлах поддерживается полная картина положения дел в сети internet точно также, как это делается в шлюзах. Динамическая корректировка таблицы маршрутов позволяет посылать IP-пакеты по оптимальным маршрутам.
Таким образом, слежение за маршрутизацией в некотором смысле "решает" проблему поддержания корректности таблиц маршрутов. Однако существуют несколько причин, по которым этот метод применять не рекомендуется. Наиболее серьезной проблемой является то, что протоколы маршрутизации пока еще подвергаются частым пересмотрам и изменениям. Появляются новые протоколы маршрутизации. Эти изменения должны учитываться в программном обеспечении всех машин.
Несколько более специальная проблема связана с бездисковыми рабочими станциями. По своей природе бездисковые машины сильно зависят от сети и от файл-серверов, с которых они осуществляют загрузку программ, и где располагается их область своппинга. Исполнение программ, следящих за широковещательными передачами в сети, на бездисковых машинах связано с большими трудностями. Протоколы маршрутизации построены в основном на широковещательных передачах. Например, все сетевые шлюзы могут широковещательно передавать содержание своих таблиц маршрутов через каждые 30 секунд. Программы, которые следят за такими передачами, должны быть загружены на бездисковые станции через сеть. На достаточно занятой машине программы, которые не используются в течение нескольких секунд, обычно отправляются в область своппинга. Поэтому программы, следящие за маршрутизацией, большую часть времени находятся в своппинге. Когда они вновь активизируются, должна производиться подкачка из своппинга. Как только посылается широковещательное сообщение, все машины активизируют программы, следящие за маршрутизацией. Это приводит к тому, что многие бездисковые станции будут выполнять подкачку из своппинга в одно и тоже время. Поэтому в сети возникнет временная перегрузка. Таким образом, исполнение программ, прослушивающих широковещательные передачи, на бездисковых рабочих станциях очень нежелательно.

4. Протокол ARP с представителем


Протокол ARP с представителем является альтернативным методом, позволяющим шлюзам принимать все необходимые решения о маршрутизации. Он применяется в сетях с широковещательной передачей, где для отображения IP-адресов в сетевые адреса используется протокол ARP или ему подобный. Здесь мы вновь будем предполагать, что имеем дело с сетью Ethernet.
Во многом метод, реализуемый протоколом ARP с представителем, аналогичен использованию маршрутов по умолчанию и сообщений перенаправления. Но протокол ARP с представителем не затрагивает таблиц маршрутов, все делается на уровне адресов Ethernet. Протокол ARP с представителем может использоваться либо для маршрутизации IP-пакетов ко всем сетям, либо только в локальной сети, либо в какой-то комбинации подсетей. Проще всего продемонстрировать его использование при работе со всеми адресами.
Чтобы использовать протокол, нужно настроить узел так, как будто все машины в мире подключены непосредственно к вашей локальной сети Ethernet. В ОС UNIX это делается командой "route add default 128.6.4.2 0", где 128.6.4.2 - IP-адрес вашего узла. Как уже отмечалось, метрика 0 говорит о том, что все IP-пакеты, которым подходит данный маршрут, должны посылаться напрямую по локальной сети.
Когда нужно послать IP-пакет узлу в локальной сети Ethernet, ваша машина должна определить Ethernet-адрес этого узла. Для этого она использует ARP-таблицу. Если в ARP-таблице уже есть запись, соответствующая IP-адресу места назначения, то из нее просто берется Ethernet-адрес, и кадр, содержащий IP-пакет, отправляется. Если такой записи нет, то посылается широковещательный ARP-запрос. Узел с искомым IP-адресом назначения принимает его и в ARP-ответе сообщает свой Ethernet-адрес. Эти действия соответствуют обычному протоколу ARP, описанному выше.
Протокол ARP с представителем основан на том, что шлюзы работают как представители удаленных узлов. Предположим, в подсети 128.6.5 имеется узел 128.6.5.2 (узел A на рис.12). Он желает послать IP-пакет узлу 128.6.4.194, который подключен к другой сети Ethernet (узел B в подсети 128.6.4). Существует шлюз с IP-адресом 128.6.5.1, соединяющий две подсети (шлюз R).

Рис.12. Сеть, использующая протокол ARP с представителем

Если в ARP-таблице узла A нет маршрута доступа к узлу B, то узел A посылает ARP-запрос узлу B. Фактически машина A спрашивает: "Если кто-нибудь знает Ethernet-адрес узла 128.6.4.194, сообщите мне его". Узел B не может ответить на запрос самостоятельно. Он подключен к другой сети Ethernet и никогда даже не увидит этот ARP-запрос. Однако шлюз R может работать от его имени. Шлюз R отвечает: "Я здесь, IP-адресу 128.6.4.194 соответствует Ethernet-адрес 2:7:1:0:EB:CD", где 2:7:1:0:EB:CD в действительности является Ethernet-адресом шлюза. Это создает иллюзию, что узел 128.6.4.194 подключен непосредственно к той же локальной сети Ethernet, что и узел A, и имеет Ethernet-адрес 2:7:1:0:EB:CD. Когда узел A захочет послать новый IP-пакет узлу B, он использует указанный Ethernet-адрес. Кадр, содержащий IP-пакет, попадет к шлюзу R, а он переправит его по назначению.
Заметим, что полученный эффект такой же, как если бы в таблице маршрутов была запись

адрес назначенияфлаг вида маршрутизациишлюзинтерфейс
128.6.4.194косвенная128.6.5.1pe0

за исключением того, что маршрутизация выполняется на уровне модуля ARP, а не модуля IP.
Обычно рекомендуется использовать таблицу маршрутов, так как архитектура протоколов TCP/IP предусматривает выполнение маршрутизации на межсетевом уровне. Однако иногда протокол ARP с представителем очень полезен. Он может помочь в следующих случаях:
  1. в IP-сети есть узел, который не умеет работать с подсетями;
  2. в IP-сети есть узел, который не может соответствующим образом реагировать на сообщения перенаправления;
  3. нежелательно выбирать какой-либо шлюз как маршрут по умолчанию;
  4. программное обеспечение не способно восстанавливаться при сбоях на маршрутах.
Иногда протокол ARP с представителем выбирают из-за удобства. Дело в том, что он упрощает работу по начальной установке таблицы маршрутов. Даже в простейших IP-сетях требуется устанавливать маршрут по умолчанию, то есть использовать команду типа "route add defailt ...", как в ОС UNIX. При изменении IP-адреса шлюза эту команду приходится менять во всех узлах. Если же использовать протокол ARP с представителем, т.е. в команде установки маршрута по умолчанию указать метрику 0, то при замене IP-адреса шлюза команду начальной установки менять не придется, так как протокол ARP с представителем не требует явного задания IP-адресов шлюзов. Любой шлюз может ответить на ARP-запрос.
Для того, чтобы избавить пользователей от обязательной начальной установки маршрутов, некоторые реализации TCP/IP используют протокол ARP с представителем по умолчанию в тех случаях, когда не находят подходящих записей в таблице маршрутов.

Протокол UDP


Протокол UDP (User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм) является одним из двух основных протоколов, расположенных непосредственно над IP. Он предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку датаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле "порт", обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле - "контрольная сумма" - позволяет поддерживать целостность данных.
Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS (Network File System - сетевая файловая система) и SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).

1. Порты


Взаимодействие между прикладными процессами и модулем UDP осуществляется через UDP-порты. Порты нумеруются начиная с нуля. Прикладной процесс, предоставляющий некоторые услуги другим прикладным процессам (сервер), ожидает поступления сообщений в порт, специально выделенный для этих услуг. Сообщения должны содержать запросы на предоставление услуг. Они отправляются процессами-клиентами.
Например, сервер SNMP всегда ожидает поступлений сообщений в порт 161. Если клиент SNMP желает получить услугу, он посылает запрос в UDP-порт 161 на машину, где работает сервер. В каждом узле может быть только один сервер SNMP, так как существует только один UDP-порт 161. Данный номер порта является общеизвестным, то есть фиксированным номером, официально выделенным для услуг SNMP. Общеизвестные номера определяются стандартами Internet.
Данные, отправляемые прикладным процессом через модуль UDP, достигают места назначения как единое целое. Например, если процессотправитель производит 5 записей в UDP-порт, то процесс-получатель должен будет сделать 5 чтений. Размер каждого записанного сообщения будет совпадать с размером каждого прочитанного. Протокол UDP сохраняет границы сообщений, определяемые прикладным процессом. Он никогда не объединяет несколько сообщений в одно и не делит одно сообщение на части.

2. Контрольное суммирование


Когда модуль UDP получает датаграмму от модуля IP, он проверяет контрольную сумму, содержащуюся в ее заголовке. Если контрольная сумма равна нулю, то это означает, что отправитель датаграммы ее не подсчитывал, и, следовательно, ее нужно игнорировать. Если два модуля UDP взаимодействуют только через одну сеть Ethernet, то от контрольного суммирования можно отказаться, так как средства Ethernet обеспечивают достаточную степень надежности обнаружения ошибок передачи. Это снижает накладные расходы, связанные с работой UDP. Однако рекомендуется всегда выполнять контрольное суммирование, так как возможно в какой-то момент изменения в таблице маршрутов приведут к тому, что датаграммы будут посылаться через менее надежную среду.
Если контрольная сумма правильная (или равна нулю), то проверяется порт назначения, указанный в заголовке датаграммы. Если к этому порту подключен прикладной процесс, то прикладное сообщение, содержащееся в датаграмме, становится в очередь для прочтения. В остальных случаях датаграмма отбрасывается. Если датаграммы поступают быстрее, чем их успевает обрабатывать прикладной процесс, то при переполнении очереди сообщений поступающие датаграммы отбрасываются модулем UDP.
Протокол TCP предоставляет транспортные услуги, отличающиеся от услуг UDP. Вместо ненадежной доставки датаграмм без установления соединений, он обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений в виде байтовых потоков.
Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать таймауты и повторные передачи для обеспечения надежности. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) и TELNET. Кроме того, TCP используют система X-Window, rcp (remote copy - удаленное копирование) и другие "r-команды". Большие возможности TCP даются не бесплатно. Реализация TCP требует большой производительности процессора и большой пропускной способности сети. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры модуля UDP.
Прикладные процессы взаимодействуют с модулем TCP через порты. Для отдельных приложений выделяются общеизвестные номера портов. Например, сервер TELNET использует порт номер 23. Клиент TELNET может получать услуги от сервера, если установит соединение с TCP-портом 23 на его машине.

Примечание: в современных системах, можно указывать номер порта, с которым надо устнавливать соединение.

Когда прикладной процесс начинает использовать TCP, то модуль TCP на машине клиента и модуль TCP на машине сервера начинают общаться. Эти два оконечных модуля TCP поддерживают информацию о состоянии соединения, называемого виртуальным каналом. Этот виртуальный канал потребляет ресурсы обоих оконечных модулей TCP. Канал является дуплексным; данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях. Один прикладной процесс пишет данные в TCP-порт, они проходят по сети, и другой прикладной процесс читает их из своего TCP-порта.
Протокол TCP разбивает поток байт на пакеты; он не сохраняет границ между записями. Например, если один прикладной процесс делает 5 записей в TCP-порт, то прикладной процесс на другом конце виртуального канала может выполнить 10 чтений для того, чтобы получить все данные. Но этот же процесс может получить все данные сразу, сделав только одну операцию чтения. Не существует зависимости между числом и размером записываемых сообщений с одной стороны и числом и размером считываемых сообщений с другой стороны.
Протокол TCP требует, чтобы все отправленные данные были подтверждены принявшей их стороной. Он использует таймауты и повторные передачи для обеспечения надежной доставки. Отправителю разрешается передавать некоторое количество данных, недожидаясь подтверждения приема ранее отправленных данных. Таким образом, между отправленными и подтвержденными данными существует окно уже отправленных, но еще неподтвержденных данных. Количество байт, которые можно передавать без подтверждения, называется размером окна. Как правило, размер окна устанавливается в стартовых файлах сетевого программного обеспечения. Так как TCP-канал является дуплексным, то подтверждения для данных, идущих в одном направлении, могут передаваться вместе с данными, идущими в противоположном направлении. Приемники на обеих сторонах виртуального канала выполняют управление потоком передаваемых данных для того, чтобы не допускать переполнения буферов.

Протоколы прикладного уровня


Почему существуют два транспортных протокола TCP и UDP, а не один из них? Дело в том, что они предоставляют разные услуги прикладным процессам. Большинство прикладных программ пользуются только одним из них. Вы, как программист, выбираете тот протокол, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям. Если вам нужна надежная доставка, то лучшим может быть TCP. Если вам нужна доставка датаграмм, то лучше может быть UDP. Если вам нужна эффективная доставка по длинному и ненадежному каналу передачи данных, то лучше может подойти протокол TCP. Если нужна эффективность на быстрых сетях с короткими соединениями, то лучшим может быть протокол UDP. Если ваши потребности не попадают ни в одну из этих категорий, то выбор транспортного протокола не ясен. Однако прикладные программы могут устранять недостатки выбранного протокола. Например, если вы выбрали UDP, а вам необходима надежность, то прикладная программа должна обеспечить надежность. Если вы выбрали TCP, а вам нужно передавать записи, то прикладная программа должна вставлять маркеры в поток байтов так, чтобы можно было различить записи.
Какие же прикладные программы доступны в сетях с TCP/IP?
Общее их количество велико и продолжает постоянно увеличиваться. Некоторые приложения существуют с самого начала развития internet. Например, TELNET и FTP. Другие появились недавно: X-Window, SNMP.
Протоколы прикладного уровня ориентированы на конкретные прикладные задачи. Они определяют как процедуры по организации взаимодействия определенного типа между прикладными процессами, так и форму представления информации при таком взаимодействии. В этом разделе мы коротко опишем некоторые из прикладных протоколов.

Протокол TELNET


Протокол TELNET позволяет обслуживающей машине рассматривать все удаленные терминалы как стандартные "сетевые виртуальные терминалы" строчного типа, работающие в коде ASCII, а также обеспечивает возможность согласования более сложных функций (например, локальный или удаленный эхо-контроль, страничный режим, высота и ширина экрана и т.д.) TELNET работает на базе протокола TCP. На прикладном уровне над TELNET находится либо программа поддержки реального терминала (на стороне пользователя), либо прикладной процесс в обсуживающей машине, к которому осуществляется доступ с терминала.
Работа с TELNET походит на набор телефонного номера. Пользователь набирает на клавиатуре что-то вроде
telnet delta

и получает на экране приглашение на вход в машину delta.
Протокол TELNET существует уже давно. Он хорошо опробован и широко распространен. Создано множество реализаций для самых разных операционных систем. Вполне допустимо, чтобы процесс-клиент работал, скажем, под управлением ОС VAX/VMS, а процесс-сервер под ОС UNIX System V.

Протокол FTP


Протокол FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) распространен также широко как TELNET. Он является одним из старейших протоколов семейства TCP/IP. Также как TELNET он пользуется транспортными услугами TCP. Существует множество реализаций для различных операционных систем, которые хорошо взаимодействуют между собой. Пользователь FTP может вызывать несколько команд, которые позволяют ему посмотреть каталог удаленной машины, перейти из одного каталога в другой, а также скопировать один или несколько файлов.

Протокол SMTP


Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи почты) поддерживает передачу сообщений (электронной почты) между произвольными узлами сети internet. Имея механизмы промежуточного хранения почты и механизмы повышения надежности доставки, протокол SMTP допускает использование различных транспотных служб. Он может работать даже в сетях, не использующих протоколы семейства TCP/IP. Протокол SMTP обеспечивает как группирование сообщений в адрес одного получателя, так и размножение нескольких копий сообщения для передачи в разные адреса. Над модулем SMTP располагается почтовая служба конкретных вычислительных систем.

r-команды


Существует целая серия "r-команд" (от remote - удаленный), которые впервые появились в ОС UNIX. Они являются аналогами обычных команд UNIX, но предназначены для работы с удаленными машинами. Например, команда rcp является аналогом команды cp и предназначена для копирования файлов между машинами. Для передачи файла на узел delta достаточно ввести
rcp file.c delta:

Для выполнения команды "cc file.c" на машине delta можно использовать комаду rsh:
rsh delta cc file.c

Для организации входа в удаленную систему предназначена команда rlogin:
rlogin delta

Команды r-серии используются главным образом в системах, работающих под управлением ОС UNIX. Существуют также реализации для MS-DOS. Команды избавляют пользователя от необходимости набирать пароли при входе в удаленную систему и существенно облегчают работу.

NFS


Сетевая файловая система NFS (Network File System) впервые была разработана компанией Sun Microsystems Inc. NFS использует транспортные услуги UDP и позволяет монтировать в единое целое файловые системы нескольких машин с ОС UNIX. Бездисковые рабочие станции получают доступ к дискам файл-сервера так, как-будто это их локальные диски.
NFS значительно увеличивает нагрузку на сеть. Если в сети используются медленные линии связи, то от NFS мало толку. Однако, если пропускная способность сети позволяет NFS нормально работать, то пользователи получают большие преимущества. Поскольку сервер и клиент NFS реализуются в ядре ОС, все обычные несетевые программы получают возможность работать с удаленными файлами, расположенными на подмонтированных NFS-дисках, точно также как с локальными файлами.

Протокол SNMP


Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью) работает на базе UDP и предназначен для использования сетевыми управляющими станциями. Он позволяет управляющим станциям собирать информацию о положении дел в сети internet. Протокол определяет формат данных, их обработка и интерпретация остаются на усмотрение управляющих станций или менеджера сети.

X-Window


Система X-Window использует протокол X-Window, который работает на базе TCP, для многооконного отображения графики и текста на растровых дисплеях рабочих станций. X-Window - это гораздо больше, чем просто утилита для рисования окон; это целая философия человеко-машинного взаимодействия.
Ниже на рисунке предсавлена схема взаимосвязей между протоколами семейства TCP/IP.
Рис.13. Структура взаимосвязей протоколов семейства TCP/IP