Инкапсуляция пакетов и промежуточные узлы

При продвижении пакета с данными прикладного процесса по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, окончания (трейлера) - информации, помещаемой в конец сообщения.

Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакет нижнего уровня. Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня.

Данные, приходящие с верхнего уровня, могут представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более верхнего уровня.

При получении пакета от нижнего уровня он разделяется на заголовок, трейлер и данные. Служебная информация из заголовка и трейлера анализируется, и в соответствии с ней принимается решение, что делать с данными, содержащимися в полученном пакете.

Одним из вариантов является направление данных одному из объектов верхнего уровня (какому именно - должно быть указано в проанализированной служебной информации). Тот, в свою очередь, рассматривает эти данные как пакет со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей служебной информации, не достигнут прикладного процесса.

Но есть возможность, что пакет не будет проведен до самого верхнего уровня (например, если данный компьютер представляет собой промежуточную станцию на пути между отправителем и получателем). В этом случае объект соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет на этом уровне адресован не ему. Тогда объект выполнит необходимые действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать данные на верхний уровень.

Протоколы, основанные на модели OSI используются редко:

• в силу своей не всегда оправданной сложности;

• из-за существования хорошо зарекомендовавших себя стеков протоколов TCP/IP.

Поэтому модель OSI - опорная база для классификации и сопоставления протокольных стеков.

Модель и четыре уровня стеков TCP/IP

Сеть Internet отличается от других сетей своими протоколами и в первую очередь протоколами TCP/IP.

Протокол - это набор правил, определяющий характер взаимодействия пользователей, последовательность выполнения ими действий при обмене информацией.

Термин TCP/IP означает все, что связано с протоколами взаимодействия между компьютерами в сети. Данный протокол представляет собой совокупность нескольких протоколов, прикладные программы и даже саму сеть.

Свое название протокол TCP/IP получил от двух типов протоколов связи:

• Transmission Control Protocol (TCP);

• Internet Protocol (IP).

Таким образом, TCP/IP - собирательное название для стека сетевых протоколов разных уровней, используемых в Internet.

Особенности TCP/IP.

-открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;

- независимость от физической среды передачи;

-система уникальной адресации;

-стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.

Стек протоколов TCP/IP делится на четыре уровня:

I.Прикладной (application ). Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI.

Распространенными примерами приложений являются программы telnet, ftp, WWW-серверы и клиенты (Интернет-браузеры), программы работы с электронной почтой. Для пересылки данных через сеть другому приложению оно обращается к тому или иному модулю транспортного уровня;

II.Транспортный (transport). Протоколы данного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных между двумя прикладными процессами. Для передачи и получения данных, отправляемых друг другу, они используют межсетевой уровень. На транспортном уровне работают два основных протокола:

1. Т TCP (Transmission Control Protocol) - надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом свя зи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу;

Т Таким образом, протокол TCP обеспечивает надежную доставку, безошибочность и правильный порядок приема передаваемых данных.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol, Протокол контроля передачи) обеспечивает сквозную доставку данных между прикладными процессами, запущенными на узлах, взаимодействующих по сети.

Модуль TCP выполняет передачу непрерывных потоков данных между своими клиентами в обоих направлениях. Клиентами TCP являются прикладные процессы, вызывающие модуль TCP при необходимости получить или отправить данные процессу-клиенту на другом узле.

Протокол TCP рассматривает данные клиента как непрерывный неинтерпретируемый поток пакетов. TCP разделяет этот поток на части для пересылки на другой узел в TCP -сегментах некоторого размера. Для отправки или получения сегмента модуль TCP вызывает модуль IP.

Таким образом, TCP делит информацию, которую надо переслать, на несколько частей. Нумерует каждую часть, чтобы позже восстановить порядок. Чтобы пересылать эту нумерацию вместе с данными, он обкладывает каждый кусочек информации своей обложкой - конвертом, который содержит соответствующую информацию. Это и есть TCP-конверт. Получившийся TCP-пакет помещается в отдельный IP-конверт и получается IP-пакет, с которым сеть уже умеет обращаться.

Получатель (TCP-модуль (процесс)) по получении распаковывает IP-конверты и видит TCP-конверты, распаковывает и их и помещает данные в последовательность частей в соответствующее место. Если чего-то не достает, он требует переслать этот кусочек снова. В конце концов информация собирается в нужном порядке и полностью восстанавливается. Вот теперь этот массив пересылается выше к пользователю (на диск, на экран, на печать).

В сети Internet используется большое число и других протоколов, однако эту сеть часто называют TCP/IP сетью, так как эти два протокола являются важнейшими.

2. Т UDP (User Datagram Protocol ) - протокол дейтаграмм пользователя - является ненадежным протоколом без установления соединения: это значит, что ни логический сеанс связи, ни надежная доставка прикладных данных этим протоколом не обеспечиваются. Фактически UDP не предоставляет никаких услуг, кроме мультиплексирования пакетов с прикладными данными - то есть направления данных тому или иному приложению в зависимости от номера порта. Услугами UDP пользуются, например, доменная система имен (DNS), сетевая файловая система NFS;

III. Сетевой (межсетевой, или Internet ). Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол является центром, вокруг которого строится весь стек TCP/IP.

Протокол IP отвечает за поиск маршрута (или маршрутов) в Internet от одного компьютера к другому через множество промежуточных сетей, шлюзов и маршрутизаторов и передачу блоков данных по этим маршрутам.

Протокол IP является ненадежным протоколом без установления соединения. Это означает, что протокол IP не подтверждает доставку данных, не контролирует целостность полученных данных и не производит операцию квитирования (handshaking) - обмена служебными сообщениями, подтверждающими установку соединения с узлом назначения и его готовность к приему данных.

Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами в Internet. После того, как дейтаграмма отправляется в сеть, ее дальнейшая судьба никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP). Если дейтаграмма не может быть доставлена, она уничтожается. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адресу ICMP-сообщение, о причине сбоя.

Т Одна из основных задач, решаемых протоколом IP, - маршрутизация дейтаграмм, т.е. определение пути следования дейтаграммы от одного узла сети к другому на основании адреса получателя.

Т Таким образом, протокол IP доставляет блоки данных, называемые дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому через компьютерную сеть. IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данными для дейтаграммы является блок данных, передаваемых IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом дейтаграмма передается на уровень доступа к сети для отправки по каналу передачи данных;

IV. Уровень доступа к сети (network access ), который выполняет следующие функции:

· отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol);

· инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение;

· определение метода доступа к среде передачи, то есть способа, с помощью которого компьютер устанавливает свое право на произведение передачи данных;

· определение представления (кодирования) данных в физической среде;

· пересылка и прием кадра.

Часто в качестве уровня доступа к сети выступают целые протокольные стеки; тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX и т. д.

Зарождение Интернета

Интернет в современном понимании роли этой сети родился 2 января 1969 года. В этот день, в ответ на запуск в СССР искусственного спутника Земли и распространение на космос гонки вооружений, в США были начаты работы над проектом ARPANET -сетью Агентства перспективных исследований ARPA (Advances Research Projects Agency).

В этом проекте впервые были заложены основополагающие понятия Интернета - система кодирования информации, протоколы работы сети, передача информации в форме пакетов по нескольким каналам одновременно и распределенный характер сети. А уже 2 сентября этого года была осуществлена связь по телефонной линии между двумя компьютерами в разных городах. Этот день и считается официальной датой создания Интернета.

Позже национальный научный фонд США (NSF) создал сеть NSFNET. Она оказалась более удачной и заменила ARPANET. Уже в 1987 году было создано ядро этой сети (Backbon) из 13 центров в разных районах США. Подобные сети появились и в других странах. В условиях демократии и свободы распространения информации эти сети стали быстро объединяться, что превратило их в глобальную интернациональную сеть Интернета.

В 1985 году в Интернете было около двух тысяч компьютеров, а сейчас их счет идет на сотни миллионов! Вся хранящаяся на узлах и подключенных к ним компьютерах информация образует ресурсы Интернета. Ныне они столь велики, что становятся для любого пользователя необозримыми без уменьшения его аппетитов в части поиска информации.

Глобальная (общемировая) сеть Интернета - это совокупность неопределенного множества самых различных сетей, работающих по согласованным правилам - протоколам. Вначале решающее значение в глобализации Интернета сыграла уже существующая общемировая телефонная сеть. Именно она была способна подключить к «информационному облаку» Интернета практически любого пользователя, вне зависимости от места его проживания.

Для связи удаленных компьютеров по телефонным линиям были разработаны специальные устройства для МОдуляции цифровых сигналов и их ДеМодуляции - модемы.

Они позволяли превращать цифровые сигналы компьютеров в аналоговые, передаваемые по телефонной линии связи, и наоборот. В результате появилась возможность обмена информацией между удаленными на огромные расстояния компьютерами через модемы с помощью уже построенных и довольно распространенных телефонных линий.

Применение цифровых методов для обработки информации позволило в реальном масштабе времени использовать хорошо отработанные компьютерные методы сжатия цифровой информации. В итоге через телефонную линию, обычно передающую сигналы с частотой до 2,5 кГц, стало возможным передавать цифровые сигналы со скоростью до 20-33, а сейчас и до 56 кбит/с и даже 112 кбит/с.

Впрочем, тут надо сразу отметить, что в большинстве случаев скорость передачи информации по обычной сети Интернет для рядовых пользователей редко превышает 28-33,6 кбит/с. Зато специальные технические решения позволяют довести ее до нескольких Мбит/с.

Internet по организации во многом напоминает церковь. Это организация с полностью добровольным участием. Управляется она чем-то наподобие совета старейшин, однако, у Internet нет патриарха, президента или Папы.

Составляющие сети могут иметь своих президентов или аналогичных вождей, но это совсем другое дело; в Internet нет единственной авторитарной фигуры. Высшая власть, где бы Internet ни была, остается за ISOC (Internet Society). ISOC - общество с добровольным членством. Его цель - способствовать глобальному обмену информацией через Internet. Оно назначает совет старейшин, который отвечает за техническую политику, поддержку и управление Internet.

Совет старейшин представляет собой группу приглашенных добровольцев, называемую IAB (Совет по архитектуре Internet.). IAB регулярно собирается, чтобы ``благословить'' стандарты и распределить ресурсы, такие, например, как адреса. Internet работает, поскольку имеются стандартные способы общения между компьютерами и прикладными программами. Это позволяет компьютерам разного типа связываться без особых проблем. IAB ответственен за стан дарты; он решает, когда стандарт необходим и каким ему следует быть. Когда требуется стандарт, совет рассматривает проблему, принимает стандарт и по сети оповещает о нем мир. IAB также следит за различными номерами (и другими вещами), которые должны оставаться уникальными.

Сейчас Internet состоит из более чем 12 тысяч объединенных между собой сетей. Сегодня Internet имеет около 15 миллионов абонентов в более, чем 150 странах мира. Ежемесячно размер сети увеличивается на 7 - 10 %. Internet образует как бы ядро, обеспечивающее связь различных информационных сетей, принадлежащих различным учреждениям во всем мире.

Сеть Internet

Internet представляет собой совокупность соединенных между собой компьютерных сетей, в которых используются единые согласованные правила обмена данными между компьютерами. Internet объединяет сети:

• глобальные;

• региональные;

• локальные.

Сеть Internet - это-

• быстрое и удобное международное средство связи;

• общедоступное средство массовой информации;

• стремительно развивающееся средство массового заказа товаров и услуг;

• средство обеспечения удаленного доступа к источникам информации;

• всемирная библиотека;

• электронная почта;

• электронные доски объявлений и телеконференции.

Наиболее популярным сервисом, предоставляемым в Internet, является WWW ( World Wide Web, буквально - Всемирная паутина), но "WWW" и "Internet" - не одно и то же. WWW - это информационный ресурс, некий мир знаний, распределенный по компьютерам во всей сети; Internet же является средством передачи информации между компьютерами.

Кроме WWW, в Internet предоставляются и другие услуги.

Internet (в целом) не имеет никакого собственника, хотя каждая входящая в него сеть принадлежит какой-либо компании, некоммерческой или государственной организации. Не существует также и специального органа управления, который бы контролировал всю работу Internet. Региональные сети различных стран финансируются и управляются своими собственниками в их интересах и в соответствии с законами того или иного государства.

Требуется также наличие единых технических стандартов и единой системы адресации (нумерации) сетей и компьютеров. Необходимые для этого функции выполняет небольшое число некоммерческих международных и американских организаций.