Реализация TCP/IP фирмы Microsoft соответствует
четырехуровневой модели вместо семиуровневой
модели, как показано на рисунке 5. Модель
TCP/IP включает большее число функций на
один уровень, что приводит к уменьшению
числа уровней. В модели используются
следующие уровни:
- уровень приложения модели TCP/IP соответствует
уровням приложения, представления и сеанса
модели OSI;
- транспортный уровень модели TCP/IP соответствует аналогичному
уровню транспорта модели OSI;
- уровень интернета модели TCP/IP выполняет те же функции,
что и уровень сети модели OSI;
- уровень сетевого интерфейса модели TCP/IP
соответствует Канальному и Физическому
уровням модели OSI.
В приложении 2 показана Cхема взаимосвязей между протоколами
семейства TCP/IP.[12]
2.1. Уровень Интернета
Межсетевой уровень или уровень
интернета отвечает за маршрутизацию
данных внутри сети и между различными
сетями. На этом уровне работают маршрутизаторы,
которые зависят от используемого протокола
и используются для отправки пакетов из
одной сети (или ее сегмента) в другую (или
другой сегмент сети). В стеке TCP/IP на этом
уровне используется протокол IP.
Сюда входят такие протоколы
как:
- Интернет-протокол IP обеспечивает обмен дейтаграммами
между узлами сети и является протоколом,
не устанавливающим соединения и использующим
дейтаграммы для отправки данных из одной
сети в другую. Данный протокол не ожидает
получения подтверждения (ASK, Acknowledgment)
отправленных пакетов от узла адресата.
Подтверждения, а также повторные отправки
пакетов осуществляется протоколами и
процессами, работающими на верхних уровнях
модели. К его функциям относится фрагментация
дейтаграмм и межсетевая адресация. Протокол
IP предоставляет управляющую информацию
для сборки фрагментированных дейтаграмм.
Главной функцией протокола является
межсетевая и глобальная адресация. В
зависимости от размера сети, по которой
будет маршрутизироваться дейтаграмма
или пакет, применяется одна из трех схем
адресации.
- Протоколы сопоставления адреса ARP и RARP. Для определения локального
адреса по IP-адресу используется протокол
разрешения адреса Address Resolution Protocol (ARP).
ARP работает различным образом в зависимости
от того, какой протокол канального уровня
работает в данной сети – протокол локальной
сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного
доступа одновременно ко всем узлам сети,
или же протокол глобальной сети (X.25, frame
relay), как правило, не поддерживающий [13]
широковещательный доступ. Существует
также протокол, решающий обратную задачу
– нахождение IP-адреса по известному локальному
адресу. Он называется реверсивный ARP –
RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется
при старте бездисковых станций, не знающих
в начальный момент своего IP-адреса, но
знающих адрес своего сетевого адаптера.
В локальных сетях ARP использует широковещательные
кадры протокола канального уровня для
поиска в сети узла с заданным IP-адресом.
Узел, которому нужно выполнить отображение
IP-адреса на локальный адрес, формирует
ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола
канального уровня, указывая в нем известный
IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.
Все узлы локальной сети получают ARP-запрос
и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным
адресом. В случае их совпадения узел формирует
ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес
и свой локальный адрес и отправляет его
уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель
указывает свой локальный адрес. ARP-запросы
и ответы используют один и тот же формат
пакета.
- Протокол ICMP. Протокол управления сообщениями
Интернета (ICMP - Internet Control Message Protocol) используется
IP и другими протоколами высокого уровня
для отправки и получения отчетов о состоянии
переданной информации. Этот протокол
используется для контроля скорости передачи
информации между двумя системами. Если
маршрутизатор, соединяющий две системы,
перегружен трафиком, он может отправить
специальное сообщение ICMP – ошибку для
уменьшения скорости отправления сообщений.
- Протокол IGMP. Узлы локальной сети используют
протокол управления группами Интернета
(IGMP – Internet Group Management Protocol), чтобы зарегистрировать
себя в группе. Информация о группах содержится
на маршрутизаторах локальной сети. Маршрутизаторы
используют эту информацию для передачи
групповых сообщений. Групповое сообщение,
как и широковещательное, используется
для отправки данных сразу нескольким
узлам.
- NDIS (Network Device Interface Specification) - спецификация
интерфейса сетевого устройства, программный
интерфейс, обеспечивающий взаимодействие
между драйверами транспортных протоколов,
и соответствующими драйверами сетевых
интерфейсов. Позволяет использовать
несколько протоколов, даже если установлена
только одна сетевая карта.
2.2. Уровень Приложения
Через уровень приложения модели
TCP/IP приложения и службы получают доступ
к сети. Доступ к протоколам TCP/IP осуществляется
посредством двух программных интерфейсов
(API – Application Programming Interface): Сокеты Windows и
NetBIOS.
Интерфейс сокетов Windows, или как
его называют WinSock, является сетевым
программным интерфейсом, предназначенным
для облегчения взаимодействия между
различными TCP/IP – приложениями и семействами
протоколов.
Интерфейс NetBIOS используется для связи
между процессами (IPC – Interposes Communications)
служб и приложений ОС Windows. NetBIOS выполняет
три основных функции:
- определение имен NetBIOS;
- служба дейтаграмм NetBIOS;
- служба сеанса NetBIOS.[14]
В приложении 3. приведено семейство
протоколов TCP/IP.
- FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи
файлов) - сетевой протокол, предназначенный
для передачи файлов в компьютерных сетях.
Протокол FTP позволяет подключаться к
серверам FTP, просматривать содержимое
каталогов и загружать файлы с сервера
или на сервер, кроме того возможен режим
передачи файлов между серверами. FTP является
одним из старейших прикладных протоколов,
появившимся задолго до HTTP в 1971 году. До
начала 90-х годов на долю FTP приходилось
около половины трафика в сети интернет.
Этот протокол и сегодня широко используется
для распространения программного обеспечения
и доступа к удалённым хостам.
- HTTP (от англ. HyperText Transfer Protocol — «протокол
передачи гипертекста») — сетевой протокол
прикладного уровня для передачи файлов.
В стеке TCP/IP для HTTP зарезервированы порты
80 и 8080 транспортных протоколов TCP и UDP
(на практике используется только первый).
Основным назначением HTTP является передача
веб-страниц (текстовых файлов с разметкой
HTML), хотя с помощью него с успехом передаются
и другие файлы, как связанные с веб-страницами
(изображения и приложения), так и не связанные
с ними (в этом HTTP конкурирует с более сложным
FTP). HTTP предполагает, что клиентская программа
- веб-браузер способна отображать гипертекстовые
веб-страницы и файлы других типов в удобной
для пользователя форме. Для правильного
отображения HTTP позволяет клиенту узнать
язык и кодировку веб-страницы и/или запросить
версию страницы в нужных языке/кодировке,
используя обозначения из стандарта MIME.
- Транспортный уровень
Уровень транспорта TCP/IP отвечает
за установления и поддержания соединения
между двумя узлами. Основные функции
уровня:
- подтверждение получения информации;
- управление потоком данных;
- упорядочение и ретрансляция пакетов.
В зависимости от типа службы могут
быть использованы два протокола:
- TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления
передачей);
- UDP (User Datagram Protocol – пользовательский
протокол дейтаграмм).
TCP обычно используют в тех случаях,
когда приложению требуется передать
большой объем информации и убедиться,
что данные своевременно получены адресатом.
Приложения и службы, отправляющие небольшие
объемы данных и не нуждающиеся в получении
подтверждения, используют протокол UDP,
который является протоколом без установления
соединения. [15]
Подробности этих протоколов:
1. Протокол управления передачей
(TCP). Протокол TCP отвечает за надежную передачу
данных от одного узла сети к другому.
Он создает сеанс с установлением соединения,
иначе говоря виртуальный канал между
машинами. Установление соединения происходит
в три шага:
- Клиент, запрашивающий соединение, отправляет серверу пакет, указывающий номер порта, который клиент желает использовать, а также код (определенное число)
ISN (Initial Sequence number).
- Сервер отвечает пакетом, содержащий ISN сервера, а также ISN клиента, увеличенный
на 1.
- Клиент должен подтвердить установление соединения, вернув ISN сервера, увеличенный на 1.
Трехступенчатое открытие соединения
устанавливает номер порта, а также ISN
клиента и сервера. Каждый, отправляемый
TCP – пакет содержит номера TCP – портов
отправителя и получателя, номер фрагмента
для сообщений, разбитых на меньшие части,
а также контрольную сумму, позволяющую
убедиться, что при передачи не произошло
ошибок.
2. Пользовательский протокол дейтаграмм
(UDP). В отличие от TCP UDP не устанавливает
соединения. Протокол UDP предназначен
для отправки небольших объемов данных
без установки соединения и используется
приложениями, которые не нуждаются в
подтверждении адресатом их получения.
UDP также использует номера портов для
определения конкретного процесса по
указанному IP адресу. Однако UDP порты отличаются
от TCP портов и, следовательно, могут использовать
те же номера портов, что и TCP, без конфликта
между службами.[16]
3. Протокол реального времени RTP. Протокол
RTP (Real-Time Protocol) работает на транспортном
уровне поверх протокола UDP и используется
при передаче трафика реального времени.
Протокол RTP переносит в своём заголовке
данные, необходимые для восстановления
голоса или видеоизображения в приёмном
узле, а также данные о типе кодирования
информации (JPEG, MPEG и т. п.). В заголовке
данного протокола, в частности, передаются
временная метка и номер пакета. Эти параметры
позволяют при минимальных задержках
определить порядок и момент декодирования
каждого пакета, а также интерполировать
потерянные пакеты. [17]
2.4. Уровень сетевого интерфейса
Этот уровень модели TCP/IP отвечает
за распределение IP-дейтаграмм. Он работает
с ARP для определения информации, которая
должна быть помещена в заголовок каждого
кадра. Затем на этом уровне создается
кадр, подходящий для используемого типа
сети, такого как Ethernet, Token Ring или ATM, затем
IP-дейтаграмма помещается в область данных
этого кадра, и он отправляется в сеть.
- Token Ring - так называемое «маркерное
кольцо», архитектура кольцевой сети с
маркерным (эстафетным) доступом. Тип сети,
в которой все компьютеры схематически
объединены в кольцо. По кольцу от компьютера
к компьютеру (станции сети) передается
специальный блок данных, называемый маркером
(англ. token). Когда какой-либо станции требуется
передача данных, маркер ею модифицируется
и больше не распознается другими станциями,
как спецблок, пока не дойдёт до адресата.
[18] Адресат принимает данные и запускает
новый маркер по кольцу. На случай потери
маркера или хождения данных, адресат
которых не находится, в сети присутствует
машина со специальными полномочиями,
умеющая удалять безадресные данные и
запускать новый маркер.
- FDDI (Fiber-Distributed Data Interface - распределённый
волоконный интерфейс данных) - стандарт
передачи данных в локальной сети, протянутой
на расстоянии до 200 километров. Стандарт
основан на протоколе token ring. Кроме большой
территории, сеть FDDI способна поддерживать
несколько тысяч пользователей. В качестве
среды передачи данных в FDDI рекомендуется
использовать оптоволоконный кабель,
однако можно использовать и медный кабель,
в таком случае используется акроним CDDI
(Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии
используется схема двойного кольца, при
этом данные в кольцах циркулируют в разных
направлениях. Одно кольцо считается основным,
по нему передаётся информация в обычном
состоянии; второе — вспомогательным,
по нему данные передаются в случае обрыва
на первом кольце. Для контроля за состоянием
кольца используется сетевой маркер, как
и в технологии token ring. [19]
Поскольку такое дублирование повышает
надёжность системы, данный стандарт с
успехом применяется в магистральных
каналах связи.
3. АНАЛИЗ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ TCP/IP И СЕМИУРОВНЕВОЙ
МОДЕЛИ OSI
3.1. Преимущества стека протоколов ТСР/IP
- Независимость от сетевой технологии. ТСР/IP не зависит от оборудования, так как он только определяет элемент передачи - дейтаграмму - и описывает способ
ее движения по сети;
- Всеобщая связанность. Стек позволяет любой паре компьютеров, которые его поддерживают, взаимодействовать друг с другом. Каждому компьютеру назначается логический адрес, а каждая передаваемая дейтаграмма содержит логические адреса отправителя
и получателя. Промежуточные маршрутизаторы
используют адрес получателя для принятия
решения о маршрутизации; [20]
- Подтверждения. Протоколы стека ТСР/IP обеспечивают подтверждения правильности прохождения информации при обмене между отправителем и получателем;
- Стандартные прикладные протоколы. Протоколы ТСР/IP включают в свой состав средства поддержки основных приложений, таких как электронная почта, передача файлов, удаленный доступ и т. д.
3.2. Недостатки стека протоколов TCP/IP
- В концепции TCP/IP нет четкого разделения концепций служб, интерфейса и протокола. При разработке ПО важно провести грань между спецификацией и реализацией, чего, в отличие от ISO/OSI не делает TCP/IP.
- Модель TCP/IP не является общей и плохо описывает любой другой протокол кроме
самого TCP/IP.
- Хост-сетевой уровень не является уровнем
в классическом смысле, а описывает интерфейс
между сетевым уровнем и уровнем передачи
данных.
- В модели TCP/IP не различаются физический уровень и уровень передачи данных, хотя они абсолютно разные.
В правильной модели они должны были бы
присутствовать.
Хотя протоколы IP и TCP были хорошо разработаны
и реализованы, этого нельзя сказать
о многих других протоколах, например
TELNET.
3.3. Преимущества модели OSI
- Концепция уровневой архитектуры OSI,
заложенные в ней принципы автоматического
согласования параметров различных уровней,
построения профилей и функциональных
стандартов стали эталоном при решении
подобных вопросов во многих других сетевых
архитектурах.
- Такие стандарты ISO, как стандарты по кодам,
механическим параметрам соединителей
на физическом уровне, языкам программирования,
и многие другие реализованы во множестве
изделий различных фирм. А такие прикладные
протоколы ISO, как протоколы электронной
почты (многочастевой стандарт ISO/IEC 10021)
и справочной службы (многочастевой стандарт
ISO/EEC 9594), более известные на практике как
аналогичные рекомендации соответственно
МСЭ-Т Х.400 и Х.500, нашли прямое применение
в самой Internet наряду с ее собственными
протоколами.
- Многие из тех конкретных протоколов OSI, которые непосредственно не получили широкого практического применения (например, протоколы HDLC, протоколы внутрирегиональной и межрегиональной маршрутизации), послужили прямой основой для создания аналогичных протоколов других сетевых
архитектур - ISDN, ATM, Frame Relay, Internet. Язык обмена
документами SGML, созданный ISO, послужил
основой для языка гипертекста HTML Internet
и последующего более современного языка
XML консорциума 3wcom. Свыше 100 документов
RFC Internet различного статуса (в том числе
в статусе стандартов STD) посвящены вопроса
взаимодействия протоколов TCP/IP с протоколами
OSI. [21]
- Косвенным признаком жизнеспособности OSI может служить продолжающийся активно
процесс стандартизации протоколов и
концепций OSI, в котором участвуют около
50 различных стран. В 1999 г. Было разработано
74 новых стандарта ISO/IEC (включая новые
редакции прежних стандартов), не считая
многочисленных дополнений (Addendum), изменения
(Amendments), технических поправок (Technical Corrigendum)
к прежним документам. Примерно такое
же количество стандартов и документов
ISO/ IEC разработано в 2000 г.