Это стандартизованный набор сетевых протоколов. В настоящее время - это основной набор протоколов взаимодействия в Интернете. Более подробно об этом стеке протоколов и не только о нем можно прочитать в этой статье.
В состав стека протоколов TCP/IP входят два основных протокола: IP, TCP и несколько вспомогательных протоколов.
Протокол IP (Internet Protocol) - основной протокол сетевого уровня. Определяет способ адресации на сетевом уровне.
Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол, обеспечивающий гарантированную доставку данных.
Как работают эти протоколы?
Протокол IP задает формат адреса узла (поэтому адреса компьютеров называются IP-адресами) и доставляет пакет данных. Однако, на одном узле (компьютере сети) может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами протокола IP.
Другой серьезной проблемой IP является невозможность передачи больших массивов данных. Протокол IP разбивает передаваемые данные на пакеты, каждый из которых передается в сеть независимо от других. В случае если какие-либо пакеты потерялись, то модуль IP на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, т.е. целостность данных будет нарушена. Для решения этих проблем разработан протокол TCP.
Каждой программе назначается номер TCP- порта в соответствии с ее функциональным назначением на основе определенных стандартов. Порт можно рассматривать как ячейку в почтовом отделении связи. Протокол IP определяет только адрес почтового отделения, а протокол TCP положит конверт в нужную ячейку. Таким образом, стек протоколов IP и TCP обеспечивают полную адресацию:
Номер TCP-порта позволяет однозначно идентифицировать программу на компьютере сети,
Компьютер в сети однозначно определяется IP-адресом.
Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).
Дополнительно к этому, протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу.
IP-адреса, IP-сети. Подсети и маски подсетей Более подробно об этом читаем в этой статье. IP-адреса
Каждый компьютер в локальной сети имеет свой уникальный адрес, так же как человек имеет свой почтовый адрес. Именно по этим адресам компьютеры находят друг друга в сети. Двух одинаковых адресов в одной сети быть не должно. Формат адреса стандартный и определен протоколом IP.
IP-адрес компьютера записывается в 32 разрядах (4 октета). Каждый октет содержит десятичное число от 0 до 255 (в двоичном виде запись представляет последовательность 0 и 1). IP-адрес представляет собой четыре числа, разделяемых точкой. Например, компьютер с IP-адресом 192.168.3.24. Общее число IP-адресов составляет 4,2 млрд., все адреса уникальны. IP-адрес может быть присвоен не только компьютеру, но и другим сетевым устройствам, например, принт-серверу или маршрутизатору. Поэтому все устройства в сети принято называть узлами или хостами. Одно и тоже физическое устройство (компьютер или др.) может иметь несколько IP-адресов. Например, если в компьютер установлено несколько сетевых адаптеров, то каждый адаптер должен иметь свой уникальный IP-адрес. Такие компьютеры используются для соединения нескольких локальных сетей и называются маршрутизаторами.
IP сети
Чтобы быстро определить маршрут, по которому будет передаваться информация из одной локальной сети в другую, маршрутизатор может хранить в своей памяти IP-адреса компьютеров этих двух сетей.
В Интернете огромное количество сетей. Маршрутизаторам в Интернете придется хранить адреса всех компьютеров во всех сетях, что делает их работу практически невозможной. Для указания местонахождения компьютера в сети, IP-адрес разделили на две части, одна содержит номер сети, другая содержит номер компьютера в этой сети. Аналогично наш почтовый адрес указывает улицу и дом на ней.
Для удобства, компьютеры с одним номером сети группируются в логические сети IP-сети. Связь между логическими IP-сетями осуществляют маршрутизаторы, отвечающие за передачу данных. А сам процесс передачи данных - маршрутизацией. Процесс целенаправленной доставки данных между IP-сетями, связанный с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п., осуществляют другие специальные устройства – шлюзы.
Подсети и маски подсетей
Введение адреса сети упростило проблемы маршрутизации, но не решило их до конца (например, в больших локальных сетях). Поэтому большую IP-сеть разбивают на несколько подсетей, присвоив каждой из них свой адрес. Подсети - это отдельные, самостоятельно функционирующие части сети, имеющие свой идентификатор. Для адреса подсети, в IP-адресе, выделяется пространство из адреса узла. Для определения адреса сети и подсети используется маска подсети. Формат записи маски подсети такой же, как и формат IP-адреса, это четыре поля, разделяемых точкой. Значения полей маски задаются следующим образом:
все биты, установленные в 1, соответствуют идентификатору сети;
все биты, установленные в 0, соответствуют идентификатору узла.
Если все биты октета установлены в 1, то это эквивалентно числу 255. Маска рассматривается только в паре с IP-адресом. Например, маска подсети 255.255.255.0 и адрес 192.168.100.5 говорят о том, что 192.168.100 - это номер сети, а 5 - номер компьютера в этой сети. Просматривая адрес IP через маску подсети IP-протокол, определяет адрес сети, адрес подсети и номер узла.
Таким образом, в паре с IP-адресом компьютеров обязательно указывается маска подсети.
Статические и динамические IP-адреса. DHCP
Все IP-адреса должны быть уникальны во всем пространстве сети. Есть два способа задать эти адреса компьютерам сети.
Статические IP-адреса
Статический IP-адрес присваивается компьютеру вручную. Он прописывается администратором сети в настройках протокола TCP/IP на каждом компьютере сети и жестко закрепляется за компьютером. Важное преимущество: постоянное соответствие IP-адресов определенным компьютерам. Это позволяет, например, запретить определенному компьютеру выходить в Интернет, или определить, с какого компьютера выходили в Интернет и т.п. В присвоении статических адресов компьютерам есть определенные неудобства:
Администратор сети должен вести учет всех используемых адресов, чтобы исключить повторы
При большом количестве компьютеров в локальной сети установка и настройка IP-адресов отнимают много времени
Динамические IP-адреса
Если компьютеру не присвоен статический IP-адрес, то адрес назначается автоматически службой DHCP. Такой адрес называется динамическим адресом, т.к. при каждом подключении компьютера к локальной сети адрес может меняться, но всегда оставаться в пределах заданного диапазона.
Функция автоматического назначения IP-адреса гарантирует уникальность выдаваемого IP-адреса, но в одноранговой сети и в сети с сервером работает по разному.
Сети с выделенным сервером
В сетях, управляемых сервером, динамический IP-адрес назначается специальной серверной службой DHCP, входящей в состав Windows Server 2003. В параметрах службы DHCP администратором сети прописывается IP-диапазон, адреса из которого, будут выдаваться другим компьютерам сети. Сервер, на котором работает эта служба, называется DHCP-сервер. Компьютер, получающий IP-адрес из сети, называется DHCP-клиент.
Одноранговые сети
В одноранговой сети нет DHCP-сервера, а на каждом компьютере установлен (по умолчанию) DHCP-клиент. Во время загрузки операционной системы DHCP-клиент пытается найти в сети доступный DHCP-сервер для получения IP-адреса. После неудачной попытки получить IP-адрес, DHCP-клиент данного компьютера включает встроенную функцию IANA (Internet Assigned Numbers Authority), которая назначает компьютеру IP-адрес и маску подсети, используя один из зарезервированных адресов. При этом служба IANA отслеживает уникальность адресов в сети.
Зарезервированные адреса назначаются из диапазона 169.254.0.0 до 169.254.255.255 с маской подсети 255.255.0.0. Последние два поля адреса представляют уникальный идентификатор клиента.
Автоматическое назначение IP-адреса проводится последовательно на всех компьютерах сети.
Маршрутизаторы и шлюзы.
Маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи информации из одной сети в другую. Он принимает пакеты из одной сети и передает их в другую, при этом сети не объединяются в одну единую сеть, а остаются вполне независимыми. Маршрутизаторы оснащены системой управления, позволяющей фильтровать проходящие через него данные. Настроив соответствующим образом пакетный фильтр можно ограничивать или совсем запрещать доступ в другую сеть для определенных пользователей.
IP-Маршрутизация - процесс выбора последовательности маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами объединяемых сетей. Для этого он должен быть оснащен несколькими сетевыми адаптерами.
В качестве маршрутизатора может работать компьютер под управлением операционной системой Windows 2003 Server или Windows XP Professional. Функции маршрутизации входят в состав этих операционных систем.
Маршрутизатор является шлюзом для каждой сети, которые он объединяет. Точнее шлюзом для локальной сети является сетевой адаптер, установленный в маршрутизаторе, и подключенный к этой сети. Например, рабочая станция локальной сети хочет подключиться к рабочей станции из другой сети. Она отправляет запрос в свою сеть с целью найти нужный IP-адрес. Если адрес не был найден в сети, то запрос отправляется в шлюз этой сети, т.е. на маршрутизатор, который в свою очередь перенаправляет запрос в другую сеть. Если во второй сети компьютер был найден, то они связываются через маршрутизатор.
Дополнительно шлюзы могут выполнять функции, связанные с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п.
Наиболее распространенные протоколы маршрутизации, входящие в состав стека протоколов TCP/IP:
Address Resolution Protocol, ARP. Протокол разрешения адресов, сопоставляет IP-адрес с адресом физического оборудования MAC-адресом. Посмотреть соответствие адресов из ARP-таблицы можно набрав в командной строке arp и указав IP-адрес. *Routing Information Protocol, RIP. Протокол маршрутной информации, который используется для обратной совместимости с существующими RIP-сетями. *Open Shortest Path First, OSPF. Протокол выбора кратчайшего маршрута.
IP-маршрутизация.
IP-Маршрутизация - процесс выбора пути для передачи пакета из одной сети в другую. Под путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. IP-маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи пакетовиз одной сети в другую и обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей, соответствующими номерам объединяемых сетей.
Маршрутизация осуществляется на узле-отправителе в момент отправки IP-пакета, а затем на IP-маршрутизаторах.
Принцип маршрутизации на узле отправителе выглядит достаточно просто. Когда требуется отправить пакет узлу с определенным IP-адресом, то узел-отправитель выделяет с помощью маски подсети из собственного IP-адреса и IP-адреса получателя номера сетей. Далее номера сетей сравниваются и если они совпадают, то пакет направляется непосредственно получателю, в противном случае - маршрутизатору, чей адрес указан в настройках протокола IP. Выбор пути на маршрутизаторе осуществляется на основе информации, представленной в таблице маршрутизации. Таблица маршрутизации - это специальная таблица, сопоставляющая IP-адресам сетей адреса следующих маршрутизаторов, на которые следует отправлять пакеты с целью их доставки в эти сети. Обязательной записью в таблице маршрутизации является так называемый маршрут по умолчанию, содержащий информацию о том, как направлять пакеты в сети, адреса которых отсутствуют в таблице, поэтому нет необходимости описывать в таблице маршруты для всех сетей. Таблицы маршрутизации могут строиться "вручную" администратором или динамически, на основе обмена информацией, который осуществляют маршрутизаторы с помощью специальных протоколов - протоколов динамической маршрутизации.
Протоколы ARP и RARP.
Основным функциональным достоинством IP-адресации является полная логическая независимость IP-адресов от физических адресов. Однако чтобы средства канального уровня могли осуществить доставку данных, необходимо знание физического адреса получателя. Механизм определения по IP-адресу физического адреса узла-получателя обеспечивает протокол ARP (Address Resolution Protocol, Протокол Разрешения Адреса).
Определение физических адресов компьютеров осуществляется с помощью широковещательного запроса, в котором сообщается IP-адрес искомого компьютера (устройства). Получив такой ARP-запрос, каждый компьютер проверяет соответствие между указанным IP-адресом и своим собственным. В случае их совпадения сообщает отправителю свой физический адрес. После получения ответа инициировавший запрос компьютер заносит новые данные в специальную ARP-таблицу.
Наличие на каждом узле ARP-таблицы позволяет снизить объем широковещательной рассылки, поскольку запрос направляется в сеть только в случае, если нужное соответствие не найдено в ARP-таблице.
В ряде случаев может оказаться необходимым определить IP-адрес по MAC-адресу. Для этого используется протокол RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Функционально RARP схож с протоколом ARP.
Протоколы динамической маршрутизации
Протоколы динамической маршрутизации предназначены для автоматизации процесса построения маршрутных таблиц маршрутизаторов. Принцип их использования достаточно прост: маршрутизаторы с помощью устанавливаемого протоколом порядка рассылают определенную информацию из своей таблицы маршрутизации другим и корректируют свою таблицу на основе полученных от других данных. Такой метод построения и поддержки маршрутных таблиц существенно упрощает задачу администрирования сетей, в которых могут происходить изменения (например, расширение) или в ситуациях, когда какие-либо маршрутизаторы и/или подсети выходят из строя. Следует отметить, что использование протоколов динамической маршрутизации не отменяет возможность "ручного" внесения данных в таблицы маршрутизаторов. Внесенные таким образом записи называют статическими, а записи, полученные в результате обмена информацией между маршрутизаторами - динамическими. В любой таблице маршрутизации всегда присутствует, по крайней мере, одна статическая запись - маршрут по умолчанию. Современные протоколы маршрутизации делятся на две группы: протоколы типа "вектор-расстояние" и протоколы типа "состояние канала". В протоколах типа "вектор-расстояние" каждый маршрутизатор рассылает список адресов доступных ему сетей ("векторов"), с каждым из которых связано параметр "расстояния" (например, количество маршрутизаторов до этой сети, значение, основанное на производительности канала и т.п.). Основным представителем протоколов данной группы является протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации). Протоколы типа "состояние канала" основаны на ином принципе. Маршрутизаторы обмениваются между собой топологической информацией о связях в сети: какие маршрутизаторы с какими сетями связаны. В результате каждый маршрутизатор имеет полное представление о структуре сети (причем это представление будет одинаковым для всех), на основе которого вычисляет собственную оптимальную таблицу маршрутизации. Протоколом этой группы является протокол OSPF (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым").
Протокол RIP.
Протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации) является наиболее простым протоколом динамической маршрутизации. Он относится к протоколам типа "вектор-расстояние". Под вектором протокол RIP определяет IP-адреса сетей, а расстояние измеряется в переходах ("хопах", hope) - количестве маршрутизаторов, которое должен пройти пакет, чтобы достичь указанной сети. Следует отметить, что максимальное значение расстояния для протокола RIP равно 15, значение 16 трактуется особым образом "сеть недостижима". Это определило основной недостаток протокола - он оказывается неприменимым в больших сетях, где Возможны маршруты, превышающие 15 переходов. Протокол RIP версии 1 имеет ряд существенных для практического использования недостатков. К числу важных проблем относятся следующие:
Оценка расстояния только с учетом числа переходов. Протокол RIP не учитывает реальную производительность каналов связи, что может оказаться неэффективным в гетерогенных сетях, т.е. сетях, объединяющих каналы связи различного устройства, производительности, в которых используются разные сетевые технологии.
Проблема медленной конвергенции. Маршрутизаторы, использующие протокол RIP. Рассылают маршрутную информацию каждые 30 с, причем их работа не синхронизирована. В ситуации, когда некоторый маршрутизатор обнаружит, что какая-либо сеть стала недоступной, то в худшем случае (если проблема была выявлена сразу после очередной рассылки) он сообщит об это соседям через 30 с. Для соседних маршрутизаторов все будет происходить также. Это означает, что информация о недоступности какой-либо сети может распространятся маршрутизаторам в достаточно долго, очевидно, что сеть при этом будет находиться в нестабильном состоянии.
Широковещательная рассылка таблиц маршрутизации. Протокол RIP изначально предполагал, что маршрутизаторы рассылают информацию в широковещательном режиме. Это означает, что отправленный пакет вынуждены получить и проанализировать на канальном, сетевом и транспортном уровне все компьютеры сети, в которую он направлен.
Частично указанные проблемы решаются в версии 2 (RIP2).
Протокол OSPF
Протокол OSPF (Routing (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым") является более новым протоколом динамической маршрутизации и относится к протоколам типа "состояние канала".
Функционирование протокола OSPF основано на использовании всеми маршрутизаторами единой базы данных, описывающей, как и с какими сетями связан каждый маршрутизатор. Описывая каждую связь, маршрутизаторы связывают с ней метрику - значение, характеризующее "качество" канала. Например, для сетей Ethernet со скоростью обмена 100 Мбит/с используется значение 1, а для коммутируемых соединений 56 Кбит/с - значение 1785. Это позволяет маршрутизаторам OSPF (в отличие от RIP, где все каналы равнозначны) учитывать реальную пропускную способность и выявлять эффективные маршруты. Важной особенностью протокола OSPF является то, что используется групповая, а не широковещательная рассылка. Указанные особенности, такие как групповая рассылка вместо широковещательной, отсутствие ограничений на длину маршрута, периодический обмен только короткими сообщениями о состоянии, учет "качества" каналов связи позволяют использовать OSPF в больших сетях. Однако такое использование может породить серьезную проблему - большое количество циркулирующей в сети маршрутной информации и увеличение таблиц маршрутизации. А поскольку алгоритм поиска эффективных маршрутов является, с точки зрения объема вычислений, достаточно сложным, то в больших сетях могут потребоваться высокопроизводительные и, следовательно, дорогие маршрутизаторы. Поэтому возможность построения эффективных таблиц маршрутизации может рассматриваться и как достоинство, и как недостаток протокола OSPF.
