2.4. Архитектура стека протоколов Microsoft TCP/IP

Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP (табл. 2.1), предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

Таблица 2.1. Семейство протоколов TCP/IP

Название протокола	Описание протокола
1	2
WinSock	Сетевой программный интерфейс
NetBIOS	Связь с приложениями ОС Windows
TDI	Интерфейс транспортного драйвера (Transport Driver Interface) позволяет создавать компоненты сеансового уровня.
TCP	Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol)
UDP	Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol)
ARP	Протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol)
RARP	Протокол обратного разрешения адресов (Reverse Address Resolution Protocol)
IP	Протокол Internet(Internet Protocol)
ICMP	Протокол управляющих сообщений Internet (Internet Control Message Protocol)
IGMP	Протокол управления группами Интернета (Internet Group Management Protocol),
NDIS	Интерфейс взаимодействия между драйверами транспортных протоколов
FTP	Протокол пересылки файлов (File Transfer Protocol)
TFTP	Простой протокол пересылки файлов (Trivial File Transfer Protocol)

Реализация TCP/IP фирмы Microsoft соответствует четырехуровневой модели вместо семиуровневой модели, как показано на рис. 2.2. 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;

- уровень Транспорта модели TCP/IP соответствует аналогичному уровню Транспорта модели OSI;

Рис. 2.2. Соответствие семиуровневой модели OSI и четырехуровневой модели TCP/IP

- межсетевой уровень 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.

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;

- 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.

Уровень транспорта

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.

Протокол управления передачей (TCP)

Протокол управления передачей данных – TCP (Transmission Control Protocol) – обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений [6]. Появился в начальный период создания сетей, когда глобальные сети не отличались особой надежностью.

Надежность протокола TCP заключается в следующем:

– он диагностирует ошибки,

– при необходимости посылает данные повторно,

– если не может самостоятельно исправить ошибку, сообщает о ней на другие уровни.

Перед отправкой сегментов информации вниз по модели отправляющий протокол TCP контактирует с принимающим протоколом TCP с целью установления связи. В результате создается виртуальный канал. Такой тип коммуникации называется ориентированным на соединение.

Установление соединения происходит в три шага:

1. Клиент, запрашивающий соединение, отправляет серверу пакет, указывающий номер порта, который клиент желает использовать, а также код (определенное число) ISN (Initial Sequence number).

2. Сервер отвечает пакетом, содержащий ISN сервера, а также ISN клиента, увеличенный на 1.

3. Клиент должен подтвердить установление соединения, вернув ISN сервера, увеличенный на 1.

Принцип работы TCP:

- берет из приложения большие блоки информации, разбивает их на сегменты,

- нумерует и упорядочивает каждый сегмент так, чтобы протокол TCP на принимающей стороне мог правильно соединить все сегменты в исходный большой блок;

- согласовывает с протоколом принимающей стороны количество информации, которое должно быть отправлено до получения подтверждения от принимающего TCP;

- после отправки сегментов TCP ждет подтверждения от целевого TCP о получении каждого из них;

- заново отправляет те сегменты, получение которых не было подтверждено.

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 передаче не произошло ошибок. 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.

Пользовательский протокол дейтаграмм (UDP)

Протокол UDP предназначен для отправки небольших объемов данных (дейтаграмм) без установки соединения и используется приложениями, которые не нуждаются в подтверждении адресатом их получения [6]. UDP считается более простым протоколом, так как не загромождает сеть служебной информацией и выполняет не все функции TCP. Однако он успешно справляется с передачей информации, не требующей гарантированной доставки, и при этом использует намного меньше сетевых ресурсов. UDP не создает виртуальных каналов и не контактирует с целевым устройством перед отправкой информации. Поэтому он считается протоколом без постоянного соединения, или не ориентированным на соединение [3].

Принцип работы UDP:

- получает с верхних уровней блоки информации, разбивает их на сегменты;

- нумерует каждый из сегментов, чтобы все сегменты можно было воссоединить в требуемый блок в пункте назначения, но не упорядочивает сегменты и не заботится о том, в каком порядке они поступят в место назначения,

- отправляет сегменты и «забывает» о них;

- не ждет подтверждений о получении и даже не допускает таких подтверждений и потому считается ненадежным протоколом. Но это не значит, что UDP неэффективен – просто он не относится к надежным протоколам.

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.

Межсетевой уровень

Межсетевой уровень 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.

Протокол Интернета IP

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 получение 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.

Адресация в IP-сетях

Каждый компьютер в сетях TCP/IP имеет адреса трех уровней: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя) [3].

Физический, или локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена сеть, в которую входит узел. Для узлов, входящих в локальные сети – это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем.

Сетевой, или IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

При разработке протокола IP на основе размера сетей были выделены их классы (табл. 2.2):

· Класс а – немногочисленные сети с очень большим количеством узлов; номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети.

· Класс В – сети средних размеров; под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов (по 2 байта).

· Класс С – сети с малым числом узлов; под адрес сети отводится 24 бита (3 байта), а под адрес узла – 8 битов (1 байт).

Таблица 2.2. Классы сетей

Класс	Формат	Диапазон адресов	Максимальное количество сетей	Максимальное количество узлов в одной сети
А	0Сеть.узел.узел.узел	0.0.0.0 ‑ 0.255.255.255	зарезервировано
		1.0.0.0 ‑ 126.255.255.255	126	16 777 216
		127.0.0.0 – 127.255.255.255	зарезервировано
В	10Сеть.сеть.узел.узел	128.XXX.0.0 – 191.XXX.255.255	16 384	65 534
С	110Сеть.сеть.сеть.узел	192.XXX.XXX.0 ‑ 223.XXX.255.255	2 097 152	254
D	1110Группа.группа. группа.группа	224.0.0.0 – 239.255.255.255	–	268 435 454
E	1111Резерв.резерв. резерв.резерв	240.0.0.0 – 255.255.255.255	зарезервировано

· Адреса класса D – особые, групповые адреса – multicast; могут использоваться для рассылки сообщений определенной группе узлов. Если в пакете указан адрес назначения, принадлежащий классу D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

· Адреса класса Е зарезервированы для будущих применений.

Помимо вышеописанных адресов существуют зарезервированные адреса, которые используются особым образом.

• если в поле номера сети стоят 0

0 0 0 0...................................0 Номер узла,

то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет: если адрес компьютера 128.187.0.0, то указанный в сообщении адрес 0.0.25.31 неявно преобразуется в адрес 128.187.25.31;

• адрес 127.0.0.Х зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback или localhost. Если программа отправит пакет с таким адресом, то этот пакет, не выйдя за пределы компьютера, пройдется по всем уровням сетевой подсистемы и вернется к этой программе. Позволяет разрабатывать и тестировать сетевое программное обеспечение на локальном компьютере, в т. ч. и вообще не имеющем сетевого адаптера.

• если все двоичные разряды IP-адреса равны 1

1 1 1 1...................................1 1,

то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и отправитель. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

• если в поле адреса узла назначения стоят сплошные 1

Адрес сети 1111................11,

то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным адресом. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

• адреса класса D ‑ форма группового IP-адреса – multicast. Пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения, в отличие от широковещательных, называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

Символьный адрес, или DNS-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Числовая адресация удобна для машинной обработки таблиц маршрутов. Для использования человеком она представляет определенные трудности. Для облегчения взаимодействия вначале применялись таблицы соответствия числовых адресов именам машин. Например, в ОС UNIX в каталоге /etc находится файл с именем hosts, который может иметь следующий вид:

IP-адрес Имя машины

127.0.0.1 localhost

144.206.160.32 Polyn

144.206.160.40 Apollo

По мере роста сети была разработана система доменных имен – DNS (Domain Name System), которая позволяет присваивать компьютерам легко запоминаемые имена, например yahoo.com, и отвечает за перевод этих имен обратно в IP-адреса. DNS строится по иерархическому принципу, однако эта иерархия не является строгой. Фактически нет единого корня всех доменов Internet.

Компьютерное имя имеет по меньшей мере два уровня доменов, отделяемых друг от друга точкой (.). Идущие после доменов верхнего уровня домены обычно определяют либо регионы (msk), либо организации (ulstu). Следующие уровни иерархии могут быть закреплены за небольшими организациями, либо за подразделениями больших организаций или частными лицами (например, alvinsoft.h11.ru).

Все, что находится слева, является поддоменом для общего домена. Таким образом, в имени somesite.uln.ru, somesite является поддоменом uln, который в свою очередь является поддоменом ru.

Наиболее популярной программой поддержки DNS является BIND, или Berkeley Internet Name Domain, – сервер доменных имен, который широко применяется в Internet. Он обеспечивает поиск доменных имен и IP-адресов для любого узла сети. BIND обеспечивает также рассылку сообщений электронной почты через узлы Internet.

BIND реализован по схеме «клиент-сервер». Различают четыре вида серверов:

· primary master-сервер поддерживает свою базу данных имен и обслуживает местный домен;

· secondary master-сервер обслуживает свой домен, но данные об адресах части своих машин получает по сети с другого сервера;

· caching-сервер не имеет своего домена. Он получает данные либо с одного из master-серверов, либо из буфера;

· удаленный сервер обычный master-сервер, установленный на удаленной машине, к которому обращаются программы по сети.

Primary или secondary master-серверы устанавливаются обычно на машинах, которые являются шлюзами для локальных сетей.

Шлюз (Gateway) – система, выполняющая преобразование из одного формата в другой.

Сервер имен может быть установлен на любой компьютер локальной сети. При этом необходимо учитывать его производительность, так как многие реализации серверов держат базы данных имен в оперативной памяти. При этом часто подгружается информация и с других серверов. Поэтому это может быть причиной задержек при разрешении запроса на адрес по имени машины.

Протоколы сопоставления адреса ARP и RARP

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol (ARP) [3]. 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 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. Является частью сетевого уровня набора протоколов TCP/IP.

Протокол ICMP для своих целей использует сообщения, два из которых называются эхо-запрос ICMP и эхо-ответ ICMP:

· Эхо-запрос подразумевает, что компьютер, которому он был отправлен, должен ответить на этот пакет.

· Эхо-ответ – это тип ICMP-сообщения, которое используется для ответа на такой запрос.

Эти сообщения отправляются и принимаются с помощью команды ping (Packet Internet Groper).

С помощью специальных пакетов ICMP можно получить информацию:

· о невозможности доставки пакета,

· о превышении времени жизни пакета,

· о превышении продолжительности сборки пакета из фрагментов,

· об аномальных величинах параметров,

· об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания,

· о состоянии системы и т. п.

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 (NDIS) – 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.

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.