Электронная коммерция - Протоколы передачи данных

Протоколы передачи данных

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. 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.

Функции протокола IP

Протокол IP находится на межсетевом уровне стека протоколов TCP/IP. Функции протокола IP определены в стандарте RFC-791 следующим образом: “Протокол IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины (IP-адресами). Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку дейтаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов”.
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 Интернет. 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.
Гарантию правильной передачи данных предоставляют протоколы вышестоящего уровня (например, протокол TCP), которые имеют для этого необходимые механизмы.
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.
Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего дейтаграмму из сети, таков:

с одного из интерфейсов уровня доступа к среде передачи (например, с Ethernet-интерфейса) в модуль IP поступает дейтаграмма;
модуль IP анализирует заголовок дейтаграммы;

если пунктом назначения дейтаграммы является данный компьютер:

если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная большая дейтаграмма;
из дейтаграммы извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов вышележащего уровня (какому именно - указывается в заголовке дейтаграммы);
если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то дальнейшие действия зависят от того, разрешена или запрещена ретрансляция (forwarding) “чужих” дейтаграмм;
если ретрансляция разрешена, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается; при этом, как правило, отправителю дейтаграммы отсылается ICMP-сообщение об ошибке.
При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок которой заносятся адреса отправителя и получателя (также полученные от транспортного уровня) и другая информация; после чего выполняются следующие шаги:
если дейтаграмма предназначена этому же узлу, из нее извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного уровня (какому именно - указывается в заголовке дейтаграммы);
если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается.

Здесь и далее узлом сети называется компьютер, подключенный к сети и поддерживающий протокол IP. Узел сети может иметь один и более IP-интерфейсов, подключенных к одной или разным сетям, каждый такой интерфейс идентифицируется уникальным IP-адресом.
IP-сетью называется множество компьютеров (IP-интерфейсов), часто, но не всегда подсоединенных к одному физическому каналу связи, способных пересылать IP-дейтаграммы друг другу непосредственно (то есть без ретрансляции через промежуточные компьютеры), при этом IP-адреса интерфейсов одной IP-сети имеют общую часть, которая называется адресом, или номером, IP-сети, и специфическую для каждого интерфейса часть, называемую адресом, или номером, данного интерфейса в данной IP-сети
Маршрутизатором, или шлюзом, называется узел сети с несколькими IP-интерфейсами, подключенными к разным IP-сетям, осуществляющий на основе решения задачи маршрутизации перенаправление дейтаграмм из одной сети в другую для доставки от отправителя к получателю.
Хостами называются узлы IP-сети, не являющиеся маршрутизаторами. Обычно хост имеет один IP-интерфейс (например, связанный с сетевой картой Ethernet или с модемом), хотя может иметь и несколько.
Маршрутизаторы представляют собой либо специализированные вычислительные машины, либо компьютеры с несколькими IP-интерфейсами, работа которых управляется специальным программным обеспечением. Компьютеры конечных пользователей, различные серверы Интернет и т.п. вне зависимости от своей вычислительной мощности являются хостами.

RTP - Протокол передачи видео- и аудиоинформации в реальном масштабе времени

Стремительный рост Internet предъявляет новые требования к скорости и объемам передачи данных. И для того чтобы удовлетворить все эти запросы, одного увеличения емкости сети недостаточно, необходимы разумные и эффективные методы управления графиком и контролем загруженности линий передачи.
В приложениях реального времени отправитель генерирует поток данных с постоянной скоростью, а получатель (или получатели) должен предоставлять эти данные приложению с той же самой скоростью. Такие приложения включают, например, аудио- и видеоконференции, живое видео, удаленную диагностику в медицине, компьютерную телефонию, распределенное интерактивное моделирование, игры, мониторинг в реальном времени и др. Наиболее широко используемый протокол транспортного уровня — это TCP. Несмотря на то что TCP позволяет поддерживать множество разнообразных распределенных приложений, он не подходит для приложений реального времени.
Эту задачу и призван решить новый транспортный протокол реального времени — RTP (Real-Time Transport Protocol), который гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах, т. е. данные могут быть воспроизведены в реальном времени.
Принципы построения протокола RTP
RTP не поддерживает каких-либо механизмов доставки пакетов, обеспечения достоверности передачи или надежности соединения. Эти все функции возлагаются на транспортный протокол. RTP работает поверх UDP и может поддерживать передачу данных в реальном времени между несколькими участниками RTP-сеанса.
Для каждого участника RTP сеанс определяется парой транспортных адресов назначения пакетов (один сетевой адрес — IP и пара портов: RTP и RTCP). Пакеты RTP содержат следующие поля: идентификатор отправителя, указывающий, кто из участников генерирует данные, отметки о времени генерирования пакета, чтобы данные могли быть воспроизведены принимающей стороной с правильными интервалами, информация о порядке передачи, а также информация о характере содержимого пакета, например, о типе кодировки видеоданных (MPEG, Indeo и др.). Наличие такой информации позволяет оценить величину начальной задержки и объема буфера передачи. В типичной среде реального времени отправитель генерирует пакеты с постоянной скоростью. Они отправляются через одинаковые интервалы времени, проходят через сеть и принимаются получателем, воспроизводящим данные в реальном времени по их получении. Однако ввиду изменения времени задержки при передаче пакетов по сети, они могут прибывать через нерегулярные интервалы времени. Для компенсации этого эффекта поступающие пакеты буферизуются, придерживаются на некоторое время и затем предоставляются с постоянной скоростью программному обеспечению, генерирующему вывод. Поэтому для функционирования протокола реального времени необходимо, чтобы каждый пакет содержал временную метку— таким образом получатель может воспроизвести поступающие данные с той же скоростью, что и отправитель. Поскольку RTP определяет (и регулирует) формат полезной нагрузки передаваемых данных, с этим напрямую связана концепция синхронизации, за которую частично отвечает механизм трансляции RTP — микшер. Принимая потоки пакетов RTP от одного или более источников, микшер, комбинирует их и посылает новый поток пакетов RTP одному или более получателям. Микшер может просто комбинировать данные, а также изменять их формат, например, при комбинировании нескольких источников звука. Предположим, что новая система хочет принять участие в сеансе, но ее канал до сети не имеет достаточной емкости для поддержки всех потоков RTP, тогда микшер получает все эти потоки, объединяет их в один и передает последний новому члену сеанса. При получении нескольких потоков микшер просто складывает значения импульсно-кодовой модуляции. Заголовок RTP, генерируемый микшером, включает идентификатор отправителя, чьи данные присутствуют в пакете. Более простое устройство — транслятор, создает один исходящий пакет RTP для каждого поступающего пакета RTP. Этот механизм может изменить формат данных в пакете или использовать иной комплект низкоуровневых протоколов для передачи данных из одного домена в другой. Например, потенциальный получатель может оказаться не в состоянии обрабатывать высокоскоростной видеосигнал, используемый другими участниками сеанса. Транслятор конвертирует видео в формат более низкого качества, требующий не такой высокой скорости передачи данных.
Методы контроля работы
Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных — обычно многоадресной — всем участникам сеанса. Совместно с RTP работает протокол RTCP (Real-time Transport Control Protocol), основная задача которого состоит в обеспечении управления передачей RTP. RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно UDP), но другой номер порта.
RTCP выполняет несколько функций:
Обеспечение и контроль качества услуг и обратная связь в случае перегрузки. Так как RTCP-пакеты являются многоадресными, все участники сеанса могут оценить, насколько хороши работа и прием других участников. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качество передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи. Обратная связь с получателями важна также для диагностирования ошибок при распространении. Анализируя сообщения всех участников сеанса, администратор сети может определить, касается данная проблема одного участника или носит общий характер. Если приложение-отправитель приходит к выводу, что проблема характерна для системы в целом, например, по причине отказа одного из каналов связи, то оно может увеличить степень сжатия данных за счет снижения качества или вообще отказаться от передачи видео — это позволяет передавать данные по соединению низкой емкости.
Идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое описание отправителя. Они предоставляют больше информации об отправителе пакетов данных, чем случайным образом выбранный идентификатор источника синхронизации. Кроме того, они помогают пользователю идентифицировать потоки, относящиеся к различным сеансам.
Оценка размеров сеанса и масштабирование. Для обеспечения качества услуг и обратной связи с целью управления загруженностью, а также с целью идентификации отправителя, все участники периодически посылают пакеты RTCP. Частота передачи этих пакетов снижается с ростом числа участников. При небольшом числе участников один пакет RTCP посылается максимум каждые 5 секунд. RFC-1889 описывает алгоритм, согласно которому участники ограничивают частоту RTCP-пакетов в зависимости от общего числа участников. Цель состоит в том, чтобы трафик RTCP не превышал 5% от общего трафика сеанса.
Формат заголовка протокола RTP
RTP — потоко -ориентированный протокол. Заголовок RTP-пакета создавался с учетом потребностей передачи в реальном времени. Он содержит информацию о порядке следования пакетов, чтобы поток данных был правильно собран на принимающем конце, и временную метку для правильного чередования кадров при воспроизведении и для синхронизации нескольких потоков данных, например, видео и аудио.
Каждый пакет RTP имеет основной заголовок, а также, возможно, дополнительные поля, специфичные для приложения.
Использование TCP в качестве транспортного протокола для этих приложений невозможно по нескольким причинам:

Этот протокол позволяет установить соединение только между двумя конечными точками, следовательно, он не подходит для многоадресной передачи.
TCP предусматривает повторную передачу потерянных сегментов, прибывающих, когда приложение реального времени уже их не ждет.
TCP не имеет удобного механизма привязки информации о синхронизации к сегментам — дополнительное требование приложений реального времени.

Другой широко используемый протокол транспортного уровня — LJDP не имеет части ограничений TCP, но и он не предоставляет критической информации о синхронизации.
Несмотря на то, что каждое приложение реального времени может иметь свои собственные механизмы для поддержки передачи в реальном времени, они имеют много общих черт, а это делает определение единого протокола весьма желательным.
Эту задачу и призван решить новый транспортный протокол реального времени — RTP (Real-time Transport Protocol), который гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах, т. е. данные могут быть воспроизведены в реальном времени.

Протокол управления передачей RTCP

Протокол управления передачей RTCP (Real-Time Transport Control Protocol) работает с несколькими адресатами для обеспечения обратной связи с отправителями данных RTP и другими участниками сеанса. RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно, UDP), но другой номер порта. Каждый участник сеанса периодически посылает RTCP-пакет всем остальным участникам сеанса.
RTCP выполняет следующие функции:

обеспечение качества услуг и обратной связи в случае перегрузки;
идентификация отправителя;
оценка размеров сеанса и масштабирование.

Многоадресность RTCP-пакетов дает возможность участникам группы оценить качество приема и сообщить о своих проблемах (например, утере пакетов, избыточной неравномерности передачи). Обратная связь с получателями важна также для диагностики ошибок при распространении пакетов. RTCP-пакеты содержат стандартное текстовое описание отправителя, обеспечивающее его идентификацию. Кроме того, они помогают пользователю идентифицировать потоки, относящиеся к различным сеансам. Например, они дают возможность определить, что одновременно открыты отдельные сеансы для передачи аудио- и видеоинформации.
Оценка размера сеанса и масштабирование осуществляются управлением частотой передачи RTCP-пакетов. При небольшом числе участников один RTCP-пакет посылается максимум каждые 5 секунд. Цель состоит в том, чтобы трафик RTCP не превышал 5% от общего трафика сеанса.

Протокол UDP

Протокол UDP намного проще, чем ТСР; он полезен в ситуациях, когда мощные механизмы обеспечения надежности протокола ТСР не обязательны. Заголовок UDP имеет всего четыре поля: поле порта источника (source port), поле порта пункта назначения (destination port), поле длины (length) и поле контрольной суммы UDP (checksum UDP). Поля порта источника и порта назначения выполняют те же функции, что и в заголовке ТСР. Поле длины обозначает длину заголовка UDP и данных; поле контрольной суммы обеспечивает проверку целостности пакета. Контрольная сумма UDP является факультативной возможностью. Главным применением протокола UDP являются системы Internet Name Server, и Trivial File Transfer, SNMP.
Структура протокольного блока

Байты	Разряды
	7 6 5 4 3 2 1 0	7 6 5 4 3 2 1 0	7 6 5 4 3 2 1 0	7 6 5 4 3 2 1 0
0	Порт источника		Порт получателя
4	Длина протокольного блока		Проверочная сумма
8	Данные

Номера портов источника и получателя определяют прикладной процесс, инициировавший данное соединение. Закрепление номеров портов осуществляется в соответствии с Рекомендацией RFC-1700.
Мультиплексирование и демультиплексирование прикладных протоколов с помощью протокола UDP
Протокол UDP ведет для каждого порта две очереди: очередь пакетов, поступающих в данный порт из сети, и очередь пакетов, отправляемых данным портом в сеть.
Процедура обслуживания протоколом UDP запросов, поступающих от нескольких различных прикладных сервисов, называется мультиплексированием.
Распределение протоколом UDP поступающих от сетевого уровня пакетов между набором высокоуровневых сервисов, идентифицированных номерами портов, называется демультиплексированием.

Хотя к услугам протокола UDP может обратиться любое приложение, многие из них предпочитают иметь дело с другим, более сложным протоколом транспортного уровня TCP. Дело в том, что протокол UDP выступает простым посредником между сетевым уровнем и прикладными сервисами, и, в отличие от TCP, не берет на себя никаких функций по обеспечению надежности передачи. UDP является дейтаграммным протоколом, то есть он не устанавливает логического соединения, не нумерует и не упорядочивает пакеты данных.
С другой стороны, функциональная простота протокола UDP обуславливает простоту его алгоритма, компактность и высокое быстродействие. Поэтому те приложения, в которых реализован собственный, достаточно надежный, механизм обмена сообщениями, основанный на установлении соединения, предпочитают для непосредственной передачи данных по сети использовать менее надежные, но более быстрые средства транспортировки, в качестве которых по отношению к протоколу TCP и выступает протокол UDP. Протокол UDP может быть использован и в том случае, когда хорошее качество каналов связи обеспечивает достаточный уровень надежности и без применения дополнительных приемов типа установления логического соединения и квитирования передаваемых пакетов.

Семиуровневая модель OSI

Модель OSI (Open System Interconnect Reference Model, Эталонная модель взаимодействия открытых систем) представляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.
Эта модель описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между уровнями. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом - набором правил и форматов данных для взаимодействия между собой объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах.
Идея состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на некоторое количество примитивов, последовательно выполняющихся объектами, соотнесенными с уровнями модели. Модель построена так, что объекты одного уровня двух взаимодействующих компьютеров сообщаются непосредственно друг с другом с помощью соответствующих протоколов, не зная, какие уровни лежат под ними и какие функции они выполняют. Задача объектов - предоставить через стандартизованный интерфейс определенный сервис вышестоящему уровню, воспользовавшись, если нужно, сервисом, который предоставляет данному объекту нижележащий уровень.
Например, некий процесс отправляет данные через сеть процессу, находящемуся на другом компьютере. Через стандартизованный интерфейс процесс-отправитель передает данные нижнему уровню, который предоставляет процессу сервис по пересылке данных, а процесс-получатель через такой же стандартизованный интерфейс получает эти данные от нижнего уровня. При этом ни один из процессов не знает и не имеет необходимости знать, как именно осуществляет передачу данных протокол нижнего уровня, сколько еще уровней находится под ним, какова физическая среда передачи данных и каким путем они движутся.
Эти процессы, с другой стороны, могут находиться не на самом верхнем уровне модели. Предположим, что они через стандартный интерфейс взаимодействуют с приложениями вышестоящего уровня и их задача (предоставляемый сервис) - преобразование данных, а именно фрагментация и сборка больших блоков данных, которые вышестоящие приложения отправляют друг другу. При этом сущность этих данных и их интерпретация для рассматриваемых процессов совершенно не важны.
Возможна также взаимозаменяемость объектов одного уровня (например, при изменении способа реализации сервиса) таким образом, что объект вышестоящего уровня не заметит подмены.
Вернемся к примеру: приложения не знают о том, что их данные преобразуются именно путем фрагментации/сборки, им достаточно знать то, что нижний уровень предоставляет им некий “правильный” сервис преобразования данных. Если же для какой-то другой сети понадобится не фрагментация/сборка пакетов, а, скажем, перестановка местами четных и нечетных бит, то процессы рассматриваемого уровня будут заменены, но приложения ничего не заметят, так как их интерфейсы с нижележащим уровнем стандартизованы, а конкретные действия нижележащих уровней скрыты от них.
Объекты, выполняющие функции уровней, могут быть реализованы в программном, программно-аппаратном или аппаратном виде. Как правило, чем ниже уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.
Организация сетевого взаимодействия компьютеров, построенного на основе иерархических уровней, как описано выше, часто называется протокольным стеком.
Уровни модели OSI
Ниже перечислены (в направлении сверху вниз) уровни модели OSI и указаны их общие функции.

Уровень приложения (Application) - интерфейс с прикладными процессами.
Уровень представления (Presentation) - согласование представления (форматов, кодировок) данных прикладных процессов.
Сеансовый уровень (Session) - установление, поддержка и закрытие логического сеанса связи между удаленными процессами.
Транспортный уровень (Transport) - обеспечение безошибочного сквозного обмена потоками данных между процессами во время сеанса.
Сетевой уровень (Network) - фрагментация и сборка передаваемых транспортным уровнем данных, маршрутизация и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.
Канальный уровень (Data Link) - управление каналом передачи данных, управление доступом к среде передачи, передача данных по каналу, обнаружение ошибок в канале и их коррекция.
Физический уровень (Physical) - физический интерфейс с каналом передачи данных, представление данных в виде физических сигналов и их кодирование (модуляция).

Модель OSI предложена достаточно давно, однако протоколы, на ней основанные, используются редко, во-первых, в силу своей не всегда оправданной сложности, во-вторых , из-за существования хотя и не соответствующих строго модели OSI, но уже хорошо зарекомендовавших себя стеков протоколов (например, TCP/IP).
Поэтому модель OSI стоит рассматривать, в основном, как опорную базу для классификации и сопоставления протокольных стеков. Стек протоколов TCP/IP
TCP/IP - собирательное название для набора (стека) сетевых протоколов разных уровней, используемых в Интернет. 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.

Рис. 4. Стек протоколов TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP делится на 4 уровня: прикладной (application), транспортный (transport), межсетевой (internet) и уровень доступа к среде передачи (network access). Термины, применяемые для обозначения блока передаваемых данных, различны при использовании разных протоколов транспортного уровня - TCP и UDP, поэтому на рисунке 6 изображено два стека. Как и в модели OSI, данные более верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней (см. рис. 5).

Рис. 5. Пример инкапсуляции пакетов в стеке TCP/IP
Примерное соотношение уровней стеков OSI и TCP/IP показано на рис. 6.

Рис. 6. Соотношение уровней стеков OSI и TCP/IP
Ниже кратко рассматриваются функции каждого уровня и примеры протоколов. Программа, реализующая функции того или иного протокола, часто называется модулем, например, “IP-модуль”, “модуль TCP”.
Уровень приложений
Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI; например, преобразование данных к внешнему представлению, группировка данных для передачи и т.п.
Распространенными примерами приложений являются программы telnet, ftp, HTTP-серверы и клиенты (WWW-броузеры), программы работы с электронной почтой.
Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного уровня.
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных (end-to-end delivery service) между двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные с помощью транспортного уровня, идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта. Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняет номер порта (или проще - порт).
Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу (возможно, после проверки их на наличие ошибок и т.п.). Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.
На транспортном уровне работают два основных протокола: UDP и TCP.
TCP (Transmission Control Protocol - протокол контроля передачи) - надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом связи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу.
Данными для TCP является не интерпретируемая протоколом последовательность пользовательских октетов, разбиваемая для передачи по частям. Каждая часть передается в отдельном TCP-сегменте. Для продвижения сегмента по сети между компьютером-отправителем и компьютером-получателем модуль TCP пользуется сервисом межсетевого уровня (вызывает модуль IP).
Все приложения, приведенные как пример в предыдущем пункте, пользуются услугами TCP.
Протокол UDP
UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) фактически не выполняет каких-либо особых функций дополнительно к функциям межсетевого уровня (протокола IP). Протокол UDP используется либо при пересылке коротких сообщений, когда накладные расходы на установление сеанса и проверку успешной доставки данных оказываются выше расходов на повторную (в случае неудачи) пересылку сообщения, либо в том случае, когда сама организация процесса-приложения обеспечивает установление соединения и проверку доставки пакетов (например, NFS).
Пользовательские данные, поступившие от прикладного уровня, предваряются UDP-заголовком, и сформированный таким образом UDP-пакет отправляется на межсетевой уровень.
UDP-заголовок состоит из двух 32-битных слов:

Значения полей:

Source Port - номер порта процесса-отправителя.
Destination Port - номер порта процесса-получателя.
Length - длина UDP-пакета вместе с заголовком в октетах.
Checksum - контрольная сумма. Контрольная сумма вычисляется таким же образом, как и в TCP-заголовке ; если UDP-пакет имеет нечетную длину, то при вычислении контрольной суммы к нему добавляется нулевой октет.

После заголовка непосредственно следуют пользовательские данные, переданные модулю UDP прикладным уровнем за один вызов. Протокол UDP рассматривает эти данные как целостное сообщение; он никогда не разбивает сообщение для передачи в нескольких пакетах и не объединяет несколько сообщений для пересылки в одном пакете. Если прикладной процесс N раз вызвал модуль UDP для отправки данных (т.е. запросил отправку N сообщений), то модулем UDP будет сформировано и отправлено N пакетов, и процесс-получатель будет должен N раз вызвать свой модуль UDP для получения всех сообщений.
При получении пакета от межсетевого уровня модуль UDP проверяет контрольную сумму и передает содержимое сообщения прикладному процессу, чей номер порта указан в поле “Destination Port”.
Если проверка контрольной суммы выявила ошибку или если процесса, подключенного к требуемому порту, не существует, пакет игнорируется. Если пакеты поступают быстрее, чем модуль UDP успевает их обрабатывать, то поступающие пакеты также игнорируются. Протокол UDP не имеет никаких средств подтверждения безошибочного приема данных или сообщения об ошибке, не обеспечивает приход сообщений в порядке отправки, не производит предварительного установления сеанса связи между прикладными процессами, поэтому он является ненадежным протоколом без установления соединения. Если приложение нуждается в подобного рода услугах, оно должно использовать на транспортном уровне протокол TCP.
Максимальная длина UDP-сообщения равна максимальной длине IP-дейтаграммы (65535 октетов) за вычетом минимального IP-заголовка (20) и UDP-заголовка (8), т.е. 65507 октетов. На практике обычно используются сообщения длиной 8192 октета.
Примеры прикладных процессов, использующих протокол UDP: NFS (Network File System - сетевая файловая система), TFTP (Trivial File Transfer Protocol - простой протокол передачи файлов), SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью), DNS (Domain Name Service - доменная служба имен).
Межсетевой уровень и протокол IP
Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol).
Протокол IP доставляет блоки данных, называемых дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данные для дейтаграммы передаются 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 среде передачи (например, одному из физических интерфейсов) для отправки по каналу передачи данных.
Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом; часто для того, чтобы передать дейтаграмму по назначению, требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или иному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.
Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP-адрес назначения. Если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня (какому конкретно - указано в заголовке дейтаграммы). Если же адрес назначения дейтаграммы - чужой, то модуль IP может принять два решения: первое - уничтожить дейтаграмму, второе - отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования - так поступают промежуточные станции - маршрутизаторы.
Также может потребоваться, на границе сетей с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать в единое целое на компьютере-получателе. Это тоже задача протокола IP.
Если модуль IP по какой-либо причине не может доставить дейтаграмму, она уничтожается. При этом модуль IP может отправить компьютеру-источнику этой дейтаграммы уведомление об ошибке; такие уведомления отправляются с помощью протокола ICMP, являющегося неотъемлемой частью модуля IP. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения их доставки, обеспечения правильного порядка следования дейтаграмм, предварительного установления соединения между компьютерами протокол IP не имеет. Эта задача возложена на транспортный уровень.
Многие IP-адреса имеют эквивалентную форму записи в виде доменного имени (например, IP-адрес 194.84.124.4 может быть записан как maria.vvsu.ru). Преобразование между этими двумя формами выполняется службой DNS (Domain Name Service). Доменные имена обсуждаются в курсе “Введение в Интернет”, служба DNS рассматривается в курсе “Технологии Интернет”. Доменные имена введены для удобства использования человеком. Все TCP/IP-процессы и коммуникационное оборудование используют только IP-адреса.
Уровень доступа к среде передачи
Функции этого уровня: отображение IP-адресов в физические адреса сети (MAC-адреса, например, Ethernet-адрес в случае сети Ethernet). Эту функцию выполняет протокол ARP;
инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи (хотя он может и присутствовать), поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису (SAP, Service Access Point) - поле, содержащее код протокола межсетевого уровня, которому следует передать содержимое кадра (в нашем случае это протокол IP);
определение метода доступа к среде передачи - то есть способа, с помощью которого компьютер устанавливает свое право на произведение передачи данных (передача токена, опрос компьютеров, множественный доступ с детектированием коллизий и т.п.).

определение представления данных в физической среде;
пересылка и прием кадра.

Стек TCP/IP не подразумевает использования каких-либо определенных протоколов уровня доступа к среде передачи и физических сред передачи данных. От уровня доступа к среде передачи требуется наличие интерфейса с модулем IP, обеспечивающего передачу дейтаграммы между уровнями. Также требуется обеспечить преобразование IP-адреса узла сети, на который передается дейтаграмма, в MAC-адрес. Часто в качестве уровня доступа к среде передачи могут выступать целые протокольные стеки, тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX, IP поверх X.25 и т.п.

Реклама:
[an error occurred while processing this directive]