 |
Уровни архитектуры Интернет
|
|
|
|
Функционирование сети Интернет основано на сложном комплексе протоколов, обеспечивающих выполнение различных функций - от непосредственно передачи данных до управления конфигурацией оборудования сети.
Для того, чтобы классифицировать различные протоколы и понять их место в общей структуре технологии межсетевого взаимодействия, удобно воспользоваться так называемым «многоуровневым представлением сетевых протоколов». В рамках такого представления подразумевается, что протоколы более высокого уровня используют функции протоколов более низкого уровня. Классической, хотя и представляющей сейчас, скорее, академический интерес, моделью такого рода является семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI), разработанная ITU-T в рамках неудавшейся попытки создать международный стандарт семейства сетевых протоколов. Вместе с тем, некоторые результаты данного проекта являются хорошим материалом для учебников, чем мы и воспользуемся.
Рис. 17 иллюстрирует взаимоотношения архитектуры Интернет, определенной ARPA, с моделью OSI, а также поясняет функции каждого из уровней.
Архитектура Интернет была разработана агентством ARPA для соединения компьютеров в государственных, военных, академических и других организациях, в основном, на территории США, что обусловило ее практический характер. С другой стороны, модель OSI охватывала более широкий круг вопросов передачи информации, и в ее рамках не был конкретизирован тип взаимодействующих систем, что породило более «дробное» разбиение на уровни. Однако между той и другой архитектурой имеется очевидное соответствие.
Первый уровень модели ARPA - уровень сетевого интерфейса -поддерживает физический перенос информации между устройствами в сети, т.е. объединяет функции двух уровней OSI - физического и звена данных. Уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает, если это необходимо, разрешение конфликтов, возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA/CD в сети Ethernet), упаковывает данные в пакеты. Пакет2 -это протокольная единица, которая содержит информацию верхних уровней, и служебные поля (аппаратные адреса, порядковые номера, подтверждения и т.д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня.
|
|
|
Рис. 17 - Уровни модели OSI и архитектуры Интернет
Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы (datagram), от одного компьютера к другому. Дейтаграмма - это протокольная единица, которой оперируют протоколы семейства TCP/IP. Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть, а не только в рамках одного звена данных. Понятие дейтаграммы никак не связано с физическими характеристиками сетей и каналов связи, что подчеркивает независимость протоколов TCP/IP от аппаратуры. Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP. Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции.
Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм, обеспечивают протоколы маршрутизации - RIP, EGP, BGP, OSPF и др.
Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol -ARP) преобразует IP-адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например, Ethernet). На некоторых рисунках, изображающих архитектуру и взаимосвязь протоколов, ARP размещают ниже IP, чтобы показать его тесную взаимосвязь с Уровнем Сетевого Интерфейса.
|
|
|
Протокол контрольных сообщений - Internet Control Message Protocol (ICMP) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети. Протокол ICMP - необходимая часть реализации стека протоколов TCP/IP.
Когда дейтаграмма проходит по сети, она может быть потеряна или искажена. Транспортный уровень решает эту проблему и обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализации протоколов этого уровня образуют универсальный интерфейс для приложений, обеспечивающий доступ к услугам сетевого уровня. Наиболее важными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP.
Конечные пользователи взаимодействуют с компьютером на уровне приложений. Разработано множество протоколов, используемых соответствующими приложениями. Например, приложения передачи файлов используют протокол FTP. Web-приложения используют протокол HTTP. Оба протокола FTP и HTTP базируются на протоколе TCP. Приложение Telnet обеспечивает подключение удаленных терминалов. Протокол эксплуатационного управления сетью SNMP позволяет управлять конфигурацией оборудования в сети и собирать информацию об его функционировании, в том числе, и о аварийных ситуациях. Приложения, созданные для организации речевой связи и видеосвязи, используют протокол RТР для передачи информации, чувствительной к задержкам. Х Window - популярный протокол для подключения к интеллектуальному графическому терминалу. Этот список можно продолжать практически бесконечно.
Таким образом, IP-сети используют для передачи информации разнообразные протоколы, причем функции протоколов не зависят оттого, какие данные передаются. Иными словами, IP, ARP, ICMP, TCP, UDP и другие элементы стека протоколов TCP/IP предоставляют универсальные средства передачи информации, какой бы она ни была природы (файл по FTP, Web - страница или аудиоданные).
Протокол IP версии 4
В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP организует пакетную передачу информации от узла к узлу IP-сети, не используя процедур установления соединения между источником и приемником информации. Кроме того, Internet Protocol является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.
|
|
|
Протокол IP не обеспечивает надежность доставки информации, так как он не имеет механизмов повторной передачи. Он не имеет также и механизмов управления потоком данных (flow-control). Дейтаграммы могут быть потеряны, размножены, или получены не в том порядке, в каком были переданы.
Протокол IP базируется на протоколе уровня звена данных, который обеспечивает передачу данных по физической среде. Программный модуль, реализующий протокол IP, определяет маршрут переноса данных по сети до точки назначения, или до промежуточного маршрутизатора, где дейтаграмма извлекается из кадра локальной сети и направляется в канал, который соответствует выбранному маршруту. Дейтаграммы могут разбиваться на более мелкие фрагменты, или, наоборот, несколько дейтаграмм могут объединяться в одну на стыке разных сетей, если эти сети поддерживают передачу дейтаграмм разной длины.
В каждой рабочей станции, подключенной к IP-сети, обработка IP-дейтаграмм, производится по одним и тем же правилам адресации, фрагментации и маршрутизации. Рабочие станции рассматривают каждую дейтаграмму как независимую протокольную единицу, так как протокол IP не использует логических соединений или каких-либо других средств идентификации виртуальных каналов3.
На рис. 18 показана структура протокольной единицы протокола IP-дейтаграммы.
Поле версия (version) идентифицирует используемую версию протокола IP, в рассматриваемом случае указывается версия 4. Необходимость этого поля объясняется тем, что в переходный период в сети могут использоваться протоколы разных версий.
|
|
|
Поле длина заголовка (header length), состоящее из 4 битов, определяет длину заголовка, причем длина указывается как количество блоков размером 32 бита. В типичном случае значение этого поля равно 5.
| Версия (Version) | Длина заголовка | |
| Тип обслуживания | ||
| Общая длина | ||
| Идентификатор фрагмента | ||
| Флаги | Смещение фрагмента | |
| Время жизни | ||
| Протокол | ||
| Контрольная сумма заголовка | ||
| Адрес отправителя | ||
| Адрес получателя | ||
| Опциональные поля и заполнение | ||
| Данные |
Рис. 18 - IP-дейтаграмма
Поле тип обслуживания (Type of Service) содержит информацию, которая бывает нужна при поддержке сетью разных классов обслуживания. Использование этого поля в Интернет будет возрастать по мере роста в IP-сетях возможностей передачи мультимедийного трафика с задаваемыми параметрами качества обслуживания. Более подробную информацию на эту тему можно найти в главе 10.
Поле общая длина (Total Length) определяет общую длину дейтаграммы в октетах (байтах), включая заголовок и полезную нагрузку. Максимальная длина дейтаграммы составляет 65535 октетов, однако, на практике, все рабочие станции и маршрутизаторы работают с длинами, не превышающими 576 байтов. Это объясняется тем, что при превышении указанной длины, снижается эффективность работы сети.
Протокол IP использует 3 поля заголовка для управления фрагментацией/сборкой дейтаграмм. Как уже упоминалось, фрагментация необходима потому, что разные сети, по которым передаются дейтаграммы, имеют разные максимальные размеры кадра.
Идентификатор фрагмента (Identifier) обозначает все фрагменты одной дейтаграммы, что необходимо для ее успешной сборки на приемной стороне.
Поле флагов (Flags) обеспечивает возможность фрагментации дейтаграмм и, при использовании фрагментации, позволяет идентифицировать последний фрагмент дейтаграммы.
Поле смещение фрагмента (Fragment Offset) определяет положение фрагмента относительно исходной дейтаграммы в единицах, равных 8 октетам.
Поле время жизни (TTL - Time To Live) используется для ограничения времени, в течение которого дейтаграмма находится в сети. Каждый маршрутизатор сети должен уменьшать значение этого поля на единицу, и отбрасывать дейтаграмму, если поле TTL приняло нулевое значение. Наличие поля TTL ограничивает возможность бесконечной циркуляции дейтаграммы по сети, например, в случае, если по какой-либо причине маршрут, по которому она следует, оказался «закольцованным».
Поле протокол (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня (TCP, UDP и т.д.).
Поле контрольная сумма заголовка (Header Checksum) обеспечивает возможность контроля ошибок в заголовке. Алгоритм подсчета контрольной суммы весьма прост, поскольку обычно протоколы нижнего уровня имеют более развитые средства контроля ошибок.
|
|
|
IP-дейтаграммы содержат в заголовке два адреса - отправителя (Source) и получателя (Destination), которые не меняются на протяжении всей жизни дейтаграммы.
Протокол IP версии 6
Как уже отмечалось выше, самой насущной проблемой становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.
Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации - основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.
Комитет IETF намеревается решить существующие проблемы с помощью межсетевого протокола нового поколения - IPng, известного также как IPv6.
Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами, путем введения в заголовок пакета новых полей. Например, работу механизмов обеспечения гарантированного качества обслуживания облегчает внесение в заголовок метки потока, а работу IPSec - внесение в заголовок поля аутентификации.
В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:
• создание новой расширенной схемы адресации;
• улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;
• обеспечение защиты данных.
Работы по модернизации протокола IP начались в 1992 году, когда было предложено несколько альтернативных вариантов спецификаций. С тех пор в рамках IETF была проделана огромная работа, в результате которой в августе 1998 года были приняты окончательные версии стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC 2460 «Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification»), так и отдельные компоненты данной технологии (RFC 2373 «IP Version 6 Addressing Architecture»).
Итак, рассмотрим более подробно особенности IPv6.
Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения адреса до 128 битов. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано, в значительной степени, не с целью снять проблему дефицита адресов (для этого было бы достаточно гораздо более скромной размерности), а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.
Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов. За счет увеличения числа уровней иерархии в структуре адреса, новый протокол эффективно поддерживает технологию агрегации адресов (CIDR), которая упоминалась выше. Благодаря этой особенности, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типа адресов (anycast), IPv6 позволяет уменьшить затраты ресурсов оборудования на маршрутизацию.
В 6 версии протокола IP принята новая форма записи адреса, так как при определении адреса сети граница маски часто не совпадает с границей байтов адреса, и десятичная запись в данном случае неудобна. Теперь адрес записывается в шестнадцатиричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например:
FEDC:OA96:0:0:0:0:7733:567A.
Для сетей, поддерживающих обе версии протокола - IPv4 и IPv6, -имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших - шестнадцатиричную:
0:0:0:0:0:FFFR 194.135.75.104.
Типы адресов. Для IPv6 определены следующие основные типы адресов:
• unicast;
• multicast;
• anycast.
Типы адресов определяются содержимым нескольких старших битов адреса, которые получили название префикса формата.
Адрес типа unicast представляет собой уникальный идентификатор сетевого интерфейса рабочей станции или маршрутизатора и по смыслу полностью идентичен уникальному адресу IPv4. Однако в версии 6 отсутствует понятие класса сети и фиксированное разбиение адреса на адрес сети и адрес узла по границам байтов.
Адрес типа multicast - групповой адрес, необходимый для многоадресной рассылки. Он характеризуется префиксом формата 11111111И идентифицирует группу интерфейсов, относящихся к разным рабочим станциям. Пакеты с такими адресами доставляются ко всем интерфейсам, входящим в группу. Существует также предопределенный адрес, обозначающий все интерфейсы подсети. В составе группового адреса IPv6 имеется поле scope, которое определяет, входят ли в группу рабочие станции одной подсети, всех подсетей предприятия, или рабочие станции, рассредоточенные по сети Интернет. Кроме того, предусмотрен признак, позволяющий определить, является ли группа постоянной или временной, что также облегчает работу маршрутизаторов.
Адрес типа anycast - новый тип адреса, определяющий, как и multicast, группу интерфейсов. Но пакет с таким адресом доставляется не всем членам группы, а какому-либо одному, как правило, «ближайшему» с точки зрения маршрутизатора. Такой адрес синтаксически никак не отличается от адреса типа unicast и выделяется из того же диапазона. Anycast-адрес может быть присвоен только сетевым интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсам маршрутизатора будут присваиваться индивидуальные unicast-адреса и общий anycast-адрес. Адреса anycast ориентированы на определение маршрута узлом-отправителем. Например, у абонента есть возможность обеспечить прохождение своих пакетов через сеть конкретного поставщика, указав в цепочке адресов маршрута anycast-адрес, присвоенный всем маршрутизаторам в сети этого поставщика. В таком случае пакет будет передан на «ближайший» подходящий маршрутизатор именно этой сети.
В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, т.е. для сетей, не входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), различающиеся значением префикса.
В настоящий момент распределено порядка 15% адресного пространства IPv6, что определяет широкие возможности развития сетей и приложений, их использующих.
Изменение формата заголовков пакетов. Многолетний опыт практического применения протокола показал неэффективность использования некоторых полей заголовка, а также выявил необходимость добавить поля, упрощающие идентификацию пакетов, которые требуют специальной обработки, поля, облегчающие реализацию процедур шифрования, и некоторые другие.
Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.
Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат.
| Версия (4 бита) | Класс Трафика (8 битов) | Метка Потока (20 битов) | ||
| Длина (16 битов) | След.Заголовок (8 битов) | Лимит Переходов (8 битов) | ||
| Адрес Отправителя (128 битов) | ||||
| Адрес Получателя (128 битов) | ||||
Рис. 19 - Формат основного заголовка дейтаграммы IPv6
Поле Класс Трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип Обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит Переходов
(Hop Limit) - полю Время Жизни (Time To Live) протокола IPv4, рассмотренного в предыдущем параграфе.
Поле Метка Потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.
Поле Следующий Заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header. Если дополнительные заголовки отсутствуют, то это поле содержит значение, присвоенное тому из протоколов TCP, UDP, OSPF, который используется для переноса полезной нагрузки данной дейтаграммы.
В рамках спецификаций IPv6 определены заголовки следующих типов.
Заголовок Routing - содержит информацию о маршруте, выбранном отправителем дейтаграммы.
Заголовок Fragmentation -содержит информацию о фрагментации дейтаграммы и обрабатывается только конечными узлами сети.
Заголовок Authentication - содержит информацию, необходимую для проверки подлинности отправителя дейтаграммы.
Заголовок Encapsulation - содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности данных путем шифрования.
Заголовок Hop-by-Hop Options - специальные параметры обработки пакетов.
Заголовок Destination Options - дополнительные параметры для узла назначения.
Снижение нагрузки на маршрутизаторы. При переходе к протоколу IPv6 могут быть уменьшены расходы на реализацию функций маршрутизации в сети, а маршрутизаторы могут быть оптимизированы для выполнения их основной функции - продвижения пакетов. Это становится возможным благодаря следующим особенностям нового протокола.
Дополнительные заголовки обрабатываются только конечными узлами и краевыми маршрутизаторам. Это упрощает логику работы маршрутизаторов и позволяет легче реализовать важные функции на аппаратном уровне.
Функции поддержки фрагментации переносятся в конечные узлы или краевые маршрутизаторы. Конечные узлы должны найти минимальный размер пакета вдоль всего пути до узла назначения (эта технология называется Path MTU discovery и уже используется для протокола IPv4) и не передавать пакеты с размером, превышающим найденное значение. Маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPv6, в ядре сети могут не обеспечивать фрагментации, а только передавать сообщение протокола IСМР - «слишком длинный пакет» к конечному узлу, который должен соответственно уменьшить размер пакета.
Агрегация адресов ведет к уменьшению размеров адресных таблиц маршрутизаторов и, соответственно, к уменьшению времени их просмотра.
Широкое использование маршрутизации, управляемой отправителем (например, пограничным маршрутизатором), освобождает маршрутизаторы в ядре сети от просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора,
В качестве адреса узла в локальной сети можно использовать МАС-адрес сетевого интерфейса, что избавляет от необходимости применять протокол ARP.
Переход к протоколу IP версии 6. Так как IPv6 представляет собой естественное развитие предыдущей версии, он с самого начала спроектирован с учетом возможности поэтапного мягкого перехода к его использованию, что требует обеспечения взаимодействия узлов с разными версиями протоколов. Способы, которые используются для организации совместной работы протоколов IPv6 и IPv4, вполне традиционны:
• Установка на некоторых сетевых узлах сразу двух стеков протоколов, так что при взаимодействии с рабочими станциями, поддерживающими разные версии протокола, используется соответствующий стек протоколов TCP/IP. Маршрутизаторы могут в данном случае обрабатывать оба протокола независимо друг от друга.
• Конвертирование протоколов при помощи специальных шлюзов, которые преобразуют пакеты IPv4 в пакеты IPv6 и обратно. Важнейшая часть этого процесса - преобразование адресов. Для упрощения данной процедуры применяются так называемые «IРv4-совместимые адреса IPv6», которые содержат в четырех младших байтах адрес, используемый в протоколе IPv4.
• Инкапсуляция - Туннелирование одного протокола в сетях, построенных на основе другого протокола. При этом пакеты одного протокола помещаются в пакеты другого в пограничных устройствах. Недостаток метода состоит в том, что в данном случае сети никак не взаимодействуют между собой. В настоящее время развернута опытная зона эксплуатации IPv6 под названием 6Вопе, которая использует технологию инкапсуляции пакетов IPv6 при их транзите через части сети Интернет, не поддерживающие этот протокол.
Протокол TCP
Протокол управления передачей информации - Transmission Control Protocol (TCP) - был разработан для поддержки интерактивной связи между компьютерами. Протокол TCP обеспечивает надежность и достоверность обмена данными между процессами на компьютерах, входящих в общую сеть.
К сожалению, протокол TCP не приспособлен для передачи мультимедийной информации. Основная причина-обеспечение требуемой достоверности путем повторной передачи потерянных пакетов. Пока передатчик получит информацию о том, что приемник не принял очередной пакет, и передаст его снова, проходит слишком много времени. Приемник вынужден либо ждать прихода повторно переданного пакета, разрушая структуру потоковых данных, либо игнорировать этот пакет, игнорируя одновременно принятый в TCP механизм обеспечения достоверности. Кроме того, TCP предусматривает механизмы управления скоростью передачи с целью избежать перегрузок сети. Аудиоданные и видеоданные требуют, однако, строго определенных скоростей передачи, которые нельзя изменять произвольным образом.
С одной стороны протокол TCP взаимодействует с прикладным протоколом пользовательского приложения, а с другой стороны -с протоколом, обеспечивающим «низкоуровневые» функции маршрутизации и адресации пакетов, которые, как правило, выполняет IP.
В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, вообще говоря, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Каждый TCP-пакет вкладывается в «пакет» протокола нижележащего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же, как TCP-пакет содержит пользовательские данные.
Простейшая модель работы TCP-протокола выглядит обманчиво гладко, поскольку на самом деле его работа изобилует множеством деталей и тонкостей.
Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети Internet, изображена на рис. 20.
Прямоугольники обозначают модули, обрабатывающие данные, а линии, соединяющие прямоугольники, - пути передачи данных. Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает сеть Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды. Понимание этой логической структуры является основой для понимания всей технологии TCP/IP.
Рис. 20 - Структура сетевого программного обеспечения стека протоколов TCP/IP
Ниже рассматриваются более подробно возможности, принципы построения и основные функции протокола TCP.
|
|
|
