Сетевые пакеты

Как уже упоминалось, информация по сети передается определенными порциями – пакетами. Причем, на каждом уровне пакет имеет свой размер и структуру. В результате в пакет нижнего уровня вкладывается пакет следующего уровня и т. д. Так же понятно, что чем более высокого уровня пакет, тем меньше информации он может содержать в себе. Размеры пакетов ограничиваются как особенностями аппаратуры, так и требованиями протоколов.

Маршрутизация пакетов

Маршрутизация – механизм передачи пакетов между сетями. При маршрутизации пакетов решается задача, как за наименьшее время, по кратчайшему пути, с минимальной стоимостью доставить пакет. Как правило, в совокупности решить эту задачу не представляется возможным. Поэтому протоколы маршрутизации пакетов должны иметь возможность задавать различные правила и стратегии маршрутизации. К примеру, доставить пакет с максимальной скоростью или с минимальной стоимостью.

Протоколы маршрутизации

Протоколы маршрутизации классифицируются как протокол внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol, IGP) или протокол внешнего шлюза (Exterior Gateway Protocol, EGP).

Протокол внутреннего шлюза управляет маршрутизацией в пределах сети или группы сетей одного владельца, носящей название "автономная система". Внутри автономных систем имеется только список сетей, входящих в автономную систему, и известны точки взаимодействия с внешним миром.

Протокол внешнего шлюза отвечает за маршрутизацию между автономными системами.

На сегодняшний день широко используются следующие протоколы маршрутизации:

• RIP (Routing Information Protocol) – протокол данных маршрутизации. Устаревший протокол. Тем не менее, достаточно широко распространен благодаря утилите routed, которая является стандартной программой для операционных систем UNIX-семейства;

• OSPF (Open Shortest Path First) – протокол выбора кратчайшего пути. Протокол промышленного уровня. Рассчитан на крупные сети со сложной топологией. Более гибок, чем протокол RIP, однако по сравнению с ним сложнее в администрировании;

• IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) – протокол маршрутизации внутреннего шлюза. Используется маршрутизаторами CISCO. По всей видимости, скоро сойдет со сцены;

• EGP (Exterior Gateway Protocol) – протокол внешнего шлюза. Старый протокол времен зарождения Интернета. Практически вытеснен протоколом BGP;

• BGP (Border Gateway Protocol) – протокол граничного шлюза. Протокол, в отличие от EGP, поддерживает сложную топологию сети. Имеет возможность широкой настройки стратегии маршрутизации;

• DVMRP (Vector Multicast Routing Protocol) – протокол групповой маршрутизации по вектору расстояния;

• RIP, OSPF и IGRP – внутренние протоколы; EGP и BGP – внешние протоколы.

Адресация в TCP/IP

Каждый компьютер в сети IP имеет адреса трех уровней:

1. Локальный адрес узла, определяемый технологией (например, Ethernet), с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети – это МАС-адрес (Media Access Control) сетевого адаптера. МАС-адреса назначаются производителями оборудования и являются (теоретически) уникальными адресами, т. к. управляются централизованно, однако большинство производителей Ethernet-карт предоставляют утилиту для переназначения МАС-адреса. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет 6-байтовый формат: старшие 3 байта – идентификатор фирмы-производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем.

• IP-adpec, состоящий из 4 байтов (стандарт IPv4) или 16 байтов (стандарт IPv6). Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования сети. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального подразделения Интернета (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Интернета.

• Символьный идентификатор-имя, например, tosser.mail.ru. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени фирмы, имени домена. Такой идентификатор-имя используется на прикладном уровне, например, в протоколе FTP.

IP-адрес состоит из двух частей: сетевой части и адреса хоста. На основании сетевой части адреса принимается решение о сетевой маршрутизации. Адрес хоста однозначно определяет сетевое устройство, которое, в большинстве случаев, совпадает с хостом (как обычно, не обойтись без исключений – некоторые компьютеры имеют несколько IP-адресов). Стандартно IP-адреса записываются как десятичные числа (по одному на каждый байт адреса), разделенные точками. К примеру, 192.168.44.2. Однако не все сетевые адреса могут использоваться для назначения их компьютерам. Исключениями являются адреса 0.0.0.0, 127.0.0.1, 255.255.255.255 и некоторые другие. Существует несколько классов сетевых адресов (табл. 3.6).

Таблица 3.6. Распределение сетевых адресов по классам сетей

* В колонке «Формат» буквы С обозначают сетевую часть адреса, а буквы М – его компьютерную часть.

Выделением IP-адресов занимается служба регистрации информационного центра InterNIC, но если необходимо получить 4–5 IP-адресов, то их вполне может предоставить любой интернет-провайдер. Однако не все адреса предназначены для доступа из Интернета. Существует группа адресов, предназначенных для использования только в локальных сетях. Вот эти адреса:

• 10.0.0.0-10.255.255.255

• 172.16.0.0-172.31.255.255

• 192.168.0.0-192.168.255.255

Как можно видеть, это адреса классов А, В и С соответственно.

Несколько IP-адресов имеют специальное значение:

• адрес, в котором сетевая часть содержит нули, соответствует хосту в локальной сети. Например, 0.0.0.145 соответствует рабочей станции 145 в локальной сети, а адрес 0.0.0.0 – текущему хосту;

• сеть с адресом 127.Х.Х.Х – является фиктивной сетью, не имеющей никаких аппаратных сетевых интерфейсов и состоящей только из локального компьютера. Адрес 127.0.0.1 всегда обозначает текущую машину и имеет символическое имя localhost;

• адрес, содержащий в какой-либо части число 255, обозначает широковещательный адрес. Например, пакет, посланный по адресу 192.168.3.255, будет отослан всем компьютерам в сети 192.168.3, а пакет, посланный по адресу 255.255.255.255, отправится по всем компьютерам Интернета.

Символьные имена Интернета имеют следующую структуру:

Имя_компьютера.домен3уровня.домен2уровня.домен1уровня

Например: www.rambler.ru, www.yahoo.com, www.fklan.com.ua.

Домены первого уровня стандартизированы и состоят из двух или трех букв латинского алфавита. Правда, в последнее время вводятся домены первого уровня, состоящие из более чем трех букв, но пока массового распространения они не получили. Как правило, домен первого уровня может иметь имя типа com, org, net, mil или двухсимвольного названия страны, за которой закреплен домен: ru – Россия, иа – Украина, uk – Великобритания. Относительно имени домена второго уровня строгих правил нет. Для доменов первого уровня типа com домен второго уровня имеет имя компании или фирмы. Для домена страны правило именования несколько другие. В частности, для России имя домена второго уровня определяется покупателем -k примеру, exler.ru, а для Украины имя домена второго уровня – это либо название областного центра (odessa.ua), либо имя типа com, org, net, mil. Похожая ситуация наблюдается и в других странах – Швеция, Франция, Германия имена доменов второго уровня жестко не закрепляют, а Великобритания, Тайвань, Япония – закрепляют.

Протокол адресации ARP/RARP

Не смотря на то, что адресация IP-пакетов осуществляется при помощи IP-адресов, при передаче данных с компьютера на компьютер необходимо использовать аппаратные МАС-адреса (конечно, кроме тех случаев, когда используется соединение типа «точка-точка»). Для определения соответствия аппаратных МАС-адресов IP-адресам служит протокол ARP (Address Resolution Protocol) – протокол преобразования адресов. Он применяется в сетях любых типов, использующих широковещательный режим. ARP можно применять только в пределах одной сети. Однако это не мешает передавать пакет через несколько сетей, просто при прохождении пакетом маршрутизатора, он определяет новый МАС-адрес приемника. Каждый компьютер в сети создает кэш ARP, который содержит последние запросы.

Иногда аппаратные адреса необходимо транслировать в IP-адреса. Для этого используется протокол RARP (Reverse Address Resolution Protocol, обратный протокол преобразования адресов).

Протокол ICMP

Протокол ICMP – межсетевой протокол управления сообщениями (Internet Control Message Protocol) отвечает за низкоуровневую поддержку протокола IP, включая подтверждение получения сообщения, сообщения об ошибках и многое другое. В какой-то мере может использоваться для маршрутизации пакетов.

Протоколы транспортного уровня

Протоколы транспортного уровня базируются на протоколе IP. Существуют два протокола транспортного уровня – TCP и UDP. Эти протоколы обеспечивают передачу данных с заданными характеристиками между источником и приемником данных. Эти протоколы вводят новый уровень адресации, так называемый номер порта (port number), который определяет, какому процессу на хосте передаются данные. Номера портов занимают два байта. Существует список соответствия номеров портов приложениям, определенный в RFC1700 (Request For Comments, запрос для пояснений. Данные документы описывают стандарты протоколов Интернета и их взаимодействия). Некоторые зарезервированные порты приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7. Сервисы и закрепленные за ними порты

Протокол TCP

Протокол TCP поддерживает надежную передачу данных с предварительным установлением связи между источником и приемником информации. На базе этого протокола реализована большая часть протоколов уровня приложений.

Протокол TCP имеет следующие характеристики, обуславливающие его широкое использование:

• перед началом передачи данных протокол создает канал между источником и приемником информации путем передачи запроса на начало сеанса и получение ответа. По окончании передачи данных сеанс должен быть явно завершен путем передачи соответствующего запроса;

• доставка данных является надежной. Перед отправкой следующего пакета источник информации должен получить подтверждение о приеме предыдущего пакета от приемника информации;

• возможность управления потоком данных;

• возможность доставки экстренных данных.

Эти возможности позволяют программам, использующим протокол TCP, не заботиться об организации надежной передачи данных. С другой стороны, использование этого протокола приводит к уменьшению скорости передачи данных.

Протокол UDP

Протокол UDP обеспечивает логический канал между источником и приемником данных без предварительного установления связи. То есть пакеты, передаваемые по протоколу UDP, не зависят друг от друга, и никакого подтверждения доставки пакета протоколом не предусматривается. Это сильно напоминает бросание бутылки с запиской в море – авось дойдет. Поэтому программы, использующие этот протокол, должны сами организовывать проверку факта доставки информации. Однако благодаря своей простоте протокол UDP может при нормальных условиях передать гораздо больше информации, чем парный ему протокол TCP.

В качестве примера приведем несколько приложений, использующих протокол U DP:

• сервер DNS;

• программы, использующие протокол синхронизации времени NTP;

• программы, использующие протокол удаленной загрузки ВООТР.

Для всех перечисленных программ предполагается, что в случае утери пакета необходимые действия (повторная посылка пакета, выдача сообщения и тому подобные действия) осуществляются самими программами. В случае необходимости гарантированной доставки данных используется протокол TCP.

Протоколы уровня приложений

Последний, четвертый уровень – уровень приложений. К сожалению, почти каждый разработчик программ, использующих протокол уровня приложения, изобретает свой протокол или модифицирует уже существующие. Однако существует некий костяк протоколов, описанный в соответствующих RFC. В зависимости от используемого протокола транспортного уровня протоколы уровня приложений либо полагаются на надежную доставку данных (протокол TCP), либо придумывают свой способ контроля достоверности данных (при использовании протокола UDP). Большая часть протоколов уровня приложений в качестве команд используют обычные английские слова (к примеру, протокол SMTP, HTTP), что значительно упрощает отладку приложений.

Протокол FTP

Протокол передачи файлов. Используется для организации и приема файлов. Позволяет просматривать каталоги и файлы, переименовывать их, удалять и т. п. При пересылке файлов контролирует их целостность. Существует «младший брат» протокола FTP – TFTP, который намного проще в реализации, и, в основном, используется для загрузки информации на бездисковые рабочие станции.