10.Архитектура протоколов tcp/ip. Области применения. Протоколы прикладного уровня.

TCP/IP – это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей, но широко используемый и в локальных сетях. Аббревиатура TCP/IP включает обозначение двух базовых протоколов, на основе которых строится сеть: TCP (Transmission Control Protocol ) – протокол управления передачей и IP (Internet Protocol) – межсетевой протокол. В целом же стек протоколов TCP/IP включает протоколы четырех уровней (прикладного, транспортного сетевого и уровня доступа или уровня сетевых интерфейсов), которые примерно соответствуют трем одноименным уровням ЭМВОС (кроме последнего уровня сетевых интерфейсов, который иногда условно соотносят к 2-му уровню ЭМВОС). Собственного физического уровня и даже уровня звена данных стек TCP/IP не имеет и использует в качестве транспортной среды между узлами коммутации (шлюзами/маршрутизаторами) другие сети или выделенные каналы.

Из числа популярных современных технологий построения телекоммуникационных сетей технология TCP/IP выделяется тем, что формирует свою архитектуру не снизу вверх (от физической среды к прикладным процессам), а сверху вниз (от прикладных процессов к физической среде). Даже нумеруются уровни стека TCP/IP традиционно не снизу вверх (как в ЭМВОС), а сверху вниз (римскими цифрами). Причем подобно тому, как другие технологии построения ТКС, «не доходят» до верхнего прикладного уровня, технология TCP/IP «не доходит» до нижнего физического уровня. Однако обе группы технологий (в отсутствие промышленно освоенных протоколов OSI верхних уровней) хорошо стыкуются (на сетевом уровне или на уровне звена данных), дополняя друг друга и образуя полноценные современные информационные сети, способные предоставлять широкий набор услуг, пополняющийся каждый год все новыми и новыми. И в основном благодаря универсальности («всеядности») TCP/IP, как с точки зрения используемых разнообразных транспортных сетей, так и с точки зрения многочисленных обслуживаемых прикладных процессов.

Базовые протоколы TCP/IP были созданы в начале 70-х годов на основе разработок агентства перспективных научных исследований ARPA (Advanced Research Projects Agency) по заказу Министерства Обороны США (DoD – Department of Defense) – иногда к аббревиатуре ARPA добавляют буку D – DARPA, чтобы подчеркнуть причастность разработок к оборонному ведомству Defense. Созданная на основе технологии TCP/IP и поддерживаемая государственными субсидиями сеть ARPANET существовала до 1990г, а затем распалась на отдельные (но взаимосвязанные) коммерческие и государственные сети, превратившиеся со временем (но довольно быстро) во всемирную и хорошо ныне всем известную глобальную «сеть сетей» Интернет (Internet).

Интернет не имеет единого «хозяина» или административно-финансового руководящего центра. Но децентрализованное функционирование сети (состоящей из множества частных, ведомственных и национальных сетей разной государственной принадлежности) координируется специальными международными организациями сети Интернет:

Протоколы TCP/IP также широко используются автономно в ведомственных и корпоративных сетях (в том числе военного назначения), именуемых обычно несколько отличающимся от «Интернет» словом «интранет» («intranet»).

Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. В дальнейшем и другие операционные системы стали включать в свой состав стек TCP/IP, в частности, ОС Windows компании Microsoft, начиная с версий Windows - NT 3.5 и Windows ‑ 95.

В настоящее время стек TCP/IP является самым популярным средством организации ассоциативных (объединенных, составных) сетей. В компьютерных сетях исторически конкуренцию IP-сетям (именно так обычно называют сети, построенные на основе технологии TCP/IP) составляли сети IPX, NetBEUI, SNA и ряд других. До 1996 года бесспорным лидером был стек IPX/SPX компании Novell, но затем картина резко изменилась – стек TCP/IP по темпам роста числа установок намного стал опережать другие стеки, а с 1998 года вышел в лидеры и в абсолютном выражении.

Типовая структура и состав сети TCP/IP показаны на рис.2.15. Данный рисунок составлен так, чтобы показать сходство и отличия сетей TCP/IP по отношению к сетям Х.25 и FR.

Основными элементами сети TCP/IP являются оконечные устройства (компьютеры) и узлы коммутации, а также связывающие их между собой каналы физической среды передачи.

Узлы коммутации, обозначенные на рис.2.15 как ЦКП, представляют собой маршрутизаторы IP-пакетов (в сети Интернет их принято называть шлюзами, что не совсем корректно с точки зрения современных сетевых представлений), а в роли физической среды обычно выступают различные сети, построенные на других сетевых технологиях (LAN или WAN) и со своими ПБД от уровня звена данных и выше, в которые инкапсулируются IP-пакеты для передачи от одного маршрутизатора к другому (или от оконечного устройства к ближайшему маршрутизатору). Для соединения маршрутизаторов между собой и с оконечными устройствами используются также выделенные (или коммутируемые) цифровые каналы, но обязательно в сочетании с вспомогательными протоколами пакетной передачи данных типа «точка-точка», в ПБД которых можно инкапсулировать IP-пакеты (например, PPP – см. далее).

В сети Интернет различают не только отдельные сети, но и более крупные объединения – автономные системы. Автономная система (Autonomous System) – это совокупность сетей под единым административным управлением, обеспечивающим общую для всех входящих в автономную систему маршрутизаторов политику маршрутизации. Обычно автономной системой управляет один поставщик услуг Интернета. Первоначально в сети Интернет существовала одна особая автономная система (на территории США), выполняющая функции магистрали, к которой присоединялись другие автономные системы, образуя древовидную структуру. По мере развития Интернета для повышения его эффективности постоянно возникала потребность в прямых связях между автономными системами. В итоге сегодня Интернет представляет собой объединение равноправных автономных систем с произвольной топологией связей.

Подключение оконечных устройств к ближайшему IP-маршрутизатору осуществляется по выделенному цифровому каналу или через сети абонентского доступа, в роли которых могут выступать сети LAN и WAN, построенные на самых разных технологиях.

Рис.2.15. Типовая структура и состав сети TCP/IP

Рис.2.16. Архитектура сети TCP/IP

Прикладной уровень (иногда его называют уровнем приложений – application layer) объединяет службы, предоставляющие телекоммуникационные услуги различным пользовательским приложениям. В основном соответствует прикладному уровню ЭМВОС, но поскольку ниже него сразу располагается транспортный уровень, то считается, что он выполняет также функции уровня представления данных и сеансового уровня (хотя это не совсем верно – прикладным уровнем данные функции, скорее всего, просто игнорируются). Протоколы прикладного уровня ориентированы на конкретные службы. Они определяют как процедуры по организации взаимодействия определенного типа между прикладными процессами, так и форму представления информации при таком взаимодействии.

Основными протоколами прикладного уровня являются:

Telnet (tele – далеко, net – сеть) – протокол удаленного доступа, обеспечивающий посимвольный (побайтный) обмен информацией (в кодах ASCII – American Standard Code for Information Interchage) между терминалами и внутрисетевыми элементами (узлами, компьютерами-хостами). Передача осуществляется с использованием протокола TCP. По своим функциям Telnet похож на протокол Х.28 в сети Х.25 (см. пункт 2.2.1). Работа с протоколом на компьютере напоминает работу с программой Hyper Terminal в ОС Windows.

FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов. Распространен также широко как Telnet. Является одним из старейших протоколов семейства TCP/IP. Так же как Telnet он пользуется транспортными услугами TCP.

TFTP (trivial FTP) – простейший протокол передачи файлов. Использует транспортные услуги UDP. Так как UDP не обеспечивает Распространен также широко как Telnet. Является одним из старейших протоколов семейства TCP/IP. Так же как Telnet он пользуется транспортными услугами TCP.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол передачи почты. Поддерживает передачу сообщений (электронной почты) между узлами сети (почтовыми серверами). Имея механизмы промежуточного хранения почты и механизмы повышения надежности доставки, протокол SMTP допускает использование различных транспортных служб. Он может работать даже в сетях, не использующих протоколы семейства TCP/IP.

NFS (Network File System) – сетевая файловая система. Использует транспортные услуги UDP и позволяет монтировать в единое целое файловые системы нескольких машин с ОС UNIX. Бездисковые рабочие станции получают доступ к дискам файл-сервера так, как будто это их локальные диски.

SNMP (Simple Network Management Protocol) – простой протокол управления сетью. Использует транспортные услуги UDP и предназначен для использования сетевыми управляющими станциями. Он позволяет управляющим станциям собирать информацию о положении дел в сети Internet. Протокол определяет формат данных, их обработка и интерпретация остаются на усмотрение управляющих станций или менеджера сети.

X-Window – протокол многооконного отображения графики и текста на растровых дисплеях рабочих станций (соответствует оконному интерфейсу в операционных системах UNIX и LINUX). Использует транспортные услуги TCP.

HTTP (Hyper Text Transport Protocol) – протокол передачи гипертекстовой информации. Основа формирования всемирной информационной службы (всемирной информационной паутины) – WWW (World Wide Web). Использует транспортные услуги TCP.

RTP (Real-time Transport Protocol) – протокол передачи данных в реальном времени. Разработан для обеспечения передачи аудио- и видеосигналов по сети Интернет с ограниченной допустимой задержкой (IP-телефония). Использует транспортные услуги UDP. Тесно связан с еще одним протоколом прикладного уровня – RTCP (Real-time Transport Control Protocol) – протоколом управления передачей в реальном времени. С помощью данного протокола прикладные программы могут приспосабливаться к изменению нагрузки на сеть. Например, в случае перегрузки, получив сигнал RTCP, алгоритм кодирования речи может увеличить сжатие (снизив качество).