Уровни

Сетевые протоколы обычно разрабатываются по уровням, причем каждый уровень отвечает за собственную фазу коммуникаций. Семейства протоколов, такие как TCP/IP, это комбинации различных протоколов на различных уровнях. TCP/IP состоит из четырех уровней, как показано на рисунке 1.1.

Прикладной	Telnet, FTP, e-mail и т.д.
Транспортный	TCP,UDP
Сетевой	IP, ICMP, IGMP
Канальный	драйвер устройства и интерфейсная плата

Рисунок 1.1 Четыре уровня протоколов TCP/IP.

Каждый уровень несет собственную функциональную нагрузку.

Канальный уровень (link layer). Еще его называют уровнем сетевого интефейса. Обычно включает в себя драйвер устройства в операционной системе и соответствующую сетевую интерфейсную плату в компьютере. Вместе они обеспечивают аппаратную поддержку физического соединения с сетью (с кабелем или с другой используемой средой передачи).
Сетевой уровень (network layer), иногда называемый уровнем межсетевого взаимодействия, отвечает за передачу пакетов по сети. Маршрутизация пакетов осуществляется именно на этом уровне. IP (Internet Protocol - протокол Internet), ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управления сообщениями Internet) и IGMP (Internet Group Management Protocol - протокол управления группами Internet) обеспечивают сетевой уровень в семействе протоколов TCP/IP.
Транспортный уровень (transport layer) отвечает за передачу потока данных между двумя компьютерами и обеспечивает работу прикладного уровня, который находится выше. В семействе протоколов TCP/IP существует два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). TCP осуществляет надежную передачу данных между двумя компьютерами. Он обеспечивает деление данных, передающихся от одного приложения к другому, на пакеты подходящего для сетевого уровня размера, подтверждение принятых пакетов, установку тайм-аутов, в течение которых должно прийти подтверждение на пакет, и так далее. Так как надежность передачи данных гарантируется на транспортном уровне, на прикладном уровне эти детали игнорируются. UDP предоставляет более простой сервис для прикладного уровня. Он просто отсылает пакеты, которые называются датаграммами (datagram) от одного компьютера к другому. При этом нет никакой гарантии, что датаграмма дойдет до пункта назначения. За надежность передачи данных, при использовании датаграмм отвечает прикладной уровень. Для каждого транспортного протокола существуют различные приложения, которые их используют.
Прикладной уровень (application layer) определяет детали каждого конкретного приложения. Существует несколько распространенных приложений TCP/IP, которые присутствуют практически в каждой реализации:

Telnet - удаленный терминал
FTP, File Transfer Protocol - протокол передачи файлов
SMTP, Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи электронной почты
SNMP, Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью.

Если у нас есть два компьютера в локальной сети, (например, Ethernet) и на обоих запущен FTP, то данные протоколы будут работать так, как показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Два хоста в локальной сети с работающим FTP.

Мы пометили один квадратик на прикладном уровне как FTP клиент, а другой как FTP сервер. Большинство сетевых приложений работают именно таким образом, то есть, на одном конце клиент, а на другом сервер. Сервер предоставляет некоторые типы сервиса клиентам. В данном случае это доступ к файлам на сервере. Telnet предоставляет сервис, позволяющий клиенту зайти на сервер удаленным терминалом.

Каждый уровень имеет один или несколько протоколов, который позволяет общаться с удаленным узлом на том же уровне. Один протокол, например, позволяет общаться двум TCP уровням, а другой протокол обеспечивает коммуникации между двумя IP уровнями.

С правой стороны на рисунке 1.2 мы видим, что прикладной уровень обеспечивается пользовательским процессом, тогда как три нижних уровня обычно встроены в ядро операционной системы. Несмотря на то, что возможны и другие способы реализации, во всех UNIX системах все построено именно по такому принципу.

Существует еще одно отличие между верхним уровнем и тремя нижними уровнями, приведенными на рисунке 1.2. Прикладной уровень обычно является приложением и взаимодействует с пользователем, а не занимается передачей данных по сети. Три нижних уровня ничего не знают о работающих над ними приложениях, однако отвечают за все детали коммуникаций.

На рисунке 1.2 мы показали четыре протокола, каждый на своем уровне. FTP это протокол прикладного уровня, TCP - протокол транспортного уровня, IP - протокол сетевого уровня, а протоколы Ethernet обеспечивают канальный уровень. Семейство протоколов TCP/IP объединяет в себе множество протоколов, однако наиболее часто используемые названия для данного семейства это TCP/IP, TCP и IP (иногда семейство называют Семейство Протоколов Internet).

Цели, решаемые сетевым и прикладным уровнями, различны - первый обеспечивает взаимодействие с различными средами передачи (Ethernet, Token ring, и т.д.), второй работает с конкретными пользовательскими приложениями (FTP, Telnet, и т.д.). На первый взгляд, разница между сетевым и транспортным уровнями достаточно туманна. На основании чего между ними проводится разграничение? Чтобы понять это, мы рассмотрим не одну отдельно взятую сеть, а несколько сетей.

Одной из причин феноменального роста сетевых технологий в течение 80-х годов явилось понимание того, что отдельно стоящий компьютер практически бесполезен. Несколько отдельных систем были объединены вместе в сеть. Однако, как выяснилось позже, а именно в 90-х годах, отдельно стоящая сеть также практически бесполезна. Поэтому люди начали объединять сети вместе. Именно результат такого объединения получил название internet (межсетевое взаимодействие). internet это несколько объединенных сетей, которые используют одно и то же семейство протоколов.

Наиболее простой путь осуществить межсетевое взаимодействие - это объединить две или более сетей с помощью маршрутизатора. Как правило, маршрутизатор представляет из себя аппаратное устройство. Огромное достоинство маршрутизаторов заключается в том, что они могут объединить сети, построенные на различных физических принципах: Ethernet, Token ring, point-to-point, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), и так далее.

Эти устройства также иногда называются IP маршрутизаторами (IP router), однако мы будем использовать термин маршрутизатор (router).

Исторически эти устройства назывались шлюзами (gateway), и этот термин до сих пор широко используется в литературе о TCP/IP. Сегодня чаще всего термин шлюз используется для обозначения шлюза между приложениями: процесс, который объединяет два различных семейства протоколов (скажем, TCP/IP и IBM SNA) в одном конкретном приложении (чаще всего это электронная почта или передача файлов).

На рисунке 1.3 показано объединение двух сетей: Ethernet и Token ring с помощью маршрутизатора. Несмотря на то что мы показали связь только между двумя компьютерами, подсоединенными к маршрутизатору из разных сетей, любой компьютер в Ethernet может общаться с любым компьютером в Token ring.

На рисунке 1.3 мы также можем проследить разницу между конечной системой (end system), в данном случае это два компьютера на каждой стороне, и промежуточной системой (intermediate system), в данном случае это маршрутизатор в середине. Прикладной и транспортный уровни используют протоколы, ориентированные на соединение (end-to-end). На рисунке эти два уровня используются только конечными системами. Сетевой уровень, однако, использует протокол, не требующий соединения (пересылка-за-пересылкой - hop-by-hop), он используется в данном случае двумя конечными системами и каждой промежуточной системой.

Рисунок 1.3 Две сети, соединенные через маршрутизатор.

В семействе протоколов TCP/IP сетевой уровень - IP. Он предоставляет ненадежный сервис. Это означает, что в процессе своей работы протокол передает пакет от источника к пункту назначения, однако не предоставляет никаких гарантий того, что пакет дойдет по назначению. TCP, с другой стороны, предоставляет надежный транспортный уровень, который пользуется ненадежным сервисом IP. Чтобы обеспечить подобный сервис, TCP выставляет тайм-ауты и осуществляет повторные передачи, отсылает и принимает подтверждения и так далее. Транспортный уровень и сетевой уровень несут различную ответственность за передачу данных.

Маршрутизатор, по определению, имеет два или несколько интерфейсов сетевого уровня (если он объединяет две или более сетей). Любая система с несколькими интерфейсами называется многоинтерфейсной (multihomed). Компьютер, имеющий несколько интерфейсов, но не перенаправляющий пакеты с одного интерфейса на другой, не может называться маршрутизатором. Большинство реализаций TCP/IP позволяют компьютерам с несколькими интерфейсами функционировать в качестве маршрутизаторов. Однако компьютеры должны быть специально сконфигурированы, чтобы решать задачи маршрутизации. Таким образом, мы можем называть систему хостом, когда на нем работают такие приложения как FTP или Telnet, или маршрутизатором, когда он осуществляет передачу пакетов из одной сети в другую. В зависимости от того какие функции выполняются компьютером, мы будем использовать тот или иной термин.

Одна из основных задач объединения сетей заключается в том, чтобы скрыть все детали физического процесса передачи информации между приложениями, находящимися в разных сетях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в объединенных сетях, как, например, на рисунке 1.3, прикладные уровни не заботятся (и не должны заботиться) о том, что один компьютер находится в сети Ethernet, а другой в сети Token ring с маршрутизатором между ними. Даже если бы между сетями было 20 маршрутизаторов и различные типы физического соединения, приложения работали бы точно так же. Подобная концепция, при которой детали физического объединения сетей скрыты от приложений, определяет мощность и гибкость такой технологии объединения сетей.

Существует еще один метод объединения сетей - с помощью мостов (bridge). В этом случае сети объединяются на канальном уровне, тогда как маршрутизаторы объединяют сети на сетевом уровне.

Стоит отметить, что объединение TCP/IP сетей осуществляется в основном с помощью маршрутизаторов, а не с помощью мостов. Поэтому мы более подробно рассмотрим маршрутизаторы. В главе 12 [Perlman 1992] сравниваются маршрутизаторы и мосты.

Содержание раздела