Рис. 6.3. Обработка данных в соответствии с протоколами TCP/IP
Работу модулей TCP/IP можно сравнить со сборочным конвейером: каждый участок выполняет определенную для него задачу, полагаясь на качество работы, выполненной на предыдущем этапе.
Общая модель сетевого взаимодействия OSI
При знакомстве с семейством протоколов TCP/IP мы отметили уровневую структуру этих протоколов. Каждый из уровней выполняет строго определенную функцию, изолируя в то же время особенности этой обработки и связанные с ней данные от протоколов верхнего уровня. Четкое определение интерфейсов между протоколами соседних уровней позволяет выполнять разработку и реализацию протоколов независимо, не внося изменений в другие модули системы. Характерным примером является интерфейс между протоколом IP и протоколами транспортного уровня TCP и UDP. Хотя последние выполняют различную обработку, их взаимодействие с IP идентично.
Развитие сетевых технологий и связанных с ними протоколов обмена данными наглядно показало необходимость стандартизации этого процесса. Вместе с тем было очевидно, что единый стандарт на все случаи жизни не может решить подобную задачу. Очевидно также, что коммуникационная архитектура должна иметь модульную структуру, в которой модули обладают стандартными интерфейсами взаимодействия и могут подключаться в соответствии с этими интерфейсами, образуя "конвейер" обработки данных. Все это позволяет считать наиболее жизнеспособным подход, когда в рамках общей модели или архитектуры сетевого взаимодействия стандартизируются интерфейсы и функциональность отдельных модулей.
Такая общая модель была принята в 1983 году Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), и получила название модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель является основой для объединения разнородных компьютеров в гетерогенную сетевую инфраструктуру. Данная архитектура определяет возможность установления соединения между любыми двумя системами, удовлетворяющими модели и поддерживающими соответствующие стандарты.
В модели OSI, как и в TCP/IP, общая функциональность системы разделена на несколько уровней, каждый из которых выполняет свою часть функций, необходимых для установления соединения с парным ему уровнем удаленной системы. В то же время каждый из уровней выполняет определенную обработку данных, реализуя набор услуг для уровня выше. Описание услуг и формат их предоставления определяются внутренним протоколом взаимодействия соседних уровней и определяют межуровневый интерфейс.
Модель OSI состоит из семи уровней, краткое описание которых приведено в табл. 6.1.
Таблица 6.1. Семь уровней модели OSI
Название уровня Описание Уровень приложений (Application layer) Обеспечивает пользовательский интерфейс доступа к распределенным ресурсам Уровень представления (Presentation layer) Обеспечивает независимость приложений от различий в способах представления данных Уровень сеанса (Session layer) Обеспечивает взаимодействие прикладных программ в сети Транспортный уровень (Transport layer) Обеспечивает прозрачную передачу данных между конечными точками сетевых коммуникаций. Отвечает за восстановление ошибок и контроль за потоком данных Сетевой уровень (Network layer) Обеспечивает независимость верхних уровней от конкретной реализации способа передачи данных по физической среде. Отвечает за установление, поддержку и завершение сетевого соединения Уровень канала данных (Data link layer) Обеспечивает надежную передачу данных по физической сети. Отвечает за передачу пакетов данных — кадров и обеспечивает необходимую синхронизацию, обработку ошибок и управление потоком данных Физический уровень (Physical layer) Отвечает за передачу неструктурированного потока данных по физической среде. Определяет физические характеристики среды передачи данных
Рассмотрим процесс передачи данных между удаленными системами в рамках модели OSI. Пусть пользователю А системы C1 необходимо передать данные приложению В системы C2. Обработка прикладных данных начинается на уровне приложения. Уровень приложения передает обработанные данные и управляющую информацию на следующий уровень — уровень представления и т.д., пока данные наконец не достигнут физического уровня и не будут переданы по физической сети. Система C2 принимает эти данные и обрабатывает их в обратном порядке, начиная с физического уровня и заканчивая уровнем приложения, после чего исходные прикладные данные будут получены пользователем В.
Для того чтобы каждый уровень мог правильно обработать полученные данные, последние содержат также управляющую информацию. Эта управляющая информация интерпретируется только тем уровнем, для которого она предназначена, в соответствии с его протоколом, и невидима для других уровней: для верхних, потому что после обработки она удаляется, а для нижних — потому, что представляется им как обычные данные. Благодаря этому каждый уровень по существу общается с расположенным на удаленной системе равным (peer) ему уровнем. Таким образом, взаимодействие между удаленными системами можно представить состоящим из нескольких логических каналов, соответствующих уровням модели, передача данных в каждом из которых определяется протоколом своего уровня.
Так физический уровень и уровень канала данных обеспечивают коммуникационный канал сетевому уровню, который, в свою очередь, предоставляет связность объектам транспортного уровня и т.д.
Нетрудно заметить, что модель TCP/IP отличается от модели OSI. На рис. 6.4 показана схема отображения архитектуры TCP/IP на модель OSI. Видно, что соответствие существует для уровня Internet (сетевой уровень) и транспортного уровня. Уровни сеанса, представления и приложений OSI в TCP/IP представлены одним уровнем приложений. Обсуждение соответствия двух моделей носит весьма теоретический характер, поэтому мы перейдем к более ценному для практики обсуждению прекрасно зарекомендовавших себя протоколов Internet.
Рис. 6.4. Соответствие между моделями TCP/IF и OSI
Протокол IP
Межсетевой протокол (Internet Protocol, IP) обеспечивает доставку фрагмента данных (датаграммы) от источника к получателю через систему связанных между собой сетей. В протоколе IP отсутствуют функции подтверждения, контроля передачи, сохранения последовательности передаваемых датаграмм и т.д. В этом смысле протокол IP обеспечивает потенциально ненадежную передачу. Надежность и прочие функции, отсутствующие у IP, при необходимости реализуются протоколами верхнего уровня. Например, протокол TCP дополняет IP функциями подтверждения и управления передачей, позволяя приложениям (или протоколам более высокого уровня) рассчитывать на получение упорядоченного потока данных, свободных от ошибок. Эта функциональность может быть реализована и протоколами более высокого уровня, как например это сделано в реализации распределенной файловой системы NFS, традиционно работающей на базе "ненадежного" транспортного протокола UDP. При этом работа NFS в целом является надежной.
В рамках модели OSI протокол IP занимает 3-й уровень и, таким образом, взаимодействует с протоколами управления передачей снизу и транспортными протоколами сверху. В рамках этой модели IP выполняет три основные функции: адресацию, фрагментацию и маршрутизацию данных.
Данные, формат которых понятен протоколу IP, носят название датаграммы (datagram), вид которой приведен на рис. 6.5. Датаграмма состоит из заголовка, содержащего необходимую управляющую информацию для модуля IP, и данных, которые передаются от протоколов верхних уровней и формат которых неизвестен IP. Вообще говоря, термин "датаграмма" обычно используется для описания пакета данных, передаваемого по сети без установления предварительной связи (connectionless).
Рис. 6.5. IP-датаграмма
Протокол IP обрабатывает каждую датаграмму как самостоятельный объект, не зависящий от других передаваемых датаграмм. Для датаграмм неприменимы виртуальные каналы или другие логические тракты передачи.
Модули IP производят передачу датаграммы по направлению к получателю на основании адреса, расположенного в заголовке IP-датаграммы. Выбор пути передачи датаграммы называется маршрутизацией.
