Описание стека протоколов OSI и TCP/IP

Адрес порта

Адрес IP и физический адрес необходимы для порции данных, перемещающихся от источника до хоста пункта назначения. Однако прибытие в хост пункта назначения — не конечная цель обмена сообщениями данных в Интернете. Система, которая передает только данные от одного компьютера до другого, не может считаться законченной. Сегодня компьютеры — устройства, которые могут выполнить множество процессов в одно и то же время. Конечная цель сети Интернет — коммутация процесса, работающего с другим процессом. Например, компьютер A общается с компьютером C, используя TELNET. В то же самое время компьютер A общается с компьютером с использованием протокола передачи файлов FTP. Для этих процессов, возникающих одновременно, нам надо иметь метод, позволяющий маркировать различные процессы.

Другими словами, процессы нуждаются в адресах. В архитектуре TCP/IP метка, назначаемая процессу, названа адресом порта. Адрес порта в TCP/IP — 16 битов длиной.

Пример 3

Рис. 1.8. показывает пример обмена сообщениями транспортного уровня. Данные, прибывающие от верхних уровней, имеют адреса порта j и k ( j — адрес процесса передачи, k — адрес процесса приема). В примере предполагается, что размер данных является большим, чем может обработать сетевой уровень, данные разбиты на два пакета, каждый пакет сохраняет адреса сервисной точки ( j и k ). Затем, на сетевом уровне, сетевые адреса (A и P) добавляются к каждому пакету. Пакеты могут перемещаться различными путями и достигнуть пункта назначения либо в том же порядке, либо в другом. Эти два пакета доставляются транспортному уровню пункта назначения, который отвечает за удаление заголовка сетевого уровня и объединение двух частей данных для доставки к верхним уровням.

Рис. 1.8. Адреса портов

Символьные (доменные) адреса

Символьные (доменные) адреса предназначены для людей. Для работы в больших сетях символьные адреса имеют сложную иерархическую структуру, содержащую имя пользователя, имя подсети (поддомена), символьное имя страны или организации (домена). Например, адрес Ivan.Sidorov@sk.sut.ru обозначает, что адресат (Иван Сидоров) находится в подсети sk сети sut в России - ru (впрочем, возможно и не в России), а адрес www.protocols.com – адрес домена коммерческой организации (как правило коммерческой).

Подробнее принципы адресации рассмотрены в следующей лекции.

Версии TCP/IP

TCP/IP стал официальным протоколом для Интернета в 1983-м и развивался вместе с развитием Интернета. Исторически существовало шесть версий TCP/IP. Здесь мы рассмотрим последние три версии.

Версия 4

Большинство сетей в Интернете в настоящее время использует версию 4. Однако она имеет существенные недостатки. Главный из них — это проблема с адресом Интернета: только 32 бита длины в адресном пространстве, разделенном на различные классы. С быстрым ростом Интернета 32 бит уже не достаточно, чтобы оснастить проектируемое число пользователей. Также и разделение места в различных классах ограничивает в дальнейшем доступные адреса.

Версия 5

Версия 5 была предложением, основанным на модели OSI. Она никогда так и не вышла из рамок предложения из-за обширного уровня изменений и проектируемых расходов.

Версия 6

Набор протоколов сетевого уровня TCP/IP — IPv4 (Internet Protocols, version 4) имеет недостатки, которые делают его неподходящим для быстрого роста. Некоторые из них перечислены ниже.

1. IPv4 имеет двухуровневую структуру адреса ( netid – сетевой идентификатор и hostid – идентификатор хоста), разделенную на пять классов (A, B, C, D и E). Это приводит к неэффективному использованию адресного пространства. Например, организации, которая имеет класс адресов A, предоставляется 16 миллионов адресов из адресного пространства для эксклюзивных пользователей. Если организации это много, то следующая градация — класс B — предоставляет адресное пространство 32000 адресов, а это уже может оказаться мало. Поэтому приходится использовать адресное пространство с избыточным числом адресов. Также миллионы адресов нерационально используются в классах D и E. Этот метод адресации исчерпал адресное пространство IPv4, и скоро не будет адресов, которые могут быть назначены новым системам для подключения к Интернету. Методы, облегчающие некоторые проблемы адресации, как это показано в предыдущих разделах, осложняют создание новых маршрутов.
2. Интернет должен обеспечивать аудио- и видеопередачу в реальном масштабе времени. Этот тип передачи требует стратегии минимальных задержек и резервирования ресурсов, не обеспечиваемых проектом IPv4.
3. Интернет должен обеспечивать шифрование и распознавание данных для некоторых приложений. В настоящее время IPv4 не предоставляет этих услуг.

Для того чтобы преодолеть эти недостатки, IETF разработал новую версию, названную версией 6. Был предложен IPv6 (IPNG — Internet Protocol next generation), который стал стандартом. В IPv6 протоколы Интернета были в значительной степени модифицированы, чтобы приспособиться к росту числа пользователей Интернета. Формат и длина IP-адресов были изменены вместе с форматом пакета.

В этой версии IPv4 (версия 4 IP) становится IPv6 (версия 6 IP), ICMPv4 становится ICMPv6, IGMP (межсетевой протокол управления группами) и ARP объединены в ICMPv6, RARP (протокол определения сетевого адреса по местоположению) удален.

IPv6, также известный как IPng (IP next generation — следующее поколение IP), использует 16-байтовые адреса (128 битов) взамен 4-байтовых адресов (32 бита), применяемых в настоящее время в версии 4. IPv6 может таким образом разместить большее число пользователей. В версии 6 формат пакета был упрощен, и в то же самое время в него внесены изменения, более гибко учитывающие будущее развитие услуг Интернета.

Родственные протоколы, такие как ICMP, были также модифицированы. Другие протоколы на сетевом уровне, такие как ARP, RARP и IGMP, были либо изъяты, либо включены в протокол ICMPv6. Протоколы маршрутизации, такие как RIP и OSPF, были также слегка модифицированы, чтобы приспособиться к этим изменениям.

Новая версия поддерживает идентификацию, целостность данных и конфиденциальность на сетевом уровне. Она разработана, чтобы обрабатывать передачу данных в реальном масштабе времени, – по принципу аудио и видео, и может доставить данные из других протоколов. IPng может также обрабатывать перегрузку и переадресовывать нагрузку лучше, чем IPv4.

Эксперты по связи предсказывают, что IPv6 и связанные с ними протоколы скоро полностью заместят текущие версии IP.

IPv6 имеет преимущества перед IPv4, некоторые из которых приведены ниже.

1. Большое адресное пространство. IPv6-адрес имеет 128 бит длины. По сравнению с 32-битовым адресом IPv4 это громадное (2⁹⁶) увеличение адресного пространства.
2. Лучший формат заголовка. IPv6 использует новый формат заголовка, в котором опции отделены от основного заголовка и вставлены, когда это нужно, между основным заголовком и данными более высокого уровня. Это упрощает и ускоряет процесс маршрутизации, потому что большинство опций не нужны для обработки маршрутизатором.
3. Новые опции. IPv6 имеет новое поле опций, дающее новые функциональные возможности.
4. Возможности для расширения. IPv6 разработан так, чтобы позволить расширить возможности протоколов, если потребуются новые технологии и применения.
5. Поддержка для размещения ресурсов. В IPv6 поле "тип услуги" не переменное, но дополнено механизмом (названным таблица потока) для обеспечения возможности источника запросить специальную обработку пакета. Этот механизм может быть использован для поддержки увеличенного или чувствительного к задержкам трафика, такого как аудио и видео, в реальном масштабе времени.
6. Поддержка большой безопасности. Опции шифрования и опознавания IPv6 обеспечивают конфиденциальность и неприкосновенность пакета.

Краткие итоги

• Международная организация по стандартизации (ISO) создала модель, называемую взаимодействием открытых систем (OSI), которая позволяет связываться между собой разнообразным системам.
• Модель OSI с семью уровнями обеспечивает рекомендации для развития универсально совместимых протоколов организации сети.
• Физический, канальный и сетевой уровни – это уровни поддержки сети.
• Сеансовый, представительский и прикладной уровни — пользовательские уровни поддержки.
• Транспортный уровень связывает уровни поддержки сети и пользовательские уровни поддержки.
• Физический уровень координирует функции, для того чтобы передать битовый поток по физической среде.
• Канальный уровень предназначен для того, чтобы доставлять модули данных от одной станции до следующей без ошибок.
• Сетевой уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения" пакета через множество сетевых линий связи.
• Транспортный уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения" полного сообщения.
• Сеансовый уровень устанавливает, обслуживает и синхронизирует взаимодействие между средствами связи.
• Уровень представления гарантирует способность к взаимодействию между средствами связи с помощью преобразования данных во взаимно согласованные форматы.
• Прикладной уровень дает возможность пользователям обратиться к сети.
• TCP/IP — иерархический набор протокола с пятью уровнями, разработанный до модели OSI.
• Прикладной уровень TCP/IP эквивалентен объединению сеансового, представительского и прикладного уровней модели OSI.
• Три типа адресов используются системами, применяющими протокол TCP/IP: физический адрес, межсетевой адрес (адрес IP) и адрес порта.
• Физический адрес, также известный как адрес связи, является адресом узла, определяемым его LAN или WAN.
• Адрес IP уникально определяет хост в Интернете.
• Адрес порта идентифицирует процесс.
• IPv6, как предполагается, в ближайшем будущем заменит IPv4.

Задачи и упражнения

1. Как OSI и ISO (Международная организация по стандартизации) связаны друг с другом?
2. Отнесите следующее к одному из семи OSI-уровней:

   а) определение маршрута,

   б) управление потоком,

   в) связь с помощью интерфейса с внешним миром,

   г) обеспечение доступа к сети для конечного пользователя,

   д) замена ASCII расширенным двоично-десятичным кодом,

   е) пакетная коммутация.
3. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:

   а) достоверная доставка сообщения процесс-процесс,

   б) выбор сети,

   в) определение кадра,

   г) обеспечение пользовательских услуг, таких как посылка по электронной почте,

   д) передача файлов,

   е) передача битового потока через физическую среду.
4. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:

   а) обмен сообщениями непосредственно с прикладной программой пользователя,

   б) исправление ошибки и повторная передача,

   в) механический, электрический и функциональный интерфейс,

   г) ответственность за информацию между смежными узлами,

   д) повторная сборка пакетов данных.
5. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:

   а) формат и услуги преобразования кода,

   б) установка, управление и завершение сеанса,

   в) гарантия достоверной передачи данных,

   г) процедуры входа в систему и выхода из системы,

   д) обеспечение независимости от разницы в представлении данных,

   е) синхронизация пользователей.
6. Доменная система имен, или DNS — прикладная программа в наборе протокола TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в модели OSI. Сравните и сопоставьте эти два понятия.
7. Протокол передачи файлов, или FTP — прикладная программа в наборе протокола TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в модели OSI. Сравните и сопоставьте эти два понятия.
8. Тривиальный протокол передачи файлов, или TFTP — прикладная программа в наборе протокола TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в модели OSI. Сравните и противопоставьте эти два понятия.
9. Есть несколько моделей транспортного уровня, предложенных в модели OSI. Сделайте анализ и найдите все из них. Объясните разницу между ними.
10. Есть несколько моделей сетевого уровня, предложенных в модели OSI. Сделайте анализ и найдите все из них. Объясните разницу между ними.

Дополнительный материал для прохождения тестирования к лекции, Вы можете скачать здесь.