Сетевая модель данных TCP/IP

Московский Государственный Технический Университет им Н. Э. Баумана Кафедра РК-9

Доклад

По курсу «Информационное обеспечение робототехнических комплексов»

На тему «Сетевая модель данных TCP/IP»

Студент: Асмолов А.Е.

Группа РК9−81

Преподаватель: Платонова О.В.

Москва 2012 г.

Сетевая модель данных TCP/IP

Модель TCP/IP описывает множество протоколов, позволяющих компьютерам взаимодействовать.

Компьютер, использующий протоколы TCP/IP, может быть сравнен с обычным телефоном. Можно пойти в магазин, торгующий бытовой техникой, и купить телефонный аппарат, какой угодно модели и производителя. Если принести его домой и включить в телефонную розетку тем же самым кабелем, каким был подключен старый телефон, новый телефон будет работать. Аналогично, компьютер, в котором реализованы стандартные сетевые протоколы, определенные в модели TCP/IP, могут свободно взаимодействовать с другими компьютерами, в которых есть стек TCP/IP.

В модели TCP/IP существуют 4 уровня:

· Приложений (HTTP, POP3, SMTP)

· Транспортный (TCP, UDP)

· Интернет (IP)

· Доступа к сети (Ethernet)

Уровень приложений TCP/IP

сетевая модель данные браузер Уровень приложений предоставляет службы приложениям и программному обеспечению, работающему на компьютере. Сам он не определяет требования непосредственно к приложениям, а стандартизирует службы, которые могут понадобится приложениям, например, обеспечивает возможность передачи файлов при использовании протокола HTPP (Hypertext Transfer Protocol — протокол передачи гипертекста). Другими словами, уровень приложений представляет собой интерфейс между ПО компьютера и сетью.

Самое популярное приложение TCP/IP — веб-браузер. Что происходит, когда веб-страница появляется в окне браузера?

Предположим, Боб запустил на своем компьютере программу веб — браузера.

Браузер сконфигурирован так, что он сразу обращается к стандартной странице веб-сервера его друга Ларри или, другими словами, к его домашней странице.

Схема работы браузера Первоначальный запрос от ПО компьютера Боба запрашивает сервер Ларри об отправке домашней странице браузеру Боба. Веб-сервер Ларри сконфигурирован так, что страница с названием home. html является стандартной и в ней содержится домашняя страница Ларри. ПО компьютера Боба получается файл страницы от сервера Ларри, и браузер корректно отображает его в своем окне. В данном процессе используется протокол уровня приложений TCP/IP. Сначала ПО отправляет запрос на получение файла и потом передает файл согласно формату протоколу передачи гипертекстовых файлов. Большинство адресов веб — страниц, называемых указателями информационного ресурса (Universal Resource Locator — URL), или просто веб — адресами, начинаются с аббревиатуры http, которая указывается, что именно протокол HTTP будет использоваться для передачи информации.

Другой наиболее распространенный стандарт, язык гипертекстовой разметки (HTML — hypertext markup language), представляет собой один из принципов того, как веб — браузер Боба должен интерпретировать текст внутри только что принятого им от сервера файла. Например, файл может содержать указания, что какой либо кусок текста должен быть отображен шрифтом определенного размера, цвета, и т. д.

Уточненная схема работы веб — браузера Чтобы получить веб — страницу от сервера Ларри, Боб пересылает некую инструкцию посредством протокола HTTP. Эта инструкция содержит команду get для нужного файла. Обычно такой запрос содержит название файла (home.htm), а если название отсутствует, то сервер предполагает, что запрашивается стандартная корневая страница.

Ответ от сервера Ларри также содержит HTTP — инструкцию, в заголовку которой написано что — то вроде OK. Ответ всегда содержит код в заголовку, который указывает запрашиваемой стороне, может ли быть выполнен запрос. Например, если серверу приходит запрос на страницу, которая не существует, браузер получить HTTP — сообщение с кодом ошибки 404, «страница не найдена». Если же запрашиваемый файл найден, то в ответ сервер передаст сообщение с кодом 200, который сообщает о том, что все в порядке и выполняется дальнейшая обработка запроса.

На этом простом примере можно показать, что когда определенный уровень одного компьютера взаимодействует с определенным уровнем другого компьютера, оба компьютера используют протокол, заголовки которого содержат информацию об их взаимодействии. Такой процесс называют взаимодействием равноценных уровней.

Итак, протоколы уровня приложений стека TCP/IP предоставляют службы ПО компьютера. Уровень приложений является интерфейсом между ПО компьютера и сетью Транспортный уровень TCP/IP

Транспортный уровень (ТУ) включает в себя два протокола: протокол управления передачей (Transmission Control Protocol — TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol — UDP). ТУ предоставляет транспортные услуги от узла отправителя к узлу получателя. Он поддерживает логическое соединение между конечными точками сетевого маршрута. Зачем же нужен транспортный уровень? Каждый уровень многоуровневой модели предоставляет некоторые службы вышестоящему уровню. Например, когда Боб и Ларри используют HTTP для пересылки веб — страницы, запрос на получение страницы может вдруг потеряться, или ответ от сервера Ларри, содержащий текст веб — страницы, не будет получен — информация не появится в браузере Боба.

Схема работы TCP

Протокол HTTP запрашивает протокол TCP о гарантированной доставку HTTP — запроса на получение страницы. Протокол TCP пересылает данные протокола HTTP от Боба к Ларри, и данные успешно приняты. ПО Ларри, подтверждает специальным сообщением получение данных и перенаправляет HTTP — запрос ПО веб — сервера. Аналогичный процесс происходит у Боба.

Следует отметить, что блоки данных, содержащие заголовки транспортного уровня и инкапсулированные данные, которые показаны на на схеме прямоугольниками, называются сегментами.

Преимущество протокола TCP и его механизма коррекции ошибок, заключается в том, что если данные потеряны, протокол HTTP не предпринимает никаких дополнительных попыток, а механизм TCP должен повторно переслать данные и убедиться, что они успешно доставлены. Такое взаимодействие называется взаимодействием смежных уровней. Протоколу верхнего уровня (HTTP) нужна функция, которой у него нет (возможность восстановления ошибок), поэтому он запрашивает протокол нижнего уровня (TCP) о выполнении нужной функции, и последний использует какую — нибудь свою службу.

Интернет уровень TCP/IP

Интернет протокол (Internet protocol — IP), протокол интернет — уровня модели TCP/IP, работает по тому же принципу, что и почта. Протокол IP определяет адреса для каждого компьютера или узла в сети, причем каждый узел должен иметь свой собственный уникальный IP — адрес, точно так же, как и в обычной почте у каждого корреспондента должен быть свой адрес (город, улица, дом, квартира).

На интернет уровне происходит выбор наилучшего маршрута и пересылка пакета, которую выполняют специализированные устройства — машрутизаторы. Вернемся к примеру, когда БОБ запрашивает страницу у сервера Ларри. Добавим к схеме еще и информацию протокола IP.

Сразу отметим, что блок, содержащий заголовок интернет — уровня и инкапсулированные в него данные, называют пакетом.

Компьютер Боба пересылает пакет маршрутизатору R2. Этот маршрутизатор обнаруживает IP — адрес получателя (1.1.1.1) в заголовке пакета и принимает решение об отправке пакета маршрутизатору R1. Поскольку R2 знает достаточно о сетевой топологии, т. е. знает о том, что сервер Ларри находится за маршрутизатором R1, он пересылает пакет в нужный интерфейс. Аналогично, когда маршрутизатор R1 получает пакет, он пересылает его через Ethernet — интерфейс уже непосредственно компьютеру Ларри. Если же канал между маршрутизаторами R1 и R2 пропадает, протокол IP позволит маршрутизатору R2 обнаружить альтернативный маршрут к узлу с адресом 1.1.1.1 через маршрутизатор R3.

Протокол IP использует логические адреса, называемые IP — адресами. Они позволяют каждому из TCP/IP устройств в сети взаимодействовать. Протокол IP также использует маршрутизацию, или процесс, который позволяет определить маршрутизатору, каким образом перенаправлять, или маршрутизировать пакеты данных.

Уровень доступа к сети TCP/IP

Уровень доступа к сети стандартизирует аппаратное обеспечение и протоколы, используемы для передачи данных по разным физическим сетям. Термин доступ к сети означает, что уровень показывает, как именно узел подключен к физической среде передачи, поверх которой передаются данные. Например технология Ethernet является наиболее ярким примером технологии и протокола уровня доступа к сети модели TCP/IP. Стандарты Ethernet определяют требования к кабельной системе адресации и протоколом, с помощью которых строятся локальные сети. Также, разъемы, кабели, уровни напряжения и протоколы, используемые для построения распределенных сетей (WAN — Wide Area Network), стандартизованы во множестве технологий, которые также относятся к уровню доступа к сети.

Также как и другие уровни, уровень доступа к сети предоставляет службы вышестоящим уровням. Например предоставление служб протоколу IP. Этот протокол полагается на уровень доступа сети при доставке пакетов. Протокол IP распознает общую топологию сети: например, как именно маршрутизаторы соединены между собой, какие узлы к каким сегментам сети подключены и как в общем выглядит схема IPадресации сети. Однако в информацию протокола IP намеренно не включаются сведения о каждой используемой сетевой технологии нижних уровней, поэтому интернет уровень обращается к службам уровня доступа к сети.

Схема использования служб Ethernet протоколом IP

Сразу отметим, что блоки данных уровня доступа к сети, содержащие заголовок и контрольную сумму протоколов Ethernet и PPP — называются фреймами.

Чтобы отправить пакет узлу Ларри, Боб пересылает пакет маршрутизатору R2. Чтобы доставить пакет до машрутизатора, компьютер Боба использует технологию Ethernet — т. е. некоторый процесс, который требует, чтобы IP — пакет (заголовок IP и поле данных) был помещен между заголовком и контрольной суммой Ethernet.

Основная задача процесса IP — маршрутизации заключается в доставке IP — пакета узлу — получателю, следовательно, IP — заголовок с адресом будет нужен на всем маршруте, чтобы правильно найти конечный узел. Ethernet — информация маршрутизатору R2 после того, как он принял фрейм, не нужна, поэтому маршрутизатор R2 удаляет заголовок и контрольную сумму Ethernet, и оставляет нетронутым IP — заголовок. Чтобы переслать такой пакет далее, маршрутизатору R1, устройство R2 добавляет в начале пакета PPP — заголовок и соответствующий концевик в конце пакета и пересылает его по WAN — каналу.

Аналогично, когда маршрутизатор R1 обрабатывает полученный пакет, он удаляет PPP — заголовок и концевик, поскольку протокол PPP уже выполнил свою задачу — доставил информацию IP — пакета по последовательному каналу. Далее маршрутизатор принимает решение о том, что он должен через Ethernet — сегмент доставить пакет серверу Ларри, поэтому он добавляет новый Ethernet — заголовок и контрольную сумму к пакету и перенаправляет его узлу Ларри.

Резюмируя, можно сказать, что уровень доступа к сети стека TCP/IP включает в себя протоколы, кабельные стандарты, описывает формат заголовков и контрольных сумм фрейма, а также стандартизирует пересылку данных через разнообразные физические сети.

Инкапсуляция данных Каждый из протоколов добавляет собственный заголовок, а иногда и контрольную сумму в конце, к каждому блоку данных от вышестоящих уровней. Инкапсуляция описывает процесс добавления заголовка и концевика к некоторому блоку данных. То есть, протокол HTTP инкапсулирует веб — страницу в заголовок протокола HTTP, затем протокол TCP инкапсулирует данные и заголовок HTTP в свой собственный заголовок, а протокол IP инкапсулирует все вместе в свой собственный заголовок. В итоге блок данных от интернет — уровня (IP) инкапсулируется в заголовок и контрольную сумму протокола уровня доступа к сети.

Таким образом, процесс отправки информации TCP/IP узлом состоит из пяти этапов. Первые четыре этап выполняются четырьмя уровнями набора TCP/IP? А последний этап описывает передачу данных узлом в реальной физической среде сети.

Этап 1. Создание и инкапсуляция данных уровня приложений в заголовки нужного прикладного протокола. Например сообщение HTTP OK может быть помещено в заголовок HTTP, и добавлено к блоку данных, содержащему веб — страницу.

Этап 2. Инкапсуляция блока данных от уровня приложений в заголовок транспортного уровня. Для пользовательских приложений может быть использован протокол TCP или UDP.

Этап 3. Инкапсуляция блока данных от транспортного уровня в заголовок интернет уровня (IP — заголовок). Единственный протокол IP.

Этап 4. Инкапсуляция блока данных от интернет — уровня в заголовок и концевик уровня доступа к сети. Особенность в том, что он также добавляет контрольную сумму в конце.

Этап 5. Передача битов. На физическом уровне информация кодируется в специальный сигнал, который зависит от среды и технологии передачи фреймов.

1. CCNA / ICND1 Официальное руководство по подготовке к сертификационным экзаменам. Уэнделл Одом, 670 стр, изд. Вильямс Москва 2010.