Руководство по стеку протоколов tcp/ip для начинающих

Обзор протокола IMAP

IMAP (Internet Message Access Protocol) – протокол прикладного уровня для доступа к электронной почте.

IMAP предоставляет пользователю богатые возможности для работы с почтовыми ящиками, находящимися на центральном сервере. Почтовая программа, использующая этот протокол, получает доступ к хранилищу корреспонденции на сервере так, как будто эта корреспонденция расположена на компьютере получателя. Электронными письмами можно манипулировать с компьютера пользователя (клиента) без необходимости постоянной пересылки с сервера и обратно файлов с полным содержанием писем.

IMAP был разработан для замены более простого протокола POP3 и имеет следующие преимущества по сравнению с последним:

1. Письма хранятся на сервере, а не на клиенте. Возможен доступ к одному и тому же почтовому ящику с разных клиентов. Поддерживается также одновременный доступ нескольких клиентов. В протоколе есть механизмы с помощью которых клиент может быть проинформирован об изменениях, сделанных другими клиентами.
2. Поддержка нескольких почтовых ящиков (или папок). Клиент может создавать, удалять и переименовывать почтовые ящики на сервере, а также перемещать письма из одного почтового ящика в другой.
3. Возможно создание общих папок, к которым могут иметь доступ несколько пользователей.
4. Информация о состоянии писем хранится на сервере и доступна всем клиентам. Письма могут быть помечены как прочитанные, важные и т. п.
5. Поддержка поиска на сервере. Нет необходимости скачивать с сервера множество сообщений для того чтобы найти одно нужное.
6. Поддержка онлайн-работы. Клиент может поддерживать с сервером постоянное соединение, при этом сервер в реальном времени информирует клиента об изменениях в почтовых ящиках, в том числе о новых письмах.
7. Предусмотрен механизм расширения возможностей протокола.

TCP протокол

TCP — это транспортный протокол, является частью стека протоколов TCP IP, он выполняет функции управления передачей данных и следит за их сохранностью, считается надежным. Расшифровывается как Transmission Control Protocol (протокол управления передачей).

Это стандарт, который определяет как нужно устанавливать связь и поддерживать ее, чтобы две программы могли обмениваться данными между собой.

Является именно надежным протоколом так как:

1. Использует логическое соединение, благодаря чему обеспечивается надежная доставка данных.2. Пронумеровывает передаваемые пакеты данных и проверяет их доставку, принимающая сторона высылает подтверждение о получении, в случае потери каких-либо пакетов создается повторная передача.3. Делит передаваемые данные на части — пакеты данных, затем передает их нижнему уровню, и собирает их, когда они приходят к получателю.4. Проверяет контрольную сумму передаваемых пакетов, если она отличается — создается новая отправка.5. Проверяет пакеты на дубликаты, в случае обнаружения таковых — уничтожает.6. Контролирует скорость передачи.

Заголовок TCP протокола

Весит 20 байт, если нет дополнительных опций, вот как он выглядит:

У каждого TCP сегмента указывается порт источника и назначения, с помощью которых происходит идентификация отправляющего и принимающего приложения. Эти порты вместе с IP адресами уникально идентифицируют каждое соединение. Комбинация IP и порта — это сокет (socket).

Номер последовательности — нумерация каждого отправляемого байта в потоке передаваемых данных. А номер подтверждения — это следующий номер байта после полученного, который ждет получатель. Т.е. передача идет последовательно, например, получатель получил 100-ый байт, следующим ждет 101.

Остальные значения можно понять из самой картинки. Разве, что размер окна — он скользящий, т.е. зависит от качества сети. Если много данных теряется он может уменьшаться и наоборот. Он регулирует количество передаваемых байтов.

А флаги: URG, ACK, PSH и т.д. — описывают дополнительные значения сегмента, так, например, флаг FIN применяется для завершения соединения.

Реализации

Набор интернет-протоколов не предполагает наличия какой-либо конкретной аппаратной или программной среды. Для этого требуется только наличие аппаратного и программного обеспечения, способного отправлять и получать пакеты в компьютерной сети. В результате пакет был реализован практически на каждой вычислительной платформе. Минимальная реализация TCP / IP включает в себя следующее: Интернет-протокол (IP), протокол разрешения адресов (ARP), протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP), протокол управления передачей (TCP), протокол дейтаграмм пользователя (UDP) и управление группами Интернета. Протокол (IGMP). В дополнение к IP, ICMP, TCP, UDP, Интернет-протокол версии 6 требует протокола обнаружения соседей (NDP), ICMPv6 и IGMPv6 и часто сопровождается интегрированным уровнем безопасности IPSec .

Прикладных программистов обычно интересуют только интерфейсы на прикладном уровне, а часто и на транспортном уровне, в то время как нижележащие уровни представляют собой услуги, предоставляемые стеком TCP / IP в операционной системе. Большинство реализаций IP доступны программистам через сокеты и API .

Уникальные реализации включают облегченный TCP / IP , стек с открытым исходным кодом , разработанный для встроенных систем , и KA9Q NOS , стек и связанные протоколы для любительских систем пакетной радиосвязи и персональных компьютеров, подключенных через последовательные линии.

Прошивка микроконтроллера в сетевом адаптере обычно решает проблемы со связью, поддерживаемые программным обеспечением драйвера в операционной системе. Непрограммируемая аналоговая и цифровая электроника обычно отвечает за физические компоненты ниже канального уровня, обычно используя набор микросхем интегральной схемы для конкретного приложения (ASIC) для каждого сетевого интерфейса или другого физического стандарта. Высокопроизводительные маршрутизаторы в значительной степени основаны на быстрой непрограммируемой цифровой электронике, выполняющей переключение на уровне каналов.

Сравнение с моделью OSI

Три верхних уровня в модели OSI, то есть уровень приложения, уровень представления и уровень сеанса, отдельно не различаются в модели TCP/IP, которая имеет только прикладной уровень над транспортным уровнем. Хотя некоторые чистые приложения протокола OSI, такие как X.400, также объединяют их, нет требования, чтобы стек протокола TCP/IP должен накладывать монолитную архитектуру над транспортным уровнем. Например, протокол NFS-приложений работает через протокол представления данных External Data Representation (XDR), который, в свою очередь, работает по протоколу Remote Procedure Call (RPC). RPC обеспечивает надежную передачу данных, поэтому он может безопасно использовать транспорт UDP с максимальным усилием.

Различные авторы интерпретировали модель TCP/IP по-разному и не согласны с тем, что уровень связи или вся модель TCP/IP охватывает проблемы первого уровня модели OSI (физический уровень) или предполагается, что аппаратный уровень ниже уровня канала.

Несколько авторов попытались включить слои 1 и 2 модели OSI в модель TCP/IP, поскольку они обычно упоминаются в современных стандартах (например, IEEE и ITU). Это часто приводит к модели с пятью слоями, где уровень связи или уровень доступа к сети разделяются на слои 1 и 2 модели OSI.

Например, считается, что уровни сеанса и представления пакета OSI включены в прикладной уровень пакета TCP/IP. Функциональность уровня сеанса можно найти в протоколах, таких как HTTP и SMTP, и более очевидна в таких протоколах, как Telnet и протокол инициации сеанса (SIP). Функциональность уровня сеанса также реализована с нумерацией портов протоколов TCP и UDP, которые охватывают транспортный уровень в наборе TCP/IP. Функции уровня представления реализуются в приложениях TCP/IP со стандартом MIME при обмене данными.

Конфликты очевидны также в оригинальной модели OSI, ISO 7498, когда не рассматриваются приложения к этой модели, например, ISO 7498/4 Management Framework или ISO 8648 Internal Organization of the Network layer (IONL). Когда рассматриваются документы IONL и Management Framework, ICMP и IGMP определяются как протоколы управления уровнем для сетевого уровня. Аналогичным образом IONL предоставляет структуру для «зависимых от подсетей объектов конвергенции», таких как ARP и RARP.

Протоколы IETF могут быть инкапсулированы рекурсивно, о чем свидетельствуют протоколы туннелирования, такие как Инкапсуляция общей маршрутизации (GRE). GRE использует тот же механизм, который OSI использует для туннелирования на сетевом уровне.
Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.

К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень — «Internetworking» — между канальным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP.

Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:

Распределение протоколов по уровням модели OSI

	TCP/IP	OSI
7	Прикладной	Прикладной	напр., HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, SCP, SMB, NFS, RTSP, BGP
6	Представления	напр., XDR, AFP, TLS, SSL
5	Сеансовый	напр., ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, NetBIOS, PPTP, L2TP, ASP
4	Транспортный	Транспортный	напр., TCP, UDP, SCTP, SPX, ATP, DCCP, GRE
3	Сетевой	Сетевой	напр., IP, ICMP, IGMP, CLNP, OSPF, RIP, IPX, DDP
2	Канальный	Канальный	напр., Ethernet, Token ring, HDLC, PPP, X.25, Frame relay, ISDN, ATM, SPB, MPLS, ARP
1	Физический	напр., электрические провода, радиосвязь, волоконно-оптические провода, инфракрасное излучение

Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня модели OSI (прикладной, представления и сеансовый) объединяют в один — прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению.

TCP/IP vs OSI

Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:

1. Физический (Physical).
2. Канальный (Data Link).
3. Сетевой (Network).
4. Транспортный (Transport).
5. Сеансовый (Session).
6. Представительский (Presentation).
7. Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.

Физический представляет собой собственно физическую связь — провода, кабели, электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.

Обзор протокола SMTP

Простой протокол передачи почты (SMTP) основан на сквозной доставке сообщений. Клиент SMTP, чтобы отправить почту, связывается с SMTP-сервером конечного хоста через общеизвестный порт 25. Затем клиент ожидает, пока сервер отправит сообщение . После получения сообщения 220 клиент отправляет команду . Затем сервер отвечает сообщением «».

После этого передача почты начнется с команды , которая указывает идентификатор отправителя, а также поля , содержащего адрес, на который следует сообщать об ошибках.

После успешной команды отправитель выдает серию команд , которые идентифицируют получателей почтового сообщения. Получатель будет подтверждать каждую команду , отправляя или отправляя сообщение об ошибке (такого пользователя здесь нет).

После подтверждения всех команд отправитель выдает команду , чтобы сообщить получателю, что отправитель готов передать полное почтовое сообщение. Получатель отвечает сообщением с конечной последовательностью, которую отправитель должен использовать для завершения данных сообщения. Последовательность завершения состоит из 5 символов: возврат каретки, перевод строки, точка, возврат каретки и перевод строки ().

Теперь клиент отправляет данные построчно, заканчивая строки 5-символьной последовательностью , после чего получатель отправляет подтверждение или соответствующее сообщение об ошибке, если что-то пошло не так.

После завершения отправки клиент может выполнить любое из следующих действий.

Завершение сеанса: если у текущего клиента SMTP больше нет сообщений для отправки, соединение может быть закрыто командой , на которую будет дан ответ .

Изменение ролей: если у текущего клиента SMTP больше нет сообщений для отправки, но он готов принимать любые сообщения от текущего сервера SMTP, он может отправить команду . Теперь SMTP-клиент и SMTP-сервер поменяются своими ролям отправителя/получателя, и отправитель (ранее получатель) теперь может отправлять сообщения, выдав команду .

Отправка других писем: если у клиент SMTP (отправитель) есть еще одно сообщение для отправки, он может выдать новую команду .

Связующий слой

Протоколы канального уровня работают в рамках локального сетевого подключения, к которому подключен хост. Этот режим называется каналом на языке TCP / IP и является самым низким уровнем компонентов пакета. Ссылка включает в себя все хосты, доступные без прохождения через маршрутизатор. Таким образом, размер канала определяется конструкцией сетевого оборудования. В принципе, TCP / IP разработан как независимый от оборудования и может быть реализован поверх практически любой технологии канального уровня. Это включает не только аппаратные реализации, но и уровни виртуальных каналов, такие как виртуальные частные сети и сетевые туннели .

Канальный уровень используется для перемещения пакетов между интерфейсами Интернет-уровня двух разных хостов по одному и тому же каналу. Процессами передачи и приема пакетов по каналу можно управлять в драйвере устройства для сетевой карты , а также в прошивке или с помощью специализированных наборов микросхем . Они выполняют такие функции, как кадрирование, для подготовки пакетов Интернет-уровня к передаче и, наконец, передают кадры на физический уровень и по среде передачи . Модель TCP / IP включает спецификации для преобразования методов сетевой адресации, используемых в Интернет-протоколе, в адреса канального уровня, такие как адреса управления доступом к среде (MAC). Однако все другие аспекты ниже этого уровня неявно предполагаются существующими и не определены явно в модели TCP / IP.

Канальный уровень в модели TCP / IP имеет соответствующие функции на уровне 2 модели OSI.

Назначение TCP

TCP/IP — это средство для обмена информацией между компьютерами, объединенными в сеть. Не имеет значения, составляют ли они часть одной и той же сети или подключены к отдельным сетям. Не играет роли и то, что один из них может быть компьютером Cray, а другой Macintosh. TCP/IP — это не зависящий от платформы стандарт, который перекидывает мосты через пропасть, лежащую между разнородными компьютерами, операционными системами и сетями. Это протокол, который глобально управляет Internet, и в значительной мере благодаря сети TCP/IP завоевал свою популярность.

Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IР и ТСР. Эти протоколы в терминологии модели 051 относятся к сетевому и транспортному уровням соответственно. IР обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а ТСР гарантирует надежность его доставки.

Причина, по которой TCP/IP столь важен сегодня, заключается в том, что он позволяет самостоятельным сетям подключаться к Internet или объединяться для создания частных интрасетей. Вычислительные сети, составляющие интрасеть, физически подключаются через устройства, называемые маршрутизаторами или IP-маршрутизаторами.

Маршрутизатор — это компьютер, который передает пакеты данных из одной сети в другую. В интрасети, работающей на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся «близкими родственниками». По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. Точно так же, как подключения к сети Ethernet распознаются по 48-разрядным идентификаторам Ethernet, подключения к интрасети идентифицируются 32-разрядными IP-адресами, которые мы выражаем в форме десятичных чисел, разделенных точками (например, 128.10.2.3). Взяв IP-адрес удаленного компьютера, компьютер в интрасети или в Internet может отправить данные на него, как будто они составляют часть одной и той же физической сети.

TCP/IP дает решение проблемы данными между двумя компьютерами, подключенными к одной и той же интрасети, но принадлежащими различным физическим сетям. Решение состоит из нескольких частей, причем каждый член семейства протоколов TCP/IP вносит свою лепту в общее дело. IP — самый фундаментальный протокол из комплекта TCP/IP — передает IP-дейтаграммы по интрасети и выполняет важную функцию, называемую маршрутизацией, по сути дела это выбор маршрута, по которому дейтаграмма будет следовать из пункта А в пункт B, и использование маршрутизаторов для «прыжков» между сетями.

Особенности TCP

Поскольку стек ТСР/IР изначально создавался для глобальной сети Internet он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, большая составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека ТСР/IР эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии ТСР/IР является гибкая система адресации, позволяющая более просто по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включать в интерсеть сети других технологий. Это свойство также способствует применению стека ТСР/IР для построения больших гетерогенных сетей.

В стеке ТСР/ IР очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство совершенно необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Порядок следования сообщений

Но подтверждений и повторной отправки данных недостаточно для обеспечения надежной передачи потока байт. Это защищает только от потери сегментов, но не обеспечивает сохранение порядка следования сообщений.

Какие проблемы могут произойти? Протокол IP не сохраняет порядок следования сообщений и поэтому сегменты могут  прийти к  получателю не в том порядке в котором они были отправлены. Кроме того, некоторые сегменты могут прийти два и более раз. Рассмотрим одну из возможных причин дублирования сегментов.

Дублирование сегментов

Предположим, отправитель передал сегмент данных получателю, получатель этот сегмент принял и передал отправителю подтверждение, но при передаче подтверждения произошла ошибка. Отправитель не получил подтверждение, сработал таймер и тот же самый сегмент данных был отправлен второй раз.

Это один из возможных вариантов, на самом деле, таких вариантов еще очень много, поэтому в протокол TCP встроен механизм защиты от дублирования и нарушение порядка следования сообщений.

Механизм очень простой, все сообщения нумеруются. В TCP нумеруются не сегменты, так как разные сегменты могут иметь разный размер, а байты.

В нашем примере 4 сегмента первый сегмент содержит байты от 0 до 1023, второй от 1024 до 2047 и так далее.

Нумерация байтов

При передаче отправитель включают в сегмент номер первого байта данных, которые в нем содержатся.

• Например сегмент данных, байт 0, он содержит байты с 0 до 1023.
• Получатель отправляет подтверждение и в подтверждение включает номер следующего байта, который ожидается байт 1024.
• Отправитель передает следующий сегмент, включая в него номер первого байта, сегмент данных, номер первого байта 1024 содержит данные до номера байта 2047.
• Получатель отправляет подтверждение, что он ждет байт с номером 2048, если сегменты придут в неправильном порядке, то получатель по номерам байтов всегда сможет выставить их в правильной последовательности.

Дублирование сегментов

Рассмотрим как решается ситуация с дублированием сегментов.

• Отправитель включает в сегмент номер первого передаваемого байта 1024.
• Получатель отправляет подтверждение, где говорит что ждет байт в 2048.
• Но так как подтверждение не дошло, то отправитель передает тот же самый сегмент 1024.
• Однако получатель видит, что этот сегмент у него уже есть поэтому он этот сегмент игнорирует и снова отправляет подтверждение, где говорит что он ожидает байт 2048.

Обзор сетевой модели TCP/IP

Модель TCP/IP определяет и опирается на большой набор протоколов, которые позволяют компьютерам обмениваться данными. Чтобы определить протокол, TCP/IP использует документы, называемые RFC (Requests For Comments) (вы можете найти эти RFC в Интернете с помощью любой поисковой системы). Модель TCP/IP также позволяет избежать повторения работы, уже проделанной другим органом по стандартизации или консорциумом производителей, просто ссылаясь на стандарты или протоколы, созданные этими группами. Например, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определяет локальные сети Ethernet; модель TCP/IP не определяет Ethernet в RFC, но в качестве дополнения ссылается на IEEE Ethernet.

Модель TCP/IP создает набор правил, который позволяет всем нам вынуть компьютер (или мобильное устройство) из коробки, подключить все нужные кабели, включить его, подключиться к сети и использовать ее. Вы можете использовать веб-браузер для подключения к любимому веб-сайту, использовать практически любое приложение, и всё это работает. Как? Что ж, операционная система на компьютере реализует части модели TCP/IP. Сетевая карта Ethernet или карта беспроводной локальной сети, встроенная в компьютер, реализует стандарты локальной сети, на которые ссылается модель TCP/IP. Проще говоря, производители, создавшие аппаратное и программное обеспечение, реализовали TCP/IP.

Чтобы помочь людям понять сетевую модель, каждая модель разбивает функции на небольшое количество категорий, называемых уровнями. Каждый уровень включает в себя протоколы и стандарты, относящиеся к своей категории функций. Данное разбиение показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Уровни сетевой модели TCP/IP

Модель TCP/IP показывает общие термины и уровни, используемые сегодня, когда люди говорят о TCP/IP.

Нижний (физический) уровень фокусируется на том, как передавать биты по каждому отдельному каналу.

Канальный уровень ориентирован на отправку данных по одному типу физического канала: например, сети используют отличающиеся протоколы канала передачи данных для локальных сетей Ethernet по сравнению с беспроводными локальными сетями.

Сетевой (межсетевой) уровень фокусируется на доставке данных по всему пути от исходного компьютера-отправителя до конечного компьютера-получателя.

И два верхних уровня больше ориентированы на приложения, которым необходимо отправлять и получать данные.

ПРИМЕЧАНИЕ. В RFC 1122 используется несколько отличная четырехуровневая оригинальная версия модели TCP/IP (в которой физический и канальный уровни были объединены в уровень сетевого доступа), но и для реальных сетей, и для сегодняшней сертификации CCNA (2020 год, информация из «CCNA 200-301 Official Cert Guide» Уенделла Одома), используйте пятиуровневую модель, показанную здесь на рисунке 2.

Многие из вас уже слышали о нескольких протоколах TCP/IP (примеры, которых перечислены в таблице 1). Большинство протоколов и стандартов в этой таблице будут объяснены позже более подробно.

Таблица 1. Архитектурная модель TCP / IP и примеры протоколов

Уровень модели TCP/IP	Примеры протоколов
Прикладной уровень (уровень приложений)	Система имен	DNS
Конфигурация узла	BOOTP, DHCP
Электронная почта	SMTP, POP, IMAP
Передача файлов	FTP, TFTP
Веб	HTTP
Транспортный уровень	TCP, UDP
Сетевой (межсетевой) уровень	IP, NAT
Поддержка IP	ICMP
Протоколы маршрутизации	OSPF, EIGRP
Уровень сетевого доступа (канальный уровень и физический уровень)	ARP, PPP, Ethernet, 802.11 (Wi-Fi)

Далее в этой главе мы более подробно рассмотрим уровни модели TCP/IP.

Уровни и протоколы TCP/ IP

Протоколы TCP и IP совместно управляют потоками данных ( как входящими, так и исходящими) в сети. Но если протокол IP просто передает пакеты, не обращая внимания на результат, TCP должен проследить за тем, чтобы пакеты прибыли в положенное место. В частности, TCP отвечает за выполнение следующих задач:

o Открытие и закрытие сеанса.

o Управление пакетами.

o Управление потоком данных.

o Обнаружение и обработка ошибок.

Модель TCP/IP

Протокол TCP/IP обычно рассматривается в контексте эталонной модели, определяющей структурное деление его функций. Однако модель TCP/IP разрабатывалась значительно позже самого комплекса протоколов, поэтому она ни как не могла быть взята за образец при проектировании протоколов.

Семейство протоколов TCP/IP

Семейство протоколов IP состоит из нескольких протоколов, часто обозначаемых общим термином “TCP/IP”:

o IP – протокол межсетевого уровня;

o TCP – протокол межхостового уровня, обеспечивающий надежную доставку;

o UDP – протокол межхостового уровня, не обеспечивающий надежной доставки;

o ICMP – многоуровневый протокол, упрощающий контроль, тестирование и управление в сетях IP. Различные протоколы ICMP распространяются на межхостовой и прикладной уровни.

Связи между этими протоколами изображены на рисунке.

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) является самым распространенным межсетевым протоколом в мире. Функциональность протокола определяется объемом данных, хранящихся в заголовках. Структура заголовков IP, а, следовательно, и его возможности первоначально определялись в серии RFC и других общедоступных документов, которые были опубликованы еще во времена создания группы IETF. Обычно считается, что базовым документом для современной версии IP является RSC 791 («internet protocol», Postel, J.B; 1981).

Благодаря неустанной работе IETF протокол IP постоянно развивается. В последующих RFC (Request for Comments) были добавлены многочисленные новые возможности. Тем не менее, все они строятся на основе, заложенной в RFC 791. С архитектурной точки зрения текущая версия IP имеет номер 4 (Ipv4). Со временем новая версия (Ipv6) постепенно вытеснит Ipv4, но в настоящее время повсеместно поддерживается стандарт Ipv4.

Формат заголовка IP-пакета

Для того чтобы понять, как протокол IP реализует эту задачу, рассмотрим формат заголовка IP пакета.

Номер версии

Первое поле номер версии. Сейчас используется две версии протокола IP 4 и 6. Большая часть компьютеров использует IPv4. Длина  адреса в этой версии 4 байта. Формат адреса IP версии 4 мы рассматривали подробно. Проблема в том, что адресов IPv4, четыре с небольшим миллиарда, что уже сейчас не хватает для всех устройств в сети, а в будущем точно не хватит. Поэтому была предложена новая версия IPv6 в которой длина IP адреса составляет 16 байт. Сейчас эта версия вводится в эксплуатацию, но процесс занимает очень долгое время.

Длина заголовка

Следующее поле длина заголовка. В отличии от Ethernet заголовок IP включает обязательные поля, а также может включать дополнительные поля, которые называются опции. В поле длина заголовка записывается полная длина, как обязательной части, так и опции.

Тип сервиса

Следующее поле тип сервиса. Это поле нужно для обеспечения необходимого качества обслуживания, но сейчас на практике используется очень редко.

Общая длина

Следующее поле общая длина. Общая длина содержит длину всего IP пакета, включая заголовок и данные. Максимальная длина пакета 65 535 байт, но на практике такие большие пакеты не используются, а максимальный размер ограничен размером кадра канального уровня, а для Ethernet это 1 500 байт. В противном случае для передачи одного IP пакета необходимо было бы несколько кадров канального уровня что неудобно.

Время жизни

Дальше идет поле время жизни. Время жизни Time To Live или TTL — это максимальное время в течение которого пакет может перемещаться по сети. Оно введено для того чтобы пакеты не гуляли по сети бесконечно, если в конфигурации сети возникла какая-то ошибка. Например, в результате неправильной настройке маршрутизаторов в сети, может образоваться петля. Раньше, время жизни измерялось в секундах, но сейчас маршрутизаторы обрабатывают пакет значительно быстрее чем за секунду, поэтому время жизни уменьшается на единицу на каждом маршрутизаторе, и оно измеряется в количествах прохождения через маршрутизаторы по-английски (hop) от слова прыжок. Таким образом название время жизни сейчас стало уже некорректным.

Тип протокола

После времени жизни, указывается тип протокола следующего уровня. Это поле необходимо для реализации функции мультиплексирования и демультиплексирования, то есть передачи с помощью протокола IP данных от разных протоколов следующего уровня. В этом поле указывается код протокола следующего уровня, некоторые примеры кодов для TCP код 6, UDP — 17 и ICMP — 1.

Контрольная сумма

Затем идет контрольная сумма, которая используется для проверки правильности доставки пакета, если при проверке контрольные суммы обнаруженные ошибки, то пакет отбрасывается, никакой информации отправителю пакета не отправляется. Контрольная сумма рассчитывается только по заголовку IP пакета и она пересчитывается на каждом маршрутизаторе из-за того что данные в заголовке меняются. Как минимум изменяется время жизни пакета, а также могут измениться некоторые опции.

IP адрес получателя и отправителя

После контрольной суммы идут IP адрес  отправителя, и IP адрес получателя. В IPv4 длина IP адреса четыре байта, 32 бита на этом обязательная часть IP заголовка заканчивается, после этого идут не обязательные поля которые в IP называются опции.

Опции

Некоторые примеры опций. Для диагностики работы сети используется опция — записать маршрут, при которой в IP пакет записывается адрес каждого маршрутизатора через которую он проходит.

И опция — временные метки, при установке которой, каждый маршрутизатор записывает время прохождения пакеты.

Также опции позволяют отказаться от автоматической маршрутизации, и задать маршрут отправитель:

• Это может быть жесткая маршрутизация, где в пакете явно указывается перечень маршрутизаторов через которые необходимо пройти.
• И свободные маршрутизации в этом случае указываются только некоторые маршрутизаторы, через которые пакет должен пройти обязательно, также при необходимости он может пройти через другие маршрутизаторы.

Опции в заголовке IP может быть несколько и они могут иметь разный размер. В то же время длина IP заголовка должна быть кратна 32, поэтому при необходимости, в конце IP заголовок заполняются нулями до выравнивание по границе 32 бита. Следует отметить, что сейчас опции в заголовке IP почти не используются.

В статье был рассмотрен протокол IP (Internet Protocol) — протокол межсетевого взаимодействия. Протокол IP является основой интернета. В OSI находится на сетевом уровне.

Названия слоев и количество слоев в литературе

В следующей таблице показаны различные сетевые модели. Количество слоев варьируется от трех до семи.

Академия Cisco	Куросе, Форузан	Комер, Козерок	Киоски	Таненбаум	Модель OSI
Четыре слоя	Четыре слоя	Пять слоев	Четыре + один слой	Пять слоев	Пять слоев	Три слоя	Семь слоев
«Интернет-модель»	«Интернет-модель»	«Пятиуровневая модель Интернета» или «Набор протоколов TCP / IP»	«Пятиуровневая эталонная модель TCP / IP»	«Модель TCP / IP»	«Пятиуровневая эталонная модель TCP / IP»	«Эталонная модель Арпанет»	Модель OSI
заявка	заявка	заявка	заявка	заявка	заявка	Прикладной процесс	заявка
Презентация
Сессия
Транспорт	Транспорт	Транспорт	Транспорт	Хост-хост или транспорт	Транспорт	Хост-хост	Транспорт
Интернет	Межсетевое взаимодействие	Сеть	Интернет	Интернет	Интернет	Сеть
Ссылка на сайт	Сетевой интерфейс	Канал передачи данных	Канал передачи данных (сетевой интерфейс)	Доступ к сети	Канал передачи данных	Сетевой интерфейс	Канал передачи данных
		Физический	(Оборудование)	Физический	Физический		Физический