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?
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).
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 IP- адресации 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 5. Передача битов. На физическом уровне информация кодируется в
специальный сигнал, который зависит от среды и технологии передачи фреймов.
Список использованной литературы
1. CCNA / ICND1
Официальное руководство по подготовке к сертификационным экзаменам. Уэнделл Одом,
670 стр, изд. Вильямс Москва 2010.