Прародителем сети интернет была сеть ARPANET. Первоначально её разработка финансировалась Управлением перспективного планирования (Advanced Research Projects Agency, или ARPA). Проект стартовал осенью 1968 года и уже в сентябре 1969 года в опытную эксплуатацию был запущен первый участок сети ARPANET.

Сеть ARPANET долгое время являлась тестовым полигоном для исследования сетей с коммутацией пакетов. Однако кроме исследовательских, ARPANET служила и чисто практическим целям. Ученые нескольких университетов, а также сотрудники некоторых военных и государственных исследовательских институтов регулярно её использовали для обмена файлами и сообщениями электронной почты, а так же для работы на удалённых компьютерах. В 1975 году управление сетью было выведено из под контроля ARPA и поручено управлению связи Министерства обороны США. Для военных данная сеть представляла большой интерес, так как позволяла сохранять её работоспособность даже при уничтожении её части, например, при ядерном ударе.

В 1983 году Министерство обороны разделило ARPANET на две связанные сети. При этом за сетью ARPANET были сохранены её исследовательские функции, а для военных целей была сформирована новая сеть, которую назвали MILNET. Физически сеть ARPANET состояла приблизительно из 50 миникомпьютеров типа С30 и С300, выпущенных фирмой BBN Corporation. Они назывались узлами коммутации пакетов и были разбросаны по территории материковой части США и Западной Европы. Сеть MILNET состояла приблизительно из 160 узлов, причём 34 из них были расположены в Европе, а 18 в Тихом Океане и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Сами узлы коммутации пакетов нельзя было использовать для решения вычислительных задач общего плана.

Понимая, что в ближайшем будущем очень важным моментом в научных исследованиях будет процесс обмена данными, Национальный научный фонд (NFS) в 1987 году основал отделение сетевых и коммуникацинных исследований и инфраструктуры. В его задачи входило обеспеченье современными сетевыми коммуникационными средствами учёных и инженеров США. И хотя отделение фонда NFS финансировало основные исследовательские программы в области сетевых коммуникаций, сферой его основных интересов было расширение Internet.

Сеть NSFNET строилась в несколько этапов и быстро преобретала популярность не только в научно-исследовательских кругах, но и в коммерческой среде. К 1991 году фонд NFS и другие государственные учреждения США поняли, что масштабы Internet вышли далеко за отведённые её на этапе разработки рамки университетской и научной сети. К Internet стало подключаться множество организаций, разбросанных по всему Земному шару. Трафик в магистральном канале NSFNET вырос почти до миллиарда пакетов в день, и его пропускной способности 1.5 Мбит/с на отдельных участках стало уже не хватать. Поэтому правительство США начало проводить политику приватизации и коммерческого использования Internet. Фонд NFS принял решение предать магистральную сеть на попечение закрытой акционерной компании и оплачивать доступ к ней для государственных научных и исследовательских организаций.

Семейство TCP/IP

Познакомившись с историей, давайте подробнее рассмотрим, что собой представляют протоколы TCP/IP. TCP/IP - это семейство сетевых протоколов, ориентированных на совместную работу. В состав семейства входит несколько компонентов:

IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - обеспечивает транспортировку пакетов данных с одного компьютера на другой;

ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений в сети Internet) - отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках, вспомогательные маршрутизирующие запросы и подтверждения о получении сообщений;

ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов) - выполняет трансляцию IP-адресов в аппаратные MAC-адреса;

UDP (User Datagram Protocol - протокол передачи дейтаграмм пользователя) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - обеспечивают доставку данных конкретным приложениям на указанном компьютере. Протокол UDP реализует передачу отдельных сообщений без подтверждения доставки, тогда как TCP гарантирует надёжный полнодуплексный канал связи между процессами на двух разных компьютерах с возможностью управления потоком и контроля ошибок.

Протокол представляет собой набор правил, использующихся для при обмене данными между двумя компьютерами. В нём оговариваются формат блоков сообщений, описывается реакция компьютера на получение определённого типа сообщения и указываются способы обработки ошибок и других необычных ситуаций. И что самое важное, благодаря протоколам, мы можем описать процесс обмена данными между компьютерами, не привязываясь к какой-то определённой комьютерной платформе или сетевому оборудованию конкретного производителя.

Сокрытие низкоуровневых особенностей процесса передачи данных способствует повышению производительности труда разработчиков. Во-первых, поскольку программистам приходится иметь дело с протоколами, относящимися к достаточно высокому уровню абстракции, им не нужно держать в голове (и даже изучать!) технические подробности испольуемого аппаратного обеспечения. Во-вторых, поскольку программы разрабатываются на основе модели, относящейся к высокому уровню абстракции, который не зависит от конкретной архитектуры компьютера или типа сетевого оборудования, в них не нужно вносить никаких изменений при переходе на другой тип оборудования или изменений конфигурации сети.

Замечание
Говорить о том, что ARP входит в состав семейства протоколов TCP/IP не совсем корректно. Однако это неотъемлемая часть стека протоколов в сетях Ethernet. Для того чтобы отправить данные по сети, IP-адрес хоста должен быть преобразован в физический адрес машины получателя (уникальный адрес сетевой платы). Протокол ARP как раз и предназначен для такой цели.

Самым фундаментальным протоколом Интернета является протокол IP (от англ. Internet Protocol), обеспечивающий передачу данных между двумя удаленными компьютерами. Протокол IP является достаточно простым, и обеспечивает адресацию в сети. В ранних сетях адреса в сети были уникальные целые цифры, сейчас сеть построена по иерархическому принципу.

Стек протоколов TCP/IP имеет четыре основных уровня, поэтому часто говорят, что TCP/IP — это четырехуровневый стек протоколов. Внизу стека расположен интерфейсный уровень, посредством которого происходит связь с аппаратурой. За ним следует уровень IP, поверх которого построены транспортные протоколы TCP и UDP. На вершине стека находится уровень приложений, таких как ftp, telnet и т. д. Как мы уже говорили, IP — это простой протокол, не требующий установления соединения. При отсылке пакета данных, IP, как и все протоколы без соединения, послав пакет, тут же "забывает" о нем. При приеме пакетов с верхних уровней стека, этот протокол обертывает их в IP-пакет и передает необходимому аппаратному обеспечению для отправки в сеть. Однако именно в такой простоте и заключается основное достоинство протокола IP. Дело в том, что поскольку IP является простым протоколом, он никак не связан со структурой физической среды, по которым передаются данные. Для протокола IP главное, что эта физическая среда в принципе способна к передаче пакетов. Поэтому IP работает как в локальных, так и в глобальных сетях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме передачи данных, как в обычных линиях связи, так и беспроводных и т. д. А поскольку протокол IP является фундаментом четырехуровнего сте-ка протоколов, то все семейство протоколов TCP/IP также может функционировать в любой сети с любым режимом передачи пакетов.

На сетевом уровне в семействе протоколов TCP/IP предусмотрено два обширных класса служб, которые используются во всех приложениях.

Служба доставки пакетов, не требующая установки соединения.

Надёжная потоковая транспортная служба.

Различие между службами, требующими установления надёжного соединения и службами, не требующими этого, является одним из самых основных вопросов сетевого программирования. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что когда мы говорим об установлении соединения, то имеется в виду не соединение между компьютерами посредством физического носителя, а о способе передачи данных по этому носителю. Основное различие состоит в том, что службы, в которых устанавливается надёжное соединение, сохраняют информацию о состоянии и таким образом отслеживают информацию о передаваемых пакетах. В службах же, не требующих надёжного соединения, пакеты передаются независимо друг от друга.

Данные передаются по сети в форме пакетов, имеющих максимальный размер, определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого (сообщения). Заголовок включает сведения о том, откуда прибыл пакет и куда он направляется. Заголовок, кроме того, может содержать контрольную сумму, информацию, характерную для конкретного протокола, и другие инструкции, касающиеся обработки пакета. Полезное содержимое – это данные, подлежащие пересылке.

Имя базового блока передачи данных зависит от уровня протокола. На канальном уровне это кадр или фрейм, в протоколе IP – пакет, а в протоколе TCP – сегмент. Когда пакет передаётся вниз по стеку протоколов, готовясь к отправке, каждый протокол добавляет в него свой собственный заголовок. Законченный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета, генерируемого следующим протоколом.

Определение

Пакеты, которые посылаются протоколом, не требующим соединения, называются дейтаграммами.

Каждая дейтаграмма является уникальной в том смысле, что никак не зависит от других. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, диалог между клиентом и сервером предельно прост: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом каждый новый запрос — это новая транзакция, т. е. инициируемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения ненадежны в том смысле, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.

Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют информацию о состоянии, что позволяет обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Когда говорится о сохранении состояния, имеется ввиду то, что между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течении определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.

Работа протокола с установлением соединения включает в себя три основные фазы:

установление соединения;

обмен данными;

разрыв соединения.

Передача всех данных при работе с таким протоколом, в отличие от протокола без установления соединения, происходит за одну транзакцию, т. е. в фазе обмена данными не происходит обмена адресами между отправителем и получателем, поскольку эта информация передается на этапе установки соединения. Возвращаясь к телефонной аналогии, можно сказать, что нам в этом случае нет необходимости для того, чтобы сказать собеседнику очередное слово, вновь набирать его номер и устанавливать соединение. Заметим, что приводимая аналогия имеет одну неточность. Дело в том, что при телефонном разговоре все же устанавливается физическое соединение. Когда же мы говорим о соединении с точки зрения протоколов, то это соединение, скорее, умозрительное. К примеру, если вдруг при телефонном разговоре, неожиданно сломается телефонный аппарат вашего собеседника, вы тут же узнаете об этом, поскольку разговор незамедлительно прервется. А вот если происходит обмен данными между двумя хостами и один из них вдруг аварийно остановится, то для его "хоста-собеседника" соединение по прежнему будет существовать, поскольку для него не произошло ничего такого, что сделало бы недействительной хранящуюся у него информацию о состоянии.

В этом смысле работу с протоколом, требующим установления логического соединения можно сравнить с телефонным разговором. Когда мы звоним по телефону, мы сначала набираем номер (установление соединения), затем разговариваем (обмен данными) и по окончании разговора вешаем трубки (разрыв соединения).

Протокол без установления соединения обычно сравниваю с почтовой открыткой. Каждая открытка представляет собой самостоятельную единицу (пакет информации или дейтаграмму), которая обрабатывается в почтовом отделении независимо от других открыток. При этом на почте не отслеживается состояние переписки между двумя респондентами и, как правило, нет никакой гарантии, что ваша открытка попадет к адресату. Если на открытке указан неправильный адрес, она никогда не дойдет до получателя, и не возвратиться обратно к отправителю. А если вы захотите отправить вашему собеседнику новую порцию информации, то это уже будет другая транзакция, поскольку нужно будет писать новую открытку, указывать на ней адрес и т. д.

Как видим, у протоколов без установления соединения существует много недостатков и может возникнуть вопрос о надобности таких протоколов. Однако, использование проколов без установления логического соединения все-таки оправдано. Как правило, при помощи таких протоколов организуется связь одного хоста со многими другими, в то время как при использовании протоколов с установлением соединения связь организуется между парой хостов (по одному соединению на каждую пару). Важный момент заключается в том, что протоколы без установления логического соединения являются фундаментом, на котором строятся более сложные протоколы. К примеру, протокол TCP построен на базе протокола IP.

Протоколы транспортного уровня

Протоколами транспортного уровня в четырехуровневом стеке протоколов являются протоколы TCP и UDP.

Давайте рассмотрим, каким образом функционирует протокол TCP. Дело в том, что поскольку TCP-пакеты, иначе называемые сегментами, посылаются при помощи протокола IP, у TCP нет никакой информации о состоянии этих пакетов. Поэтому для того, чтобы хранить информацию о состоянии, TCP к базовому протоколу IP добавляет три параметра.

Во-первых, добавляется сегмент контрольной суммы содержащихся в пакете данных, что позволяет убедиться в том, что в принципе все данные дошли до получателя и не повредились во время транспортировки.

Во-вторых, к каждому передаваемому байту приписывается порядковый номер, что необходимо для определения того, совпадает ли порядок прибытия данных с порядком их отправки. И даже в том случае, если данные пришли не в том порядке, в котором были отправлены, наличие порядковых номеров позволит получателю правильно составить из этих данных исходное сообщение.

В-третьих, базовый протокол IP дополняется также механизмами подтверждения получения данных и повторной отправки, на тот случай, если данные не были доставлены.

Если с первыми двумя параметрами все более-менее понятно, то механизм подтверждения/повторной отправки достаточно сложен и его мы рассмотрим подробнее в другой раз.

Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

---

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.

Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.

Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.

Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.

Дистанционно-векторный протокол RIP

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.

При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.

Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet

Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.

Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.

Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.

Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.

Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.

При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.

Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.

В протоколе EGP определены три основные функции:

* установление соседских отношений,
* подтверждение достижимости соседа,
* обновление маршрутной информации.

Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.

Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.

После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.

Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.

Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.

Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.

[pagebreak]

Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.

Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).

Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.

Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.

Протокол состояния связей OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.

Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.

Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.

Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.

Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.

Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.

В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.

Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.

Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.

Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.

В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:

* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.

Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.

Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.

Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.

Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.

Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.

Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.

Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.

Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).

Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.

Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.

В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.

Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.

В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).

HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.

Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.

Пример маршрутизации по алгоритму OSPF

Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.

Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.

На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.

Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.

[pagebreak]

С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.

Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.

Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.

Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.

После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.

Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.

Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик

В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):

(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)

В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):

(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,

где 20 - размер заголовка IP-пакета,

24 - заголовок пакета OSPF,

20 - размер заголовка сообщения HELLO,

4 - данные на каждого соседа.

Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):

(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с

(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с

Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.

Использование других протоколов маршрутизации

Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.

Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.

В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).

В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.

Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.

Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.

Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.

Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.

Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.

В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.

В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.

Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.

Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.

Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.

Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.

В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.

---

Сегменты TCP

Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом.

В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.

Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.

Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.

Порты и установление TCP-соединений

В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами.

Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.

Установление соединения выполняется в следующей последовательности:

* При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).
* После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.
* Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.
* Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.
* Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.

Концепция квитирования

В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.

Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.

Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна".

Метод с простоями требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). В этом случае производительность обмена данными существенно снижается - хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода квитанции. Снижение производительности для этого метода коррекции особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях.

Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова.

Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола.

Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения.

[pagebreak]

Реализация скользящего окна в протоколе TCP

В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP.

Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции.

В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.

Выбор тайм-аута

Выбор времени ожидания (тайм-аута) очередной квитанции является важной задачей, результат решения которой влияет на производительность протокола TCP.

Тайм-аут не должен быть слишком коротким, чтобы по возможности исключить избыточные повторные передачи, которые снижают полезную пропускную способность системы. Но он не должен быть и слишком большим, чтобы избежать длительных простоев, связанных с ожиданием несуществующей или "заблудившейся" квитанции.

При выборе величины тайм-аута должны учитываться скорость и надежность физических линий связи, их протяженность и многие другие подобные факторы. В протоколе TCP тайм-аут определяется с помощью достаточно сложного адаптивного алгоритма, идея которого состоит в следующем. При каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме (время оборота).

Получаемые значения времен оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. Это делается с тем, чтобы усилить влияние последних замеров. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент. Практика показывает, что значение этого коэффициента должно превышать 2. В сетях с большим разбросом времени оборота при выборе тайм-аута учитывается и дисперсия этой величины.

Реакция на перегрузку сети

Варьируя величину окна, можно повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то возникают очереди в промежуточных узлах-маршрутизаторах и в конечных узлах-компьютерах.

При переполнении приемного буфера конечного узла "перегруженный" протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. Однако даже после этого приложение может послать сообщение на отказавшийся от приема порт. Для этого, сообщение должно сопровождаться пометкой "срочно" (бит URG в запросе установлен в 1). В такой ситуации порт обязан принять сегмент, даже если для этого придется вытеснить из буфера уже находящиеся там данные.

После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна.

Другим проявлением перегрузки сети является переполнение буферов в маршрутизаторах. В таких случаях они могут централизовано изменить размер окна, посылая управляющие сообщения некоторым конечным узлам, что позволяет им дифференцировано управлять интенсивностью потока данных в разных частях сети.

Формат сообщений TCP

Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:

* Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;
* Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;
* Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;
* Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;
* Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;
* Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;
* Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:
* URG - срочное сообщение;
* ACK - квитанция на принятый сегмент;
* PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
* RST - запрос на восстановление соединения;
* SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
* FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.
* Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;
* Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;
* Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;
* Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;
* Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.

История и перспективы стека TCP/IP

---

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. На этом же стеке работает всемирная информационная сеть Internet, чье подразделение Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC.

Если в настоящее время стек TCP/IP распространен в основном в сетях с ОС UNIX, то реализация его в последних версиях сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows NT 3.5, NetWare 4.1, Windows 95) является хорошей предпосылкой для быстрого роста числа установок стека TCP/IP.

Итак, лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:

* Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю.
* Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.
* Это метод получения доступа к сети Internet.
* Этот стек служит основой для создания intranet- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet.
* Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.
* Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.
* Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Структура стека TCP/IP. Краткая характеристика протоколов

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.

Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.

Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.