Набор протоколов TCP/IP разделен на уровни гораздо проще, чем предусмотрено моделью OSI. TCP и UDP – это транспортные протоколы, соответствующие уровню 4 OSI. Они используют IP, протокол уровня 3 OSI (сетевого уровня). Кроме этих трех протоколов, в наборе протоколов TCP/IP есть еще два базовых протокола, расширяющих IP: ICMP и IGMP. Функциональные возможности этих протоколов должны быть реализованы в уровне, содержащем IP.
Internet Protocol соединяет два узла. Каждый узел идентифицируется 32-битным адресом, называемым IP-адресом. При отправке сообщения IP-протокол получает его от протоколов верхнего уровня, TCP или UDP, и добавляет IP-заголовок, содержащий информацию о хосте-адресате.
Чтобы понять протокол IP, самый лучший способ — детально исследовать IP-заголовок. Содержащаяся в нем информация приведена в таблице:
| Поле | Длина | Описание |
|---|---|---|
| Версия IP | 4 бита | Версия протокола IP, создавшего заголовок. Текущая версия протокола IP — 4. |
| Длина IP-заголовка | 4 бита | Длина заголовка. Минимальное значение — 5 в единицах по 32 бита, или 4 байта. Следовательно, минимальная длина заголовка равна 20 байтам. |
| Тип обслуживания | 1 байт | Поле типа обслуживания позволяет отправлять сообщения с нормальной или высокой производительностью, нормальной или увеличенной задержкой, нормальной или высокой надежностью. Это поле полезно при отправке в сеть дейтаграмм. Несколько разновидностей сетей используют эту информацию, чтобы выделить приоритет определенного трафика. Кроме того, сообщения управления сетью по сравнению с обычными сообщениями имеют повышенные приоритет и надежность. |
| Общая длина | 2 байта | В этих двух байтах задается общая длина сообщения — заголовка и данных— в октетах. Максимальный размер IP-пакета равен 65 535 байтов, но для большинства сетей такой размер непрактичен. Самый большой размер, который может быть принят всеми хостами, равен 576 байтам. Длинные сообщения могут разделяться на фрагменты — такой процесс называется фрагментацией. |
| Идентификация | 2 байта | Если сообщение разбито на фрагменты, поле идентификации помогает собрать фрагменты сообщения. Все фрагменты одного сообщения имеют один и тот же идентификационный номер. |
| Флаги | 3 бита | Эти флаги указывают, фрагментировано ли сообщение и является ли текущий пакет последним фрагментом сообщения. |
| Смещение фрагмента | 13 битов | В этих 13 битах задается смещение фрагментированного сообщения. Фрагменты могут поступать не в том порядке, в каком они были отправлены, поэтому смещение необходимо, чтобы восстановить исходные данные. Первый фрагмент сообщения имеет длину О, а в остальных фрагментах дается смещение, по которому следует поместить фрагмент. Единица смещения равна 8 байтам, так что значение смещения 64 означает, что второй фрагмент нужно присоединить к сообщению после 512 байтов первого пакета. |
| Время жизни | 1 байт | Значение “время жизни” (TTL) задает число секунд, которое сообщение может существовать, прежде чем будет отброшено. В этом значении необязательно указывается число секунд, поскольку каждый маршрутизатор, пересекаемый сообщением, должен уменьшить значение TTL на 1, даже если он затратил на обработку сообщения меньше одной секунды. Поэтому на практике в этом значении задается число допустимых “прыжков”. |
| Протокол | 1 байт | В этом байте указывается протокол, используемый на следующем уровне стека протоколов для этого сообщения. Номера протоколов определены в доступной оперативной базе данных Internet Assigned Number Authority (IANA). |
| Контрольная сумма заголовка | 2 байта | Это контрольная сумма одного заголовка. Поскольку заголовок изменяется с каждым отправленным сообщением, контрольная сумма также изменяется. |
| Адрес источника | 4 байта | В этом поле указывается 32-битный IP-адрес отправителя. |
| Адрес назначения | 4 байта | Это 32-битный IP-адрес, по которому отправлено сообщение. |
| Опции | переменная | Здесь могут появляться необязательные поля. Например, можно указать, что это сообщение секретно или совершенно секретно. Также предусмотрена возможность будущих расширений. |
| Дополнение | переменная | Это поле содержит переменное число нулей, такое, чтобы заголовок заканчивался на 32-битной границе. |
Internet Protocol (IP) определен в RFC 791. Документы RFC (Request for Comments) содержат техническую информацию о многих важных интернет-технологиях.
IP-адрес
Каждый узел в сети TCP/IP может быть идентифицирован 32-битным IP-адресом. Обычно IP-адрес представляется четырьмя десятичными значениями в таком виде: 192.168.0.1. Каждое из этих чисел представляет собой один байт IP-адреса и может находиться в пределах от 0 до 255.
IP-адрес содержит две части: сетевую часть и часть хоста. В зависимости от класса сети сетевая часть состоит из одного, двух или трех байтов:
| Класс | Байт 1 | Байт 2 | Байт 3 | Байт 4 |
|---|---|---|---|---|
| A | Сеть (1—126) | Хост (0-255) | Хост (0—255) | Хост (0—255) |
| B | Сеть (128—191) | Сеть (0—255) | Хост (0—255) | Хост (0—255) |
| C | Сеть (192—223) | Сеть (0—255) | Сеть (0—255) | Хост (0—255) |
Первый бит адреса сети класса А должен быть 0, поэтому первый байт для сети класса А имеет двоичные значения в пределах от 00000001 (1) до 01111110 (126). Остальные три байта служат для идентификации узлов в сети, позволяя соединить в сети класса А более 16 млн. устройств.
Заметим, что в приведенной таблице адреса с числом 127 в первом байте пропущены, поскольку это зарезервированный диапазон адресов. Адрес 127.0.0.1 — это всегда адрес локального хоста, а 127.0.0.0 — адрес локальной обратной связи. Обратная связь используется для тестирования стека сетевых протоколов на одной машине, без прохода через сетевую интерфейсную плату.
В IP-адресе для сети класса В первые два бита всегда имеют значение 10, что дает диапазон от 10000000 (128) до 10111111 (191). Второй байт продолжает идентификацию сети значением от 0 до 255, оставляя два последних байта для идентификации узлов сети, всего до 65 534 устройств.
Сети класса С отличаются IP-адресом, в котором в первых трех битах установлено значение 110, разрешая значения в диапазоне от 11000000 (192) до 11011111 (223). В сети этого типа лишь один байт оставлен для идентификации узлов, поэтому к ней можно подсоединить только 254 устройства.
Число устройств, которое можно подсоединить к сети каждого из этих классов с особыми IP-адресами, обратно пропорционально числу возможных сетей этого типа. Например, сеть класса А, допуская 16 млн. хостов, оставляет только часть первого байта для идентификации сети. В результате во всем мире может существовать лишь 126 сетей класса А. Только крупные компании, подобные AT & Т, IBM, Xerox и HP, имеют такой сетевой адрес. Когда компания запрашивает IP-сеть в органе, ведающем сетями, обычно она получает сеть класса С.
Если компания пожелает, чтобы больше хостов напрямую были подключены к Интернету, можно найти еще одну сеть класса С. Если для каждого хоста в сети не требуется прямого доступа к Интернету, можно использовать частный IP-адрес, и тогда применяется другая опция.
Сетевые адреса классов А, В и С оставляют свободными адреса, имеющие в первом байте значения от 224 до 255.
Агентство IANA выделяет номера сетей и публикует их перечень на странице http://www.iana.org/assignments/ipv4-adclress-space. Почти во всех странах есть региональные регистрационные ведомства, выдающие по запросам номера сетей. Региональные ведомства получают диапазон сетей от IANA.
Чтобы избежать исчерпания IP-адресов, хосты, не соединенные напрямую с Интернетом, могут использовать адреса из диапазонов частных адресов. Частные адреса уникальны не глобально, а только локально, внутри сети. Во всех классах сетей резервируются определенные диапазоны, которые могут использоваться как частные адреса хостами, не требующими непосредственного двустороннего доступа к Интернету. Такие хосты вполне могут обращаться к Интернету через шлюз, который не посылает во внешнюю сеть частный IP-адрес.
Подсети
Для соединения двух узлов в разных сетях требуется маршрутизатор. Номер хоста определяется 24 битами IP-адреса класса А, в то время как для сети класса С доступно лишь 8 битов. Маршрутизатор разделяет номер хоста на номер подсети и номер хоста в подсети. Включение дополнительных маршрутизаторов сократит объемы широковещательной передачи в сети, а это может сократить нагрузку в сети.
Новые маршрутизаторы главным образом включаются, чтобы улучшить возможность соединения между группами компьютеров в разных зданиях, городах и т. д. Рассмотрим пример разделения сети класса С с адресом 194.180.44 на подсети.
Такая сеть может фильтровать адреса с помощью маски подсети (subnet mask) 255.255.255.224. Первые три байта (состоящие из всех единиц) представляют собой маску для сети класса С. Последний байт – это десятичное значение двоичного представления 11100000, в котором первые три бита адреса хоста указывают подсеть, а последние пять битов представляют адрес хоста в конкретной подсети. Три бита подсети представляют 128, 64 и 32, и, таким образом, поддерживаются адреса подсетей, показанные ниже:
IPv6
Протокол, предшествовавший Internet Protocol, был разработан Управлением перспективных исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) в 1960-х годах, а набор протоколов TCP/IP получил признание лишь в 1980 г. Поскольку IP базировался на существовавших сетевых протоколах DARPA, он получил номер версии 4 и теперь известен как IPv4. В те времена, когда человечество в большинстве своем представляло себе мобильный телефон как трубку, которую можно снимать со стены и переносить к дивану, число хостов, поддерживаемых IP, казалось более чем достаточным.
Однако сегодня все хотят подключить к Интернету холодильники и газонокосилки, и IETF разработало новую версию IP – IPv6. Наиболее важное изменение этой версии по сравнению с IPv4 заключается в использовании для адресации не 32, а 128 битов, что позволит всем Tablet PC, Pocket PC, мобильным телефонам, телевизорам, автомобилям, газонокосилкам, кофеваркам и мусорным контейнерам стать полноправными хостами Интернета. 🙂
Кроме возможности назначить адрес почти каждому атому в Солнечной системе, в IPv6 появляется еще несколько полезных изменений:
- Возможности расширенной адресации. Чтобы определить диапазон адресов групповой рассылки, в адреса IPv6 может включаться маршрутная информация о группах. Кроме того, появляется альтернативный адрес для отправки сообщения любому хосту или любой группе хостов.
- Упрощение формата заголовка. Некоторые поля заголовка IPv4 удаляются, другие становятся необязательными. Однако полная длина заголовка IPv6 больше, чем в IPv4 из-за 128-битных адресов источника и назначения.
- Улучшенная поддержка расширяемости. В будущем добавлять расширения к протоколу IPv6 станет легче. Ограничения на длину для опций удалено.
- Маркирование потока. Для конкретных потоков трафика добавляется новая возможность. Поток – это последовательность пакетов, перемещающаяся от источника к назначению. В новом протоколе приложения могут предлагать аудио- и видеовозможности в реальном времени по различным потокам. Каждый поток может запрашивать обработку в реальном времени или особо качественную обработку у маршрутизаторов, через которые он распространяется.
- Аутентификация и секретность. Добавляются расширения IPv6, поддерживающие аутентификацию, секретность и конфиденциальность отправляемых данных.
Номера портов
Для идентификации узлов сети протокол IP использует IP-адреса, а транспортный уровень (уровень 4) использует конечные точки для идентификации приложения. Чтобы указать конечную точку приложения, протоколы TCP и UDP вместе с IP-адресом используют номер порта.
Сервер должен предоставить известную конечную точку, с которой мог бы соединиться клиент, хотя номер порта может создаваться для клиента динамически. Номера портов TCP и UDP имеют длину 16 битов, их можно подразделить на три категории:
- Системные (известные) номера портов
- Пользовательские (зарегистрированные) номера портов
- Динамические, или частные, порты
Системные номера портов находятся в диапазоне от 0 до 1023. Эти номера должны использоваться только системными, привилегированными процессами. Широко известные протоколы пользуются номерами портов, установленными по умолчанию из этого диапазона.
Пользовательские номера портов находятся в диапазоне от 1024 до 49151. Ваше серверное приложение обычно будет занимать один из этих портов, и вы, если захотите сделать его известным сообществу пользователей Интернета, сможете зарегистрировать номер порта в IANA.
Динамические номера портов принимают значения из диапазона от 49 152 до 65 535. Если не требуется знать номер порта до запуска приложения, подойдет порт в этом диапазоне. Клиентские приложения, которые соединяются с серверами, могут использовать такой порт.
Запустив утилиту netstat с опцией -а, мы увидим перечень всех используемых в данный момент портов и указание о состоянии соединения — находится ли соединение в состоянии прослушивания или соединение уже было установлено:
В файле services из каталога <windir>system32driversetc перечислены многие предопределенные пользовательские и системные номера портов. Если порт содержится в перечне этого файла, то утилита netstat вместо номера порта отобразит имя протокола.