Состав и структура сети интернет

Протоколы транспортного  уровня управляют передачей данных из одной программы в другую. К  протоколам транспортного уровня принадлежат TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). 

Протоколы уровня сеансов связи отвечают за установку, поддержание и уничтожение соответствующих  каналов. В Internet этим занимаются уже  упомянутые TCP и UDP протоколы, а также  протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol). 

Протоколы представительского уровня занимаются обслуживанием прикладных программ. К программам представительского уровня принадлежат программы, запускаемые, к примеру, на Unix-сервере, для предоставления различных услуг абонентам. К таким программам относятся: telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NFS-сервер, NNTP (Net News Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP2 и POP3 (Post Office Protocol) и т.д. 

К протоколам прикладного  уровня относятся сетевые услуги и программы их предоставления. 

О том, как работает Internet. 

Перемещая биты с одного места на другое. 

Современные сети создаются по многоуровневому принципу. Передача сообщений в виде последовательности битов начинается на уровне линий  связи и аппаратуры, причём линии  связи не всегда высокого качества. Затем добавляется уровень базового программного обеспечения, управляющего работой аппаратуры. Следующий уровень программного обеспечения позволяет наделить базовые программные средства дополнительными необходимыми возможностями. Расширение функциональных возможностей сети путём добавления уровня за уровнем приводит к тому, что Вы в конце концов получаете по-настоящему дружественный и полезный инструментарий. 

Сети с коммутацией  пакетов. 

Когда Вы пытаетесь  представить себе, что же такое Internet и как она работает, вполне естественно, что у Вас возникают ассоциации с телефонной сетью. В конце концов, обе эти структуры используют электронные средства передачи, обе позволяют устанавливать соединение и передавать информацию; кроме того, в Internet в основном используются выделенные телефонные линии. К сожалению, это неверное представление, и оно является причиной непонимания принципов работы Internet. Телефонная сеть – это сеть с коммутацией каналов. Когда Вы производите вызов, Вам выделяется некоторая часть это сети. Даже если Вы не используете ее (например, находитесь в режиме удержания), она остается недоступной для других абонентов, которым в этот момент нужно позвонить. Это приводит к тому, что такой дорогой ресурс, как сеть, используется неэффективно. 

Более соответствующая действительному положению вещей модель Internet – почтовое ведомство США. Почтовое ведомство представляет собой сеть с коммутацией пакетов. Здесь у Вас нет выделенного участка сети. Ваша корреспонденция смешивается с другими письмами, отправляется в почтовое отделение и сортируется. Несмотря на то, что технологии абсолютно разные, служба доставки почты представляет собой удивительно точный аналог сети; мы будем продолжать пользоваться этой моделью во всех остальных разделах данной главы. 

Межсетевой протокол (IP). 

С помощью линий  связи обеспечивается доставка данных из одного пункта в другой. Но Вы уже  знаете, что Internet может доставлять данные во многие точки, разбросанные по всему  земному шару. Как это происходит? 

Различные участки Internet связываются с помощью системы компьютеров (называемых маршрутизаторами) соединяющих между собой сети. Это могут быть сети Internet, сети с маркерным доступом, телефонные линии (см. рис.1). 
 
 

Телефонные линии  и сети Ethernet эквивалентны автомобилям  и самолетам службы доставки почты. Маршрутизаторы – это почтовые подстанции; они принимают решения о том, куда направлять данные ("пакеты"), так же, как почтовая подстанция решает, куда направлять конверты с почтой. Каждая подстанция, или маршрутизатор, не имеет связи с остальными станциями. Если Вы опустили письмо в почтовый ящик в Нью-Хэмпшире, а адресат живет в Калифорнии, то местное почтовое отделение не будет бронировать самолет, чтобы доставить Ваше письмо в Калифорнию. Местное почтовое отделение посылает письмо на подстанцию, подстанция посылает его на другую подстанцию и так далее, пока письмо не дойдет до адресата. Таким образом, каждой подстанции нужно знать только, какие имеются соединения и какой из "следующих скачков" будет лучшим для перемещения пакета ближе к пункту назначения. Похожая ситуация складывается и в Internet: маршрутизатор смотрит, куда адресованы Ваши данные, и решает, куда их посылать. 

Откуда Internet знает, куда следует направить Ваши данные? Если Вы отправляете письмо, то, просто опустив его в почтовый ящик без конверта, Вы не можете рассчитывать, что корреспонденция будет доставлена по назначению. Письмо нужно вложить в конверт, написать на конверте адрес и наклеить марку. Точно так же, как почтовое отделение следует по правилам, которые определяют порядок работы почтовой сети, определенные правила регламентируют порядок работы Internet. Эти правила называют протоколами. Межсетевой протокол (Internet Protocol, IP) отвечает за адресацию, т.е. гарантирует, что маршрутизатор знает, что делать с Вашими данными, когда они поступят. Следуя нашей аналогии с почтовым ведомством, можно сказать, что межсетевой протокол выполняет функции конверта. 

Некоторая адресная информация приводится в начале Вашего сообщения. Она даёт сети достаточно сведений для доставки пакета данных. 

Internet - адреса  состоят из четырёх чисел, каждое  из которых не превышает 256. При записи числа отделяются  одно от другого точками, например: 

192.112.36.5 

128.174.5.6 

Адрес фактически состоит из нескольких частей. Поскольку Internet – это сеть сетей, то начало адреса содержит информацию для маршрутизаторов о том, к какой сети относится Ваш компьютер. Правая часть адреса служит для того, чтобы сообщить сети, какой компьютер должен получить этот пакет. Каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный адрес. Здесь нам опять поможет аналогия со службой доставки почты. Возьмем адрес "50 Kelly Road, Hamden, CT". Элемент "Hamden, CT" похож на адрес сети. Благодаря этому конверт попадает в необходимое почтовое отделение, то, которое знает об улицах в определенном районе. Элемент "Kelly Road" похож на адрес компьютера; он указывает на конкретный почтовый ящик в районе, который обслуживает данное почтовое отделение. Почтовое ведомство выполнило свою задачу, доставив почту в нужное местное отделение, а это отделение положило письмо в соответствующий почтовый ящик. Аналогичным образом, Internet выполнила свою задачу, когда ее маршрутизаторы направили данные в соответствующую сеть, а эта локальная сеть – в соответствующий компьютер. 

По целому ряду технических причин (в основном это аппаратные ограничения) информация, посылаемая по IP- сетям, разбивается на порции, называемые пакетами. В одном пакете обычно посылается от одного до 1500 символов информации. Это не дает возможности одному пользователю монополизировать сеть, однако позволяет каждому рассчитывать на своевременное обслуживание. Это также означает, что в случае перегрузки сети качество ее работы несколько ухудшается для всех пользователей: она не умирает, если ее монополизировали несколько солидных пользователей. 

Одно из достоинств Internet состоит в том, что для  работы на базовом уровне достаточно только межсетевого протокола. Сеть будет не очень дружественной, но если Вы будете вести себя достаточно разумно, то решите свои задачи. Поскольку Ваши данные помещаются в IP- конверт, то сеть имеет всю информацию, необходимую для перемещения этого пакета из Вашего компьютера в пункт назначения. Здесь, однако, возникает сразу несколько проблем. 

Во-первых, в  большинстве случаев объем пересылаемой информации превышает 1500 символов. Если бы почта принимала только открытки, Вас бы это, естественно, разочаровало. 

Во-вторых, может  произойти ошибка. Почтовое ведомство  иногда теряет письма, а сети иногда теряют пакеты или повреждают их при  передаче. Вы увидите, что в отличие от почтовых отделений Internet успешно решает такие проблемы. 

В-третьих, последовательность доставки пакетов может быть нарушена. Если Вы послали по одному адресу одно за другим два письма, то нет никакой  гарантии, что они пойдут по одному маршруту или придут в порядке их отправления. Такая же проблема существует и в Internet. 

Поэтому следующий  уровень сети даст нам возможность  пересылать более крупные порции информации и позаботиться об устранении тех искажений, которые вносит сама сеть. 

Протокол управления передачей (ТСР). 

Для решения  упомянутых выше проблем используется "протокол управления передачей" (Transmission Control Protocol, TCP), который часто  упоминают вместе с протоколом IP. Как следовало бы поступить в  случае, если Вы хотите послать кому-нибудь книгу, а почта принимает только письма? Выход один: вырвать из книги все страницы, вложить каждую в отдельный конверт и бросить все конверты в почтовый ящик. Получателю пришлось бы собирать все страницы (при условии, что ни одно письмо не пропало) и склеивать обратно в книгу. Вот эти задачи и выполняет ТСР. 

Информацию, которую  Вы хотите передать, ТСР разбивает  на порции. Каждая порция нумеруется, чтобы  можно было проверить, вся ли информация получена, и расположить данные в правильном порядке. Для передачи этого порядкового номера по сети у протокола есть свой собственный "конверт", на котором "написана" необходимая информация . Порция Ваших данных помещается в конверт ТСР. Конверт ТСР, в свою очередь, помещается в конверт IP и передается в сеть. 

На принимающей  стороне программное обеспечение  протокола ТСР собирает конверты, извлекает из них данные и располагает  их в правильном порядке. Если каких-нибудь конвертов нет, программа просит отправителя передать их еще раз. После размещения всей информации в правильном порядке эти данные передаются той прикладной программе, которая использует услуги ТСР. 

Это, однако, несколько  идеализированное представление о  ТСР. В реальной жизни пакеты не только теряются, но и претерпевают изменения по дороге ввиду кратковременных отказов в телефонных линиях. ТСР решает и эту проблему. При помещении данных в конверт производится вычисление так называемой контрольной суммы. Контрольная сумма – это число, которое позволят принимающему ТСР выявлять ошибки в пакете. Когда пакет прибывает в пункт назначения, принимающий ТСР вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с той, которую послал отправитель. Если значения не совпадают, то при передаче произошла ошибка. Принимающий ТСР отбрасывает этот пакет и запрашивает повторную передачу. 

Другие протоколы  передачи. 

Протокол ТСР  создает видимость выделенной линии  связи между двумя прикладными  программами, т.к. гарантирует, что информация, входящая на одном конце, выходит  на втором. В действительности не существует выделенного канала между отправителем и получателем (другие люди могут использовать эти же маршрутизаторы и сетевые провода для передачи своей информации в промежутке между Вашими пакетами), однако создается впечатление, что он есть, и на практике этого обычно бывает достаточно. 

Это не самый  лучший подход к использованию сети. Формирование ТСР - соединения требует  значительных расходов и затрат времени; если этот механизм не нужен, лучше  не использовать его. Если данные, которые  необходимо послать, помещаются в одном пакете, и гарантия доставки не особенно важна, ТСР может стать обузой. 

Существует еще  один стандартный протокол, который  позволяет избежать таких накладных  расходов. Он называется "протокол пользовательских дейтаграмм" (user datagram protocol, UDP) и используется в некоторых прикладных программах. Вместо вкладывания Ваших данных в конверт TCP и помещения этого конверта в конверт IP прикладная программа вкладывает данные в конверт UDP, который и помещается в конверт IP. 

UPD проще ТСР, потому что этот протокол не заботится о пропавших пакетах, расположении данных в правильном порядке и других тонкостях. UDP используется для тех программ, которые посылают только короткие сообщения и могут повторить передачу данных, если ответ задерживается. Предположим, что Вы пишете программу, которая ищет номера телефонов в одной из сетевых баз данных. Нет нужды устанавливать ТСР - соединение для того, чтобы передать по всем направлениям по 20-30 символов. Можно просто поместить имя в один UDP- пакет, вложить его в IP- пакет и отослать. Принимающая прикладная программа получит этот пакет, прочитает имя, найдет номер телефона, вложит его в другой UDP- пакет и отправит обратно. Что случится, если пакет по дороге потеряется? Это – проблема Вашей программы: если слишком долго нет ответа, она посылает еще один запрос. 

Прикладные программы. 

Большинство пользователей  не испытывают интереса к потоку битов  между компьютерами, какими бы скоростными  не были линии и какой бы экзотической не была технология, которая позволила его получить. Они хотят быстро использовать этот поток битов для каких-то полезных задач, будь то перемещение файла, доступ к данным или просто игра. Прикладные программы – это части программного обеспечения, которые позволяют удовлетворить эти потребности. Такие программы составляют еще один уровень программного обеспечения, надстраиваемый над сервисом ТСР или UDP. Прикладные программы предоставляют пользователю средства для решения конкретной задачи.