Основные протоколы стека TCP/IP

При описании основных протоколов стека TCP/IP будем следовать модели стека описанной в предыдущем разделе. Первыми будут рассмотрены протоколы канального ровня SLIP и PPP. Это единственные протоколы этого уровня, которые будут нами рассмотрены, так как были разработаны в рамках Internet и для Internet. Другие протоколы, например, NDIS или ODI, мы рассматривать не будем, т.к. они создавались под другие сети, хотя и могут использоваться в сетях TCP/IP также, как, например, и пакетный протокол.

Протоколы SLIP и PPP

Интерес к этим двум протоколам вызван тем, что они применяются как на коммутируемых, так и на выделенных телефонных каналах. При помощи этих каналов к сети подключается большинство индивидуальных пользователей, а также небольшие локальные сети. Такие линии связи могут обеспечивать скорость передачи данных до 115200 битов за секунду.

Протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol). Технология TCP/IP позволяет организовать межсетевое взаимодействие, используя различные физические и канальные протоколы обмена данными (IEEE 802.3 - Ethernet, IEEE 802.5 - token ring, X.25 и т.п.). Однако без обмена данными по телефонным линиям связи с использованием обычных модемов популярность Internet была бы значительно ниже. Большинство пользователей Сети используют свой домашний телефон в качестве окна в мир компьютерных сетей, подключая компьютер через модем к модемному пулу компании, предоставляющей IP-услуги или к своему рабочему компьютеру. Наиболее простым способом, обеспечивающим полный IP-сервис, является подключение через последовательный порт персонального компьютера по протоколу SLIP.

Согласно RFC-1055, впервые SLIP был включен в качестве средства доступа к IP-сети в пакет фирмы 3COM - UNET. В 1984 году Рик Адамс(Rick Adams) реализовал SLIP для BSD 4.2, и таким образом SLIP стал достоянием всего IP-сообщества.

Обычно, этот протокол применяют как на выделенных, так и на коммутируемых линиях связи со скоростями от 1200 до 19200 бит в секунду. Если модемы позволяют больше, то скорость можно "поднять", т.к. современные персональные компьютеры позволяют передавать данные в порт со скоростью 115200 битов за секунду. Однако при определении скорости обмена данными следует принимать во внимание, что при передаче данных по физической линии данные подвергаются преобразованиям: компрессия и защита от ошибок на линии. Такое преобразование заставляет определять меньшую скорость на линии, чем скорость порта.

Следует отметить, что среди условно-свободно распространяемых программных IP-стеков (Freeware), Trumpet Winsock, например, обязательно включена поддержка SLIP-коммуникаций. Такие операционные системы, как FreeBSD, Linux, NetBSD, которые можно свободно скопировать и установить на своем персональном компьютере, или HP-UX, которая поставляется вместе с рабочими станциями Hewlett Packard, имеют в своем арсенале программные средства типа sliplogin (FreeBSD) или slp (HP-UX), обеспечивающими работу компьютера в качестве SLIP-сервера для удаленных пользователей, подключающихся к IP-сети по телефону. В протоколе SLIP нет определения понятия "SLIP-сервер", но реальная жизнь вносит коррективы в стандарты. В контексте нашего изложения "SLIP-клиент" - это компьютер, инициирующий физическое соединение, а "SLIP-сервер" - это машина, постоянно включенная в IP-сеть. В главе, посвященной организации IP-сетей и подключению удаленных компьютеров, будет подробно рассказано о различных способах подключения по SLIP-протоколу, поэтому, не останавливаясь на деталях такого подключения, перейдем к обсуждению самого протокола SLIP.

В отличие от Ethernet, SLIP не "заворачивает" IP-пакет в свою обертку, а "нарезает" его на "кусочки". При этом делает это довольно примитивно. SLIP-пакет начинается символом ESC (восьмеричное 333 или десятичное 219) и кончается символом END (восьмеричное 300 или десятичное 192). Если внутри пакета встречаются эти символы, то они заменяются двухбайтовыми последовательностями ESC-END (333 334) и ESC-ESC (333 335). Стандарт не определяет размер SLIP-пакета, поэтому любой SLIP-интерфейс имеет специальное поле, в котором пользователь должен указать эту длину. Однако в стандарте есть указание на то, что BSD SLIP драйвер поддерживает пакеты длиной 1006 байт, поэтому "современные" реализации SLIP-программ должны поддерживать эту длину пакетов. SLIP-модуль не анализирует поток данных и не выделяет какую-либо информацию в этом потоке. Он просто "нарезает" ее на "кусочки", каждый из которых начинается символом ESC, а кончается символом END. Из приведенного выше описания понятно, что SLIP не позволяет выполнять какие-либо действия, связанные с адресами, т.к. в структуре пакета не предусмотрено поле адреса и его специальная обработка. Компьютеры, взаимодействующие по SLIP, обязаны знать свои IP-адреса заранее. SLIP не позволяет различать пакеты по типу протокола, например, IP или DECnet. Вообще-то, при работе по SLIP предполагается использование только IP (Serial Line IP все-таки), но простота пакета может быть соблазнительной и для других протоколов. В SLIP нет информации, позволяющей корректировать ошибки линии связи. Коррекция ошибок возлагается на протоколы транспортного уровня - TCP, UDP. В стандартном SLIP не предусмотрена компрессия данных, но существуют варианты протокола с такой компрессией. По поводу компрессии следует заметить следующее: большинство современных модемов, поддерживающих стандарты V.42bis и MNP5, осуществляют аппаратную компрессию. При этом практика работы по нашим обычным телефонным каналам показывает, что лучше отказаться от этой компрессии и работать только с автоматической коррекцией ошибок, например MNP4 или V.42. Вообще говоря, каждый должен подобрать тот режим, который наиболее устойчив в конкретных условиях работы телефонной сети (вплоть до времени года, и частоты аварий на теплотрассах).

Соединения типа "точка-точка" - протокол PPP (Point to Point Protocol). PPP - это более молодой протокол, нежели SLIP. Однако, назначение у него то же самое - управление передачей данных по выделенным или коммутируемым линиям связи. Согласно RFC-1661, PPP обеспечивает стандартный метод взаимодействия двух узлов сети. Предполагается, что обеспечивается двунаправленная одновременная передача данных. Как и в SLIP, данные "нарезаются" на фрагменты, которые называются пакетами. Пакеты передаются от узла к узлу упорядоченно. В отличии от SLIP, PPP позволяет одновременно передавать по линии связи пакеты различных протоколов. Кроме того, PPP предполагает процесс автоконфигурации обоих взаимодействующих сторон. Собственно говоря, PPP состоит из трех частей: механизма инкапсуляции (encapsulation), протокола управления соединением (link control protocol) и семейства протоколов управления сетью (network control protocols).

При обсуждении способов транспортировки данных при межсетевом обмене часто применяется инкапсуляция, например, инкапсуляция IP в X.25. С инкапсуляцией TCP в IP мы уже встречались. Инкапсуляция обеспечивает мультиплексирование различных сетевых протоколов (протоколов межсетевого обмена, например IP) через один канал передачи данных. Инкапсуляция PPP устроенна достаточно эффективно, например, для передачи HDLC фрейма требуется всего 8 дополнительных байтов (8 октетов, согласно терминологии PPP). При других способах разбиения информации на фреймы число дополнительных байтов может быть сведено до 4 или даже 2. Для обеспечения быстрой обработки информации граница PPP пакета должна быть кратна 32 битам. При необходимости в конец пакета для выравнивания на 32-битовую границу добавляется "балласт". Вообще говоря, понятие инкапсуляции в терминах PPP - это не только добавление служебной информации к транспортируемой информации, но, если это необходимо, и разбиение этой информации на более мелкие фрагменты.

Под датаграммой в PPP понимают информационную единицу сетевого уровня, применительно к IP - IP-пакет. Под фреймом понимают информационную единицу канального уровня (согласно модели OSI). Фрейм состоит из заголовка и хвоста, между которыми содержатся данные. Датаграмма может быть инкапсулирована в один или несколько фреймов. Пакетом называют информационную единицу обмена между модулями сетевого и канального уровня. Обычно, каждому пакету ставится в соответствие один фрейм, за исключением тех случаев, когда канальный уровень требует еще большей фрагментации данных или, наоборот, объединяет пакеты для более эффективной передачи. Типичным случаем фрагментации являются сети ATM. В упрощенном виде PPP-фрейм показан на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. PPP-фрейм

В поле "протокол" указывается тип инкапсулированной датаграммы. Существуют специальные правила кодирования протоколов в этом поле (см.ISO 3309 и RFC-1661). В поле "информация" записывается собственно пакет данных, а в поле "хвост" добавляется "пустышка" для выравнивания на 32-битувую границу. По умолчанию для фрейма PPP используется 1500 байтов. В это число не входит поле "протокол".

Протокол управления соединением предназначен для установки соглашения между узлами сети о параметрах инкапсуляции (размер фрейма, например). Кроме этого, протокол позволяет проводить идентификацию узлов. Первой фазой установки соединения является проверка готовности физического уровня передачи данных. При этом такая проверка может осуществляться периодически, позволяя реализовать механизм автоматического восстановления физического соединения, как это бывает при работе через модем по коммутируемой линии. Если физическое соединение установлено, то узлы начинают обмен пакетами протокола управления соединением, настраивая параметры сессии. Любой пакет, отличный от пакета протокола управления соединением, не обрабатывается во время этого обмена. После установки параметров соединения возможен переход к идентификации. Идентификация не является обязательной. После всех этих действий происходит настройка параметров работы с протоколами межсетевого обмена (IP, IPX и т.п.). Для каждого из них используется свой протокол управления. Для завершения работы по протоколу PPP по сети передается пакет завершения работы протокола управления соединением.

Процедура конфигурации сетевых модулей операционной системы для работы по протоколу PPP более сложное занятие, чем аналогичная процедура для протокола SLIP. Однако, возможности PPP соединения гораздо более широкие. Так, например, при работе через модем модуль PPP, обычно, сам восстанавливает соединение при потере несущей частоты. Кроме того, модуль PPP сам определяет параметры своих фреймов, в то время как при SLIP их надо подбирать вручную. Правда, если настраивать оба конца, то многие проблемы не возникают из-за того, что параметры соединения известны заранее. Более подробно с протоколом PPP можно познакомиться в RFC-1661 и RFC-1548.