TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security)

Существует два основных типа взаимодействия между приложениями. Первый тип — связи, ориентированные на создание соединения (connection-oriented), — применяется при работе приложения с потоком данных. Второй вариант — связи без создания соединения (connectionless) — предполагает обмен независимыми сообщениями и подходит для случайных взаимодействий между приложениями при небольшом объеме пересылаемых данных.

2.2.1 Коммуникации с созданием соединений (TCP)

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) отвечает в TCP/IP за надежные коммуникации с созданием соединения по принципу "равный с равным". Сеанс регистрации с терминала и пересылка файлов выполняются с помощью TCP.

2.2.2 Коммуникации без создания соединений (UDP)

Некоторые операции обмена данными не требуют постоянного взаимодействия систем. Например, база данных на сетевом сервере может содержать таблицы имен сотрудников компании и их телефонные номера. Узнать номер телефона конкретного сотрудника можно при передаче на сервер запроса с указанием имени этого сотрудника. Сервер должен будет ответить сообщением, содержащим соответствующий телефонный номер. Такой тип взаимодействия поддерживается протоколом пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol — UDP).

2.2.3 Интерфейс программирования socket

Реализации TCP/IP обычно предоставляют для разработчиков коммуникационный программный интерфейс. Многие из таких интерфейсов основаны на программном интерфейсе socket (дословно — "штепсельная розетка", "гнездо"), который первоначально был разработан для операционной системы Unix университета Беркли.

К программному интерфейсу socket относятся:

■ Простые подпрограммы для создания, пересылки и приема независимых сообщений, используемых при коммуникациях без создания соединения по протоколу UDP

■ Программы для создания соединения TCP, передачи и приема данных, а также для закрытия созданного соединения

2.2.4 Программный интерфейс RPC

Хотя и не так широко распространенный, как socket, программный интерфейс вызова удаленных процедур (Remote Procedure Call — RPC) для соединений типа клиент/сервер достаточно часто используется в различных системах. Первоначально он был реализован в компьютерах компании Sun Microsystems, а затем перемещен на многие другие платформы.

Клиент, использующий интерфейс RPC, способен вызывать подпрограммы, которые автоматически пересылают запрос на сервер. Сервер исполняет затребованную подпрограмму и возвращает ее выходные результаты клиенту. Именно с этим связано название данного интерфейса, поскольку локально запущенная программа может инициировать обработку на удаленной системе.

Например, описанное в п. 2.2.2 приложение для просмотра телефонных номеров может быть реализовано через программы RPC.

Реализация TCP/IP предполагает доступность, по крайней мере, трех прикладных служб: пересылки файлов, удаленной регистрации и электронной почты. Многие продукты имеют клиентские и серверные службы для WWW, а также функции для печати на удаленных принтерах.

2.3.1 Пересылка файлов

Пересылка файлов (file transfer) является старейшей службой TCP/IP. Протокол пересылки файлов (File Transfer Protocol — FTP) разрешает пользователю пофайловое копирование с одной системы на другую. FTP имеет дело с простыми типами файлов, такими как текстовые файлы в коде для обмена информацией Американского национального института стандартов (American National Standard Code for Information Interchange — ASCII) или неструктурированные двоичные файлы. FTP обеспечивает пользователю доступ к удаленной файловой системе для выполнения служебных операций: переименования и удаления файлов либо создания новых каталогов.

2.3.2 Доступ с терминала

В начале 70-х гг. многие производители компьютеров создавали модели терминалов, которые были совместимы только с их собственными компьютерными системами. Министерство обороны США закупало оборудование у различных производителей и, естественно, настаивало на обеспечении для каждого терминала единообразного доступа к любому компьютеру сети. Протокол терминального доступа telnet сделал возможными такие операции для любого типа терминала. С течением времени telnet расширил свои возможности по работе с самыми разнообразными моделями терминалов и операционными системами.

2.3.3 Электронная почта

Электронная почта (далее будем называть ее просто почтой, а когда речь пойдет об обычной почтовой службе, это будет оговорено дополнительно.— Прим. пер.) привела к распространению TCP/IP среди многих конечных пользователей. Стандартизованы два аспекта почтовой службы:

■ Формат почтового сообщения, пересылаемого между пользователями. Определены форматы для неструктурированного текста, текста, состоящего из нескольких частей, и мультимедийных сообщений.

■ Механизмы для направления и пересылки методом сохранить-переслать дальше при обмене почтовыми сообщениями между хостами. С первых дней Интернета для этого применяется простой протокол пересылки почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP). Более поздние расширения добавили этой службе новые функции.

Многие лицензионные почтовые системы были подключены к Интернету, что существенно расширило круг потенциальных пользователей почтовой службы.

На рис. 2.1 показано взаимодействие между хостами сети. Отметим, что TCP/IP полностью соответствует сетевой архитектуре "равный с равным" и любой из хостов может выступать как клиент или сервер, а также одновременно как клиент и сервер.

Рис. 2.1. Прикладные службы сети TCP/IP

2.3.4 Служба WWW

Word Wide Web (WWW) — наиболее привлекательная система из всех прикладных служб клиент/сервер, реализованных в TCP/IP. Пользователь может получить доступ к прекрасно оформленным документам, содержащим графические изображения и звуковые файлы, легко перемещаться между сайтами сети одним щелчком мыши и проводить поиск в огромных информационных архивах.

К набору протоколов TCP/IP были добавлены и другие службы. Ниже рассмотрены наиболее популярные и широко распространенные.

2.4.1 Доступ к файлам

Файловые серверы дают пользователю возможность работать с удаленными файлами так, как если бы они располагались на локальной системе. Первоначально файловые серверы получили распространение в локальных сетях персональных компьютеров как средство совместного использования дисковых ресурсов, централизации обслуживания и резервного копирования.

Многие продукты TCP/IP включают сетевую файловую систему (Network File System — NFS). Такие продукты поддерживают одну или обе роли NFS:

Доступ клиента к файлам. Позволяет компьютеру получить доступ к удаленным файлам как к локальным. Конечный пользователь и локальные программы могут не учитывать реальное размещение файла в сети.

Файловый сервер. Обслуживает каталоги, доступ к которым разрешен для других сетевых компьютеров.

2.4.2 Новости

Приложения для работы с электронными новостями появились для обслуживания локальных электронных досок объявлений (bulletin board) и распространения находящихся на них данных на другие сайты сети.

Многие организации используют бесплатное программное обеспечение для публикации внешней информации электронным способом. Другие организуют доступ к группам новостей Интернета, на которых обсуждаются самые разнообразные темы, начиная от спорта и кончая физикой плазмы. Такое программное обеспечение применяется и для доступа к коммерческим информационным службам новостей, например к Рейтер, АР или UPI.

2.4.3 Служба имен DMS

Для использования сетевых служб требуется способ идентификации удаленных компьютеров. Пользователи и программы могут указывать нужный компьютер по его имени, которое легко запомнить или ввести.

Для создания соединения с хостом имя хоста должно быть преобразовано в его цифровой адрес. Первоначально каждый хост TCP/IP хранил полный список всех имен и адресов для хостов сети. Однако при стремительном расширении Интернета это стало невозможным, поскольку число хостов стало измеряться тысячами и миллионами.

Система именования доменов (Domain Name System — DNS) предназначена для решения этой проблемы. DNS представляет собой базу данных для имен и адресов хостов, которая распределена по тысячам отдельных серверов. Протокол DNS разрешает пользователю послать запрос к базе данных локального сервера и получить ответ, который, возможно, придет от удаленного сервера.

Кроме трансляции имен и адресов хостов, серверы DNS предоставляют информацию для маршрутизации сообщений электронной почты в точку назначения.

2.4.4 Коммерческое программное обеспечение

Многие сторонние разработчики создают приложения, работающие поверх TCP/IP. Например, производители баз данных соединяют настольные компьютеры-клиенты с серверами средствами TCP/IP.

2.4.5 Управление сетью

По прошествии некоторого времени многие инструменты сетевого управления стали создаваться на основе набора протоколов TCP/IP. Например, существуют команды, позволяющие определить, находится ли конкретная система сети в рабочем состоянии, просмотреть ее текущую загрузку или получить список доступных в сети служб.

Такие команды очень полезны, но для централизации сетевого управления требуется единый и полный набор команд. В Интернете для этого был разработан простой протокол сетевого управления (Simple Network Management Protocol — SNMP), позволяющий обслуживать любой сетевой узел, начиная от простейшего устройства и заканчивая операционной системой хоста или прикладным программным обеспечением.

2.4.6 Диалоги

Лучшим способом понять работу служб TCP/IP является их применение на практике. Эта глава завершается несколькими краткими примерами интерактивных диалогов, иллюстрирующими работу служб сети. Во всех диалогах вводимые пользователем команды напечатаны полужирным шрифтом. Это соглашение будет применяться по всей книге. Основы работы со службами достаточно просты.

После начала работы каждая служба выводит некоторое сообщение. Конечный пользователь может по большей части просто игнорировать такие сообщения. В следующих главах мы еще вернемся к внутренним механизмам работы различных служб и подробно рассмотрим сведения, выводимые в этих информационных сообщениях.

2.4.7 Диалог доступа с терминала

Доступ с терминала является примером работы с простейшей службой. В приведенном ниже примере запрашивается соединение по telnet с хостом bulldog.cs.yale.edu. После установки соединения telnet информирует, что комбинация клавиш CONTROL-] служит для возврата к сеансу с локальной системой. Затем удаленный хост выводит приглашение регистрации login:, и с этого момента начинается обычная работа с удаленным хостом, как если бы это был локальный компьютер.

> telnet bulldog.cs.yale.edu

Trying 128.36.0.3 ...

Connected to bulldog.cs.yale.edu

Escape character is '^]' .

login:

Хотя это очень простой диалог с пользователем, за кулисами происходит достаточно большая работа. Telnet просматривает базу данных DNS и определяет, что адресом требуемой системы является 128.36.0.3. Именно этот адрес и будет использован telnet для соединения с удаленным хостом.

Схемы именования и нумерации TCP/IP будут рассмотрены в главе 5. Однако уже сейчас можно понять, что имя состоит из нескольких разделенных точками слов, а адрес — из четырех цифр, также разделенных точками.

2.4.8 Просмотр имен в базе данных DNS

Как и многие системы TCP/IP, используемый нами локальный хост имеет клиентское приложение nslookup (от network server lookup — просмотр сетевого сервера), которое разрешает пользователю интерактивно запросить базу данных DNS.

Ниже показан пример вывода имени и адреса локального сервера по умолчанию при вводе команды nslookup. Запрос к базе данных формируется при указании имени нужного хоста. В ответе повторяется введенное имя для проверки правильности его набора на клавиатуре.

> nslookup

Default Server: DEPT-GW.CS.YALE.EDU

Address: 128.36.0.36

> bulldog.c8.yale.edu

Server: DEPT-GW.CS.YALE.EDU

Address: 128.36.0.36

Name: bulldog.cs.yale.edu

Address: 128.36.0.3

2.4.9 Диалог при пересылке файла

Далее можно использовать FTP для копирования файла chapter1 из каталога book хоста plum.yale.edu на локальный хост. Начинающиеся цифрами строки — это сообщения от сервера пересылки файлов. Команда cd (change directory — изменить текущий каталог) служит для перехода к каталогу book на удаленном хосте. Команда get (получить) используется для копирования файла.

> ftp plum.yale.edu

Connected to plum.yale.edu

220 plum FTP server (SunOS 4.1) ready.

Name : icarus

331: Password required for icarus

Password :

230 User icarus logged in.

ftp> cd book

250 CWD command successful.

ftp> get chapter1

200 PORT command successful.

150 ASCII data connection for chapter1 (130.132.23.16,3330) (32303 bytes).

226 ASCII Transfer compete.

32303 bytes received in 0.95 seconds (33 Kbytes/s)

ftp> quit

221 Goodbye.

Пересылка файла упрощается в приложении для настольного компьютера с графическим пользовательским интерфейсом (Graphical User Interface — GUI). На рис. 2.2 показано копирование файла на персональный компьютер в приложении Chameleon компании Netmanage. Перечисленные справа файлы находятся на сервере Unix. Один из них (с именем Index-byname) выбран для копирования. После копирования ему будет присвоено имя index.txt, которое указано в левом окне. Операция копирования запускается щелчком мыши на командной кнопке со стрелкой или при перетаскивании значка файла.

Рис. 2.2. Пересылка файла через приложение для настольного компьютера

2.4.10 WWW

Можно копировать файлы и с серверов WWW, не задумываясь об их реальном размещении. На рис. 2.3 показан экран браузера Netscape Navigator. Новые документы извлекаются щелчком мыши на одной из выделенных фраз. Далее их можно сохранить на локальном диске через меню File/Save.

Рис. 2.3. Использование браузера Netscape

2.4.11 Новости

На рис. 2.4 представлен экран Chameleon для работы с новостями. На нем перечислены группы новостей по темам научных исследований.

Рис. 2.4. Группы новостей по научной тематике

2.4.12 Диалог для доступа к файлу

Рассмотрим последний диалог с пользователем. В этом примере используется компьютер с дисковой операционной системой (Disk Operating System — DOS), подключенный к сети TCP/IP. Мы переключимся на устройство d: локального хоста и просмотрим содержимое корневого каталога:

d:

d:\> dir

 Volume in drive D is SERVER

 Directory of D:\

.        10-25-95  8:03a

..        10-25-95  8:03a

ALTBWPM     711 2-18-95 12:53p

EGA512  FRS  3584  9-16-94  3:57p

WPRINT1   344392 11-05-95 13:28p

README  WPD  5492  9-16-95  3:57p

SPELL  EXE  40448  9-16-95  3:55p

WP    EXE 252416 11-15-95  4:51p

...

К этому примеру даже не требуется особых пояснений: файлы, которые отмечены как находящиеся на локальном диске d:, реально читаются с удаленного сервера NFS.