Ознакомление и изучение протокола TCP/IP

Определение IP-протокола, передающего пакеты между сетями без установления соединений. Структура заголовка IP-пакета. Инициализация TCP-соединения, его этапы. Реализация IP на маршрутизаторе. Протокол надежной доставки сообщений ТСР, его сегменты.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Ознакомление и изучение протокола TCP/IP



1. Теоретические сведения

1.1 Определение IP-протокола

Название данного протокола - Internet Protocol - отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями. В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надёжной доставки сообщений от отправителя к получателю, он обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для её исправления. Все вопросы обеспечения надёжности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол ТСР, работающий непосредственно над протоколом IP.

Важной особенностью протокола IР, отличающей его от других сетевых протоколов, является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными значениями полей данных.

Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и сложностью заголовка пакетов, которые этот пакет используют. Это объясняется тем, что основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов.

1.2 Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру рис.

4 бита Номер версии	4 бита Длина заголовка	8 бит Тип сервиса	16 бит Общая длина
		PR	D	T	R
16 бит Идентификатор пакета	3 бита Флаги	13 бит Смещение фрагмента
		D	M
8 бит Время жизни	8 бит Протокол верхнего уровня	16 бит Контрольная сумма
32 бита IP-адрес источника
32 бита IP-адрес назначения
Опции и выравнивание

Рис. 1. Структура заголовка IP-пакета.

Поле Номер версии (Version)указывает версию протокола IP, сейчас используется версия IPv4 и готовится переход на версию IРv6.

Поле Длина заголовка (IHL) указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объёма служебной информации эта длина может быть увеличена за счёт использования дополнительных байт в поле Опции. Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence). Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры принимают во внимание приоритет пакета и обрабатывают более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надёжности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трёх критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Lenth) означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслужить пакет такой длины.

Поле Идентификатор пакета (Identification) используется для распознавания пакетов, образовавшихся путём фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит D (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит М (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не конечным) фрагментом. Оставший ся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) задаёт смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке и разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными свойствами. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни каждого пакета задаётся источником передачи и измеряется в секундах. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего принадлежит информация, размещения в поле данных пакета, например, это могут быть сегменты протокола ТСР, дейтаграммы или иные пакеты.

Контрольная сумма (Header Checksum) рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка изменяют своё значение в процессе передачи пакета по сети, контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма - 16 бит - подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При её вычислении значение самого поля устанавливается в ноль. Если контрольная сумма не верна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определённых ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми типов. В этих подполях можно учитывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) в Windows NT...