БИБЛИЯ ХАКЕРА

Протоколы Internet

В середине 1970 гг. Агентство по Внедрению Научно-исследова­тельских Проектов Передовой технологии при Министерстве обороны (DARPA) заинтересовалось организацией сети с коммутацией пакетов для обеспечения связи между научно-исследовательскими институтами в США. DARPA и другие правительственные организации понимали, ка­кие потенциальные возможности скрыты в технологии сети с коммутаци­ей пакетов; они только что начали сталкиваться с проблемой, с которой сейчас приходится иметь дело практически всем компаниям, а именно с проблемой связи между различными компьютерными системами.

Поставив задачу добиться связности гетерогенных систем, DARPA финансировала исследования, проводимые Стэнфордским университе­том и компаниями Bolt, Beranek и Newman (BBN) с целью создания ряда протоколов связи. Результатом этих работ по разработке, завершенных в конце 1970 гг., был комплект протоколов Internet, из которых наиболее известными являются Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP).

Протоколы Internet можно использовать передачи сообщений через любой набор объединенных между собой сетей. Они в равной мере пригодны для связи как в локальных, так и в глобальных сетях. Комплект протоколов Internet включает в себя не только спецификации низших уровней (такие, как TCP и IP), но также спецификации для таких общих применений, как почта, эмуляция терминалов и передача файлов.

Процесс разработки и выдачи документации протоколов Internet скорее напоминает академический исследовательский проект, чем что - либо другое. Протоколы определяются в документах, называемых Requ­ests for Comments (RFC) (Запросы для Комментария). RFC публикуются, а затем рецензируются и анализируются специалистами по Internet. Уточ­нения к протоколам публикуются в новых RFC. Взятые вместе, RFC обес­печивают красочную историю людей, компаний и направлений, которые формировали разработку комплекта протоколов для открытой системы, который сегодня является самым популярным в мире.

Сетевой уровень

IP является основным протоколом Уровня 3 в комплекте протоко­лов Internet. В дополнение к маршрутизации в объединенных сетях, IP обеспечивает фрагментацию и повторную сборку дейтаграмм, а также со­общения об ошибках. Наряду с TCP, IP представляет основу комплекта протоколов Internet.

Заголовок IP начинается с номера версии (version который

Указывает номер используемой версии IP.

Поле длины заголовка обозначает длину заголовка дейта­

Граммы в 32-битовых словах.

Поле типа услуги указывает, каким образом долж­

На быть обработана текущая дейтаграмма в соответствии с указаниями конкретного протокола высшего уровня. С помощью этого поля дейта­граммам могут быть назначены различные уровни значимости. Поле об­щая длина (total length) определяет длину всего пакета IP в байтах, вклю­чая данные и заголовок.

Поле идентификации (identification) содержит целое число, обозна­чающее текущую дейтаграмму. Это поле используется для соединения фрагментов дейтаграммы.

Поле флагов (flags) (содержащее бит DF, бит MF и сдвиг фрагмен­та) определяет, может ли быть фрагментирована данная дейтаграмма и яв­ляется ли текущий фрагмент последним.

Поле срок жизни (time-to-live) поддерживает счетчик, значение ко­торого постепенно уменьшается до нуля; в этот момент дейтаграмма от­вергается. Это препятствует зацикливанию пакетов.

Поле протокола (protocol) указывает, какой протокол высшего уровня примет входящие пакеты после завершения обработки IP..

Поле контрольной суммы заголовка (header checksum) помогает обеспечивать целостность заголовка ID.

Поля адресов источника и пункта назначения (source and destination address) обозначают отправляющий и принимающий узлы.

Поле опции (options) позволяет IP обеспечивать факультативные возможности, такие, как защита данных.

Поле данных (data) содержит информацию высших уровней. Адресация

Как и у других протоколов сетевого уровня, схема адресации IP яв­ляется интегральной по отношению к процессу маршрутизации дейта­грамм IP через объединенную сеть. Длина адреса IP составляет 32 бита, разделенных на две или три части. Первая часть обозначает адрес сети, вторая (если она имеется) — адрес подсети, и третья — адрес главной вы­числительной машины. Адреса подсети присутствуют только в том слу­чае, если администратор сети принял решение о разделении сети на под­сети. Длина полей адреса сети, подсети и главной вычислительной машины являются переменными величинами.

Адресация IP обеспечивает пять различных классов сети. Самые крайние левые биты обозначают класс сети.

Class A

Сети класса А предназначены главным образом для использования с несколькими очень крупными сетями, так как они обеспечивают всего 7 битов для поля адреса сети.

Class В

Сети класса В выделяют 14 битов для поля адреса сети и 16 битов для поля адреса главной вычислительной машины. Этот класс адреса обеспечивает хороший компромисс между адресным пространством сети и главной вычислительной машины.

Class С

Сети класса С выделяют 22 бита для поля адреса сети. Однако сети класса С обеспечивают только 8 битов для поля адреса главной вычисли­тельной машины, поэтому число главных вычислительных машин, при­ходящихся на сеть, может стать ограничивающим фактором.

Class D

Адреса класса D резервируются для групп с многопунктовой адре­сацией (в соответствии с официальным документом RFC 1112). В адресах класса D четыре бита наивысшего порядка устанавливаются на значения 1,1,1 иО.

Class E

Адреса класса Е также определены IP, но зарезервированы для ис­пользования в будущем. В адресах класса Е все четыре бита наивысшего порядка устанавливаются

Адреса IP записываются в формате десятичного числа с проставлен­ными точками, например, 34.0.0.1.

Сети IP могут также быть разделены на более мелкие единицы, на­зываемые подсетями (subnets). Подсети обеспечивают дополнительную гибкость для администратора сети. Например, предположим, что какой - то сети назначен адрес класса В, и что все узлы в сети в данный момент соответствуют формату адреса класса В. Далее предположим, что пред­ставлением адреса этой сети в виде десятичного числа с точками являет­ся 128.10.0.0. (наличие одних нулей в поле адреса главной вычислитель­ной машины обозначает всю сеть). Вместо того, чтобы изменять все адреса на какой-то другой базовый сетевой номер, администратор может подразделить сеть, воспользовавшись организацией подсетей. Это выпол­няется путем заимствования битов из части адреса, принадлежащей глав­ной вычислительной машине, и их использования в качестве поля адреса подсети.

В случае, если администратор сети решил использовать восемь би­тов для организации подсети, то третья восьмерка адреса IP класса В обес­печивает номер этой подсети. В нашем примере адрес 128.10.0. относится к сети 128.10, подсети 1; адрес 128.10.2.0. относится к сети 128.10, подсе­ти 2, и т. д. t

Число битов, занимаемых для адреса подсети, является переменной величиной. Для задания числа используемых битов IP обеспечивает мас­ку подсети. Маски подсети используют тот же формат и технику представ­ления адреса, что и адреса IP. Маски подсети содержат единицы во всех битах, кроме тех, которые определяют поле главной вычислительной ма­шины. Например, маска подсети, которая назначает 8 битов организации подсети для адреса 34.0.0.0. класса А, представляет собой выражение 255.255.0.0. Маска подсети, которая определяет 16 битов организации подсети для адреса 34.0.0.0. класса А, представляется выражением 255.255.255.0.

Для некоторых носителей (таких как локальные сети IEEE 802), ад­реса носителя и адреса IP определяются динамически путем использова­ния двух других составляющих комплекта протоколов Internet: Address Resolution Protocol (ARP) (Протокол разрешения адреса) и Reverse Address Resolution Protocol (RARP) (Протокол разрешения обратного адреса). ARP использует широковещательные сообщения для определения аппа­ратного адреса (уровень MAC), соответствующего конкретному межсете­вому адресу. ARP обладает достаточной степенью универсальности, что­бы позволить использование IP с практически любым типом механизма, лежащего в основе доступа к носителю. RARP использует широковеща­тельные сообщения для определения адреса объединенной сети, связан­ного с конкретным аппаратным адресом. RARP особенно важен для уз­лов, не имеющих диска, которые могут не знать своего межсетевого адреса, когда они выполняют начальную загрузку.

Маршрутизация Internet

Устройства маршрутизации в сети Internet традиционно называют­ся шлюзами (gateway), что является очень неудачным термином, так как повсеместно в индустрии сетей этот термин применяют для обозначения устройства с несколько иными функциональными возможностями. Шлюзы (которые мы с этого момента будем называть роутерами) в сети Internet организованы в соответствии с иерархическим принципом. Неко­торые роутеры используются для перемещения информации через одну конкретную группу сетей, находящихся под одним и тем же администра­тивным началом и управлением (такой объект называется автономной системой — autonomous system). Роутеры, используемые для обмена ин­формацией в пределах автономных систем, называются внутренними ро - утерами (interior routers); они используют различные протоколы для вну­тренних роутеров (interior gateway protocol — ЮР) для выполнения этой задачи. Роутеры, которые перемещают информацию между автономными системами, называются внешними роутерами (exterior routers); для этого они используют протоколы для внешних роутеров.

Протоколы маршрутизации динамичные протоколы. При

Динамичной маршрутизации (dynamic routing) запросы о маршрутах должны рассчитываться программным обеспечением устройств маршру­тизации через определенные интервалы времени. Этот процесс противо­положен статической маршрутизации (static routing), при которой марш­руты устанавливаются администратором сети и не меняются до тех пор, пока администратор сети не поменяет их. Таблица маршрутизации IP со­стоит из пар «адрес назначения/следующая пересылка».

Маршрутизация IP определяет характер перемещения дейтаграмм IP через объединенные сети (по одной пересылке за раз). В начале путе­шествия весь маршрут не известен. Вместо этого на каждой остановке вы­числяется следующий пункт назначения путем сопоставления адреса пункта назначения, содержащегося в дейтаграмме, с записью данных в маршрутной таблице текущего узла. Участие каждого узла в процессе мар­шрутизации состоит только из продвижения пакетов, базируясь только на внутренней информации, вне зависимости от того, насколько успешным будет процесс и достигнет или нет пакет конечного пункта назначения. Другими словами, IP не обеспечивает отправку в источник сообщений о неисправностях, когда имеют место аномалии маршрутизации. Выполне­ние этой задачи предоставлено другому протоколу Internet, а именно Про-

Управляющих сообщений Internet (Internet Control Message Protocol — ІСМР).

ІСМР

ICMP выполняет ряд задач в пределах объединенной сети IP. В до­полнение к основной задаче, для выполнения которой он был создан (со­общение источнику об отказах маршрутизации), ІСМР обеспечивает так­же метод проверки способности узлов образовывать повторное эхо в объединенной сети (сообщения Echo и Reply ІСМР), метод стимулирова­ния более эффективной маршрутизации (сообщение Redirect ICMP — пе­реадресация ICMP), метод информирования источника о том, что какая - то дейтаграмма превысила назначенное ей время существования в пределах данной объединенной сети (сообщение Time Exceeded ICMP — «время превышено») и другие полезные сообщения. Сделанное недавно дополнение к ICMP обеспечивает для новых узлов возможность нахожде­ния маски подсети, используемой в межсети в данный момент. В целом, ICMP является интегральной частью любых реализаций IP, особенно та­ких, которые используются в роутерах.

Транспортный уровень

Транспортный уровень Internet реализуется TCP и Протоколом Дейтаграмм Пользователя (User Datagram Protocol — UDP). TCP обеспе­чивает транспортировку данных с установлением соединения, вто время как UDP работает без установления соединения.

Протокол управления передачей (TCP)

Transmission Control Protocol (TCP) обеспечивает полностью дубли­рованные, с подтверждением и управлением потоком данных, услуги для протоколов высших уровней. Он перемещает данные в непрерывном не­структурированном потоке, в котором байты идентифицируются по но­мерам последовательностей. TCP может также поддерживать многочис­ленные одновременныедиалоги высших уровней.

Поле «порт источника» (source port) обозначает точку, в которой конкретный процесс высшего уровня источника принимает услуги TCP; поле «порт пункта назначения» (destination port) обозначает порт процес­са высшего уровня пункта назначения для услуг TCP.

Поле «номер последовательности» (sequence number) обычно обо­значает номер, присвоенный первому байту данных в текущем сообще­нии. В некоторых случаях оно может также использоваться для обо­значения номера исходной последовательности, который должен использоваться в предстоящей передаче.

Поле «номер подтверждения» (acknowledgement number) содержит номер последовательности следующего байта данных, которую отправи­тель пакета ожидает для приема.

Поле «сдвиг данных» (data offset) обозначает число 32-битовых слов в заголовке TCP.

Поле «резерв» (reserved) зарезервировано для использования разра­ботчиками протокола в будущем.

Поле «флаги» (flags) содержит различную управляющую информа­цию.

Поле «окно» (window) обозначает размер окна приема отправителя (буферный объем, доступный для поступающих данных).

Поле «контрольная сумма» (checksum) указывает, был ли заголовок поврежден при транзите.

Поле «указатель срочности» (urgent pointer) указывает на первый байт срочных данных в пакете.

Поле «опции» (options) обозначает различные факультативные воз­можности TCP.

Протокол дейтаграмм пользователя (UDP)

Протокол UDP намного проще, чем TCP; он полезен в ситуациях, когда мощные механизмы обеспечения надежности протокола TCP не обязательны. Заголовок UDP имеет всего четыре поля: поле порта источ­ника (source port), поле порта пункта назначения (destination port), поле длины (length) и поле контрольной суммы UDP (checksum UDP). Поля порта источника и порта назначения выполняют те же функции, что и в заголовке TCP. Поле длины обозначает длину заголовка UDP и данных; поле контрольной суммы обеспечивает проверку пакета.

Контрольная сумма UDP является факультативной возможностью.

Протоколы высших уровней

Комплект протоколов Internet включает в себя большое число про­токолов высших уровней, представляющих самые разнообразные приме­нения, в том числе управление сети, передача файлов, распределенные услуги пользования файлами, эмуляция терминалов и электронная почта.

Протокол передачи файлов (File Transfer Protocol — FTP) обеспечи­вает способ перемещения файлов между компьютерными системами. Telnet обеспечивает виртуальную терминальную эмуляцию. Протокол уп­равления простой сетью (Simle network management protocol — SNMP) яв­ляется протоколом управления сетью, используемым для сообщения об аномальных условиях в сети и установления значений допустимых поро­гов в сети. X Windows является популярным протоколом, который позво­ляет терминалу с интеллектом связываться с отдаленными компьютерами таким образом, как если бы они были непосредственно подключенными мониторами. Комбинация протоколов Network File System (NFS) (Систе­ма сетевых файлов), External Data Representation (XDP) (Представление внешней информации) и Remote Procedure Call (RPC) (Вызов процедуры обращений к отдаленной сети) обеспечивает прозрачный доступ к ресур­сам отдаленной сети. Простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP) обеспечивает механизм передачи электронной почты. Эти и другие применения используют услуги TCP/IP и других про­токолов Internet низших уровней, чтобы обеспечить пользователей базо­выми сетевыми услугами.