Межсетевой уровень и протокол IP

Основу этого уровня составляет IP-протокол.

IP (Internet Protocol) – интернет протокол.

Первый стандарт IPv4 определен в RFC-760 (DoD standard Internet Protocol J. Postel Jan-01-1980)

Последняя версия IPv4 - RFC-791 (Internet Protocol J. Postel Sep-01-1981).

Первый стандарт IPv6 определен в RFC-1883 (Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification S. Deering, R. Hinden December 1995)

Последняя версия IPv6 - RFC-2460 (Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification S. Deering, R. Hinden December 1998).

Основные задачи:

• Адресация
• Маршрутизация
• Фрагментация датаграмм
• Передача данных

Протокол IP доставляет блоки данных от одного IP-адреса к другому.

Программа, реализующая функции того или иного протокола, часто называется модулем, например, “IP-модуль”, “модуль TCP”.

Когда модуль IP получает IP-пакет с нижнего уровня, он проверяет IP-адрес назначения.

• Если IP-пакет адресован данному компьютеру, то данные из него передаются на обработку модулю вышестоящего уровня (какому конкретно - указано в заголовке IP-пакета).
• Если же адрес назначения IP-пакета - чужой, то модуль IP может принять два решения: первое - уничтожить IP-пакет, второе - отправить его дальше к месту назначения, определив маршрут следования - так поступают маршрутизаторы.

Также может потребоваться, на границе сетей с различными характеристиками, разбить IP-пакет на фрагменты

(фрагментация), а потом собрать в единое целое на компьютере-получателе.

Если модуль IP по какой-либо причине не может доставить IP-пакет, он уничтожается. При этом модуль IP может отправить компьютеру-источнику этого IP-пакета уведомление об ошибке; такие уведомления отправляются с помощью протокола ICMP, являющегося неотъемлемой частью модуля IP. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения их доставки, обеспечения правильного порядка следования IP-пакетов, предварительного установления соединения между компьютерами протокол IP не имеет. Эта задача возложена на транспортный уровень.

Структура дейтограммы IP. Слова по 32 бита.

Версия -версия протокола IP (например, 4 или 6)

Длина заг. - длина заголовка IP-пакета.

Тип сервиса (TOS - type of service) - Тип сервиса (подробнее рассмотрен в лекции 8).

TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP).

Идентификатор дейтаграммы, флаги (3 бита) и указатель фрагмента - используются для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета.

Время жизни (TTL - time to live)- каждый маршрутизатор уменьшает его на 1, что бы пакеты не блуждали вечно.

Протокол - Идентификатор протокола верхнего уровня указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например: TCP, UDP).

Коды некоторые протоколов RFC-1700 (1994)

Код	Протокол	Описание
	-	Зарезервировано
	ICMP	Протокол контрольных сообщений
	IGMP	Групповой протокол управления
	IP	IP-поверх-IP (туннели)
	TCP	Протокол управления передачей
	EGP	Протокол внешней маршрутизации
	IGP	Протокол внутренней маршрутизации
	UDP	Протокол дейтограмм пользователя
	IDRP	Междоменный протокол маршрутизации
	XTP	Xpress транспортный протокол
	RSVP	Протокол резервирования ресурсов канала
	IGRP	внутренний протокол маршрутизации
	OSPFIGP	внутренний протокол маршрутизации
	ETHERIP	Ethernet-поверх-IP
101-254	-	не определены
	-	зарезервировано

1.3.3.1 Маршрутизация.

Протокол IP является маршрутизируемый, для его маршрутизации нужна маршрутная информация.

Маршрутная информация, может быть:

• Статической (маршрутные таблицы прописываются вручную)
• Динамической (маршрутную информацию распространяют специальные протоколы)

Протоколы динамической маршрутизации:

• RIP (Routing Information Protocol) - протокол передачи маршрутной информации, маршрутизаторы динамически создают маршрутные таблицы.
• OSPF (Open Shortest Path First) - протокол "Открой кротчайший путь первым", является внутренним протоколом маршрутизации.
• IGP (Interior Gateway Protocols) - внутренние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию внутри одной автономной системе.
• EGP (Exterior Gateway Protocols) - внешние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию между автономными системами.
• BGP (Border Gateway Protocol) - протокол граничных маршрутизаторов.

1.3.3.2 Протокол ICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol) - расширение протокола IP, позволяет передавать сообщения об ошибке или проверочные сообщения.

1.3.3.3 Другие служебные IP-протоколы

IGMP (Internet Group Management Protocol) - позволяет организовать многоадресную рассылку средствами IP.

RSVP (Resource Reservation Protocol) - протокол резервирования ресурсов.

ARP (Address Resolution Protocol) - протокол преобразования IP-адреса и адреса канального уровня.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных между двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные с помощью транспортного уровня, идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта. Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняет номер порта (или проще - порт).

Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу. Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

На транспортном уровне работают два основных протокола: UDP и TCP.

1.3.4.1 Протокол надежной доставки сообщений TCP

TCP (Transfer Control Protocol)– протокол контроля передачи, протокол TCP применяется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений.

Первая и последняя версия TCP - RFC-793 (Transmission Control Protocol J. Postel Sep-01-1981).

Основные особенности:

• Устанавливается соединение.
• Данные передаются сегментами. Модуль TCP нарезает большие сообщения (файлы) на пакеты, каждый из которых передается отдельно, на приемнике наоборот файлы собираются. Для этого нужен порядковый номер (Sequence Number - SN) пакета.
• Посылает запрос на следующий пакет, указывая его номер в поле "Номер подтверждения" (AS).Тем самым, подтверждая получение предыдущего пакета.
• Делает проверку целостности данных, если пакет битый посылает повторный запрос.

Структура дейтограммы TCP. Слова по 32 бита.

Длина заголовка -задается словами по 32бита.

Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.

Контрольная сумма - включает псевдо заголовок, заголовок и данные.

Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.

URG -флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если =0 то поле игнорируется.

ACK -флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если =0 то поле игнорируется.

PSH -флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.

RST -флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении

SYN -флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.

FIN -флаг окончание передачи со стороны отправителя

1.3.4.2 Протокол UDP

UDP (Universal Datagram Protocol) - универсальный протокол передачи данных, более облегченный транспортный протокол, чем TCP.

Первая и последняя версия UDP - RFC-768 (User Datagram Protocol J. Postel Aug-28-1980).

Основные отличия от TCP:

• Отсутствует соединение между модулями UDP.
• Не разбивает сообщение для передачи
• При потере пакета запрос для повторной передачи не посылается

UDP используется если не требуется гарантированная доставка пакетов , например, для потокового видео и аудио, DNS (т.к. данные небольших размеров). Если проверка контрольной суммы выявила ошибку или если процесса, подключенного к требуемому порту, не существует, пакет игнорируется (уничтожается). Если пакеты поступают быстрее, чем модуль UDP успевает их обрабатывать, то поступающие пакеты также игнорируются.

Структура дейтограммы UDP. Слова по 32 бита.

Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули.

1.3.4.2 Протокол реального времени RTP

RTP (Real Time Protocol) - транспортный протокол для приложений реального времени.

RTCP (Real Time Control Protocol)- транспортный протокол обратной связи для приложения RTP..

Назначение портов

По номеру порта транспортные протоколы определяют, какому приложению передать содержимое пакетов.

Порты могут принимать значение от 0-65535 (два байта 2^16).

Номера портам присваиваются таким образом: имеются стандартные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet, 80 - за HTTP), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами (как правило, больше>1024), некоторые из них также зарезервированы.

Некоторые заданные порты RFC-1700 (1994)

Порт	Служба	Описание
	-	Зарезервировано
	Daytime	Синхронизация времени
	ftp-data	Канал передачи данных для FTP
	ftp	Передача файлов
	telnet	Сетевой терминал
	SMTP	Передача почты
	time	Синхронизация времени
	Whois	Служба Whois
	DNS	Доменные имена
	bootps	BOOTP и DHCP - сервер
	bootps	BOOTP и DHCP - клиент
	tftp	Упрощенная передача почты
	HTTP	Передача гипертекста
	POP2	Получение почты
	POP3	Получение почты
	NNTP	Конференции
	NTP	Синхронизация времени
	netbios-ns	NETBIOS - имена
	netbios-dgm	NETBIOS Datagram Service
	netbios-ssn	NETBIOS Session Service
	imap2	Получение почты
	SNMP	Протокол управления
	z39.50	Библиотечный протокол
	IPX	IPX - протокол
	imap3	Получение почты
	HTTPs	HTTP с шифрованием
	RIP	Динамическая маршрутизация
Диапазон 1024-65535
	-	Зарезервировано
6000-6063	X11	Графический сетевой терминал

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

IP
Название:	Internet protocol
Уровень (по модели OSI):	Сетевой
Семейство:	TCP/IP
Создан в:	1981 г.
Назначение протокола:	Передача датаграмм между хостами сетей TCP/IP
Спецификация:	RFC 791

У этого термина существуют и другие значения, см. IP (значения).

англ. Internet Protocol — межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня семейства TCP/IP.

Протокол IP используется для негарантированной доставки данных, разделяемых на так называемые пакеты от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола (третий уровень сетевой модели OSI) не даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (когда приходят две копии одного пакета; в реальности это бывает крайне редко), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прибыть вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают протоколы более высокого (транспортного уровня) сетевой модели OSI — например, TCP — которые используют IP в качестве транспорта.

Содержание [убрать] 1 Версия 4 2 Версия 6 3 Пакет (датаграмма) 3.1 Версия 4 (IPv4) 3.2 Версия 6 (IPv6) 4 См. также 5 Ссылки 6 Примечания

[править] Версия 4

Основная статья: IPv4

В современной сети Интернет используется IP четвёртой версии, также известный как IPv4. В протоколе IP этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 4 октета (4 байта). При этом компьютеры в подсетях объединяются общими начальными битами адреса. Количество этих бит, общее для данной подсети, называется маской подсети (ранее использовалось деление пространства адресов по классам — A, B, C; класс сети определялся диапазоном значений старшего октета и определял число адресуемых узлов в данной сети, сейчас используется бесклассовая адресация).

[править] Версия 6

Основная статья: IPv6

В настоящее время вводится в эксплуатацию шестая версия протокола — IPv6, которая позволяет адресовать значительно большее количество узлов, чем IPv4. Эта версия отличается повышенной разрядностью адреса, встроенной возможностью шифрования и некоторыми другими особенностями. Переход с IPv4 на IPv6 связан с трудоёмкой работой операторов связи и производителей программного обеспечения и не может быть выполнен одномоментно. На середину 2010 года в Интернете присутствовало более 3000 сетей, работающих по протоколу IPv6. Для сравнения, на то же время в адресном пространстве IPv4 присутствовало более 320 тысяч сетей, но в IPv6 сети гораздо более крупные, нежели в IPv4.

[править] Пакет (датаграмма)

IP-пакет — форматированный блок информации, передаваемый по вычислительной сети. Соединения вычислительных сетей, которые не поддерживают пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

[править] Версия 4 (IPv4)

Основная статья: IPv4

Версия

IHL

Тип обслуживания

Длина пакета

Идентификатор

Флаги

Смещение фрагмента

Время жизни (TTL)

Протокол

Контрольная сумма заголовка

IP-адрес отправителя (32 бита)

IP-адрес получателя (32 бита)

Параметры (от 0 до 10-ти 32-х битных слов)

Данные (до 65535 байт минус заголовок)

• Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
• IHL — длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
• Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке датаграммы. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.
• 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов.
• Смещение фрагмента — значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных.
• Время жизни (TTL) — число маршрутизаторов, которые должен пройти этот пакет. При прохождении маршрутизатора это число уменьшатся на единицу. Если значения этого поля равно нулю то, пакет должен быть отброшен и отправителю пакета может быть послано сообщение Time Exceeded (ICMP код 11 тип 0).
• Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP или ICMP (см. IANA protocol numbers и RFC 1700). В IPv6 называется «Next Header».
• Контрольная сумма заголовка — вычисляется с использованием операций поразрядного сложения 16-разрядных слов заголовка по модулю 2. Сама контрольная сумма является дополнением по модулю один полученного результата сложения.

[править] Версия 6 (IPv6)

Основная статья: IPv6

Позиция в октетах

Позиция в битах

Версия

Класс трафика

Метка потока

Длина полезной нагрузки

След. заголовок

Число переходов

IP-адрес отправителя

IP-адрес получателя

• Версия — для IPv6 значение поля должно быть равно 6.
• Класс трафика — определяет приоритет трафика (QoS, класс обслуживания).
• Метка потока — уникальное число, одинаковое для однородного потока пакетов.
• Длина полезной нагрузки — длина данных (заголовок IP-пакета не учитывается).
• Следующий заголовок — задаёт тип расширенного заголовка (англ. IPv6 extension), который идёт следующим. В последнем расширенном заголовке поле Next header задаёт тип транспортного протокола (TCP, UDP и т. д.) и определяет следующий инкапсулированный уровень.
• Число переходов — максимальное число маршрутизаторов, которые может пройти пакет. При прохождении маршрутизатора это значение уменьшается на единицу и по достижении нуля пакет отбрасывается.

· Основные протоколы TCP/IP по уровням модели OSI

· Прикладной BGP • HTTP • HTTPS • DHCP • IRC • SNMP • DNS • DNSSEC • NNTP • XMPP • SIP • BitTorrent • IPP • NTP • SNTP

Электронная почта	SMTP POP3 IMAP4
Передача файлов	FTP • TFTP • SFTP
Удалённый доступ	rlogin • Telnet • RDP

· Представления XDR • SSL

· Сеансовый ADSP • H.245 • iSNS • NetBIOS • PAP • RPC • L2TP • PPTP • RTCP • SMPP • SCP • SSH • ZIP • SDP

· Транспортный TCP • UDP • SCTP • DCCP • RUDP • RTP

· Сетевой IPv4 • IPv6 • IPsec • ICMP • IGMP • ARP • RARP • RIP2 • OSPF

· Канальный Ethernet • PPPoE • PPP • L2F • 802.11 Wi-Fi • 802.16 WiMax • Token ring • ARCNET • FDDI • HDLC • SLIP • ATM • DTM • X.25 • Frame relay • SMDS • STP

· Физический Ethernet • RS-232 • EIA-422 • RS-449

В Интернет используется много различных типов пакетов, но один из основных - IP-пакет (RFC-791), именно он вкладывается в кадр Ethernet и именно в него вкладываются пакеты UDP, TCP. IP-протокол предлагает ненадежную транспортную среду. Ненадежную в том смысле, что не существует гарантии благополучной доставки IP-дейтограммы. Алгоритм доставки в рамках данного протокола предельно прост: при ошибке дейтограмма выбрасывается, а отправителю посылается соответствующее ICMP-сообщение (или не посылается ничего). Обеспечение же надежности возлагается на более высокий уровень (UDP или TCP). Формат IP-пакетов показан на рисунке 4.4.1.1.

Рис. 4.4.1.1. Формат дейтограммы Интернет

Поле версия характеризует версию IP-протокола (например, 4 или 6). Формат пакета определяется программой и, вообще говоря, может быть разным для разных значений поля версия. Только размер и положение этого поля незыблемы. Поэтому в случае изменений длины IP-адреса слишком тяжелых последствий это не вызовет. Понятно также, что значение поля версия во избежании непредсказуемых последствий должно контролироваться программой. HLEN - длина заголовка, измеряемая в 32-разрядных словах, обычно заголовок содержит 20 октетов (HLEN=5, без опций и заполнителя). Заголовок для IPv6 имеет размер в два раза больше, чем для IPv4. Поле полная длина определяет полную длину IP-дейтограммы (до 65535 октетов), включая заголовок и данные. Одно-октетное поле тип сервиса (TOS - type of service) характеризует то, как должна обрабатываться дейтограмма. Это поле делится на 6 субполей:

Субполе Приоритет предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтограмме. Значения приоритетов приведены в таблице (в настоящее время это поле не используется).

0 Обычный уровень
1 Приоритетный
2 Немедленный
3 Срочный
4 Экстренный
5 ceitic/ecp
6 Межсетевое управление
7 Сетевое управление

Формат поля TOS определен в документе RFC-1349. Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтограммы. Так D=1 требует минимальной задержки, T=1 - высокую пропускную способность, R=1 - высокую надежность, а C=1 - низкую стоимость. TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP). В таблице 4.4.1.1 приведены рекомендуемые значения TOS.

ToS в IP-протоколе

Таблица 4.4.1.1. Значения TOS для разных протоколов

Процедура	Минимал. задержка	Максим. пропускная способность	Максим. надежность	Минимал. стоимость	Код TOS
FTP управление, FTP данные
				0x10
				0x08
TFTP					0x10
DNS, UDP TCP					0x00
				0x10
				0x00
telnet					0x10
ICMP					0x00
IGP					0x04
SMTP управление SMTP данные
				0x10
				0x08
SNMP					0x04
NNTP					0x02

Только один бит из четырех в TOS может принимать значение 1. Значения по умолчанию равны нулю. Большинство из рекомендаций самоочевидны. Так при telnet наибольшую важность имеет время отклика, а для SNMP (управление сетью) - надежность.

Замещение ToS на DSCP

До середины 90-х годов поле TOS в большинстве реализаций игнорировалось. Но после начала разработок средств обеспечения качества обслуживания (QoS) внимание к этому возрасло. Появилось предложение замены поля TOS на поле DSCP (Differenciated Services Code Point), которое также имеет 8 бит (см. RFC-2474). Смотри рис. 4.4.1.1a. Биты CU пока не определены. Иногда это поле называется байтом DS (Differentiated Services).

Рис. 4.4.1.1a. Формат поля DSCP.

Биты DS0-DS5 определяют селектор класса. Значения этого кода представлены в таблице ниже. Стандартным значением DSCP по умолчанию является 000000.

Селектор класса	DSCP
Приоритет 1
Приоритет 2
Приоритет 3
Приоритет 4
Приоритет 5
Приоритет 6
Приоритет 7

На базе DSCP разработана технология "пошагового поведения" PHB (per Hop Behavior). В рамках этой политики определяются коды DSCP внутри классов. Например, для политики немедленной переадресации EF рекомендуемое значение DSCP=101110. Эта политика соответствует наиболее высокому уровню обслуживания.

Маршрут транспортировки IP-дейтограммы нельзя знать заранее, это связано с поэтапным (по-шаговом) принятием решения о пути каждого пакета. Это свойство маршрутизации обусловлено тем, что IP является протоколом передачи данных без установления соединения.

Поля идентификатор, флаги (3 бита) и указатель фрагмента (fragment offset) управляют процессом фрагментации и последующей "сборки" дейтограммы. Идентификатор представляет собой уникальный код дейтограммы, позволяющий идентифицировать принадлежность фрагментов и исключить ошибки при "сборке" дейтограмм. Бит 0 поля флаги является резервным, бит 1 служит для управления фрагментацией пакетов (0 - фрагментация разрешена; 1 - запрещена), бит 2 определяет, является ли данный фрагмент последним (0 - последний фрагмент; 1 - следует ожидать продолжения). Поле время жизни (TTL - time to live) задает время жизни дейтограммы в секундах, т.е. предельно допустимое время пребывания дейтограммы в системе. При каждой обработке дейтограммы, например в маршрутизаторе, это время уменьшается в соответствии со временем пребывания в данном устройстве или согласно протоколу обработки. Если TTL=0, дейтограмма из системы удаляется. Во многих реализациях TTL измеряется в числе шагов, в этом случае каждый маршрутизатор выполняет операцию TTL=TTL-1. TTL помогает предотвратить зацикливание пакетов. Поле протокол аналогично полю тип в Ethernet-кадре и определяет структуру поля данные (см. табл. 4.4.1.2).

Поле TTL относится к числу переменных полей заголовка. При прохождении через маршрутизатор над содержимым этого поля производится операция TTL=TTL-1, при этом должна быть пересчитана контрольная сумма. И, если TTL=0, дейтограммы отбрасывается.

Поле контрольная сумма заголовка вычисляется с использованием операций сложения 16-разрядных слов заголовка по модулю 1. Сама контрольная сумма является дополнением по модулю один полученного результата сложения. Обратите внимание, здесь осуществляется контрольное суммирование заголовка, а не всей дейтограммы. Поле опции не обязательно присутствует в каждой дейтограмме. Размер поля опции зависит от того, какие опции применены. Если используется несколько опций, они записываются подряд без каких-либо разделителей. Каждая опция содержит один октет кода опции, за которым может следовать октет длины и серия октетов данных. Если место, занятое опциями, не кратно 4 октетам, используется заполнитель. Структура октета кода опции отражена на рис. 4.4.1.2.