Технология Internet, ее принципы работы. Протокол ТСР/IP и его основные свойства

1. Технология Internet, ее принципы работы.

Вступление

    Internet…  Это слово буквально не сходит  с уст у всего человечества  вот уже несколько десятков  лет.  А между тем, несмотря  на то, что в данный момент в мире насчитывается более 380 миллионов пользователей  этой Сети, (не включая более 500 тыс. нелегальных пользователей) многие не только не имеют представления об Internet, но и не знают ее возможных колоссальных преимуществ и в то же время огромной опасности, таящейся в ее недрах. В этом реферате я хотела бы затронуть, прежде всего, положительные стороны существования сети Internet и ее дальнейшего развития и современных технологиях, однако не буду забывать и об отрицательных ее проявлениях.

    Прежде  всего, следует сказать несколько  слов об истории создания и принципе действия международной сети. 

История создания сети Internet

    Родиной сети Internet являются Соединенные Штаты Америки. Internet стала развитием военных технологий. Прародительницей выступила сеть ARPAnet (Advanced Research Project Agency net — сеть Управления перспективных исследований), разработанная и развернутая еще в 1969г. по заказу Министерства обороны США. Будучи экспериментальной, ARPAnet создавалась для поддержки научных исследований в военно-промышленной сфере. В частности, изучались методы построения сетей, которые были бы устойчивы к частичным повреждениям, например, при бомбардировке авиацией, - и сохраняли бы способность нормально функционировать в столь экстремальных условиях.

    Модель APRAnet предусматривала постоянную связь  между компьютером-источником и компьютером-приемником (станцией назначения) - сеть, по условию предполагалась ненадежной всякая часть ее могла исчезнуть в любой момент. Не только на сеть в целом, но и на связывающиеся компьютеры возлагалась ответственность обеспечивать налаживание и поддержание связи. Основной принцип состоял в том, что любой компьютер мог связаться как равный с равным с любым другим компьютером, подключенным к сети.

    По  мере роста ARPAnet развивались и другие сети, для связи между которыми задействовали так называемые шлюзы, которые позволяли информации беспрепятственно попадать из одной сети в другую.

    Стандарт, согласно которому могла развиваться  сеть Internet, установили в 1983г.  И с этого момента стало возможно добавлять шлюзы и подсоединять к ней новые сети, в то время как первоначальное ядро оставалось неизменным. Большинство аналитиков считают, что именно 1983г. - настоящая дата возникновения Internet, когда изначальная ARPAnet была разделена на сеть MILNET предназначавшуюся для использования в военных целях, и собственно ARPAnet, ориентированную на продолжение исследований в сетевой области. Сама ARPAnet прекратила свое существование в июне 1990г., а ее функции постепенно перешли к более разветвленной структуре Internet. Может быть, именно тогда удалось впервые продемонстрировать надежность Internet как средства коммуникации, поскольку закрытие и соответственно выключение ARPAnet - родоначальницы Internet - никак не сказалось на работе сети в целом. В 1985г. количество подключенных к Internet сетей приблизилось к сотне, к 1987г. их число удвоилось, а в 1989-м - достигло пятисот. По данным DDN Network Information Center (DDN NIC) на январь 1990г., уже 218 сетей были подключены к Internet. На сегодняшний день Internet состоит из более чем 13 тыс. объединенных между собой сетей.

    Путь, проложенный Internet, предопределит многие элементы будущей магистрали. Internet - прекрасная, жизненно важная разработка, один из компонентов конечной системы, но в ближайшие годы он существенно изменится. Современному Internet недостает безопасности и системы учета. Технологии, которые воплотят идею всеобщей информационной магистрали, должны еще развиться до должного уровня. Это будет единая высоко-пропускная сеть – соединение компьютерных и других коммуникаций.

    Рисунок 1. Схема строения сети Internet

Принцип работы Internet

    На  рис. 1 представлена схема строения сети Internet. В ее основе заложен хребет – суперкомпьютеры, соединенные между собой высокоскоростными узлами связи. В дальнейшем по постоянной линии связи информация передается провайдерам – поставщикам Internet обычным пользователям. Обычно пользователи получают доступ к сети Internet посредством телефонной линии. Однако уже сегодня многие провайдеры предлагают услуги RadioInternet – связь между пользователем и провайдером, информация в которой передается посредством спутниковых каналов связи. Это позволяет существенно увеличить скорость и надежность связи, однако на порядок увеличит стоимость услуги.  

    Internet поддерживает единый протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Протоколом называют набор соглашений о правилах формирования и форматах сообщений Internet, о способах обмена информацией между абонентами сети.

    Различают 2 типа протоколов Internet:

    - базовые протоколы, отвечающие за физическую пересылку электронных сообщений любого типа между компьютерами Internet.

    - прикладные протоколы более высокого  уровня, отвечающие за функционирование  специализированных служб Internet.

    Каждый  компьютер, подключенный к Internet, имеет уникальный физический адрес (IP – адрес), составленный из четырех десятичных чисел, разделенных точками, например, 192.168.42.2. Такие адреса имеют как компьютеры обычных пользователей, так и суперкомпьютеры, входящие в хребет Internet. Однако запомнить эти физические адреса очень сложно, поэтому стали применять осмысленные буквенные обозначение, разделенные запятыми, например www.armavir.ru (буквенная запись физического IP-адреса).

    Основные  службы Internet:

    Telnet – протокол и программы, которые обслуживают удаленный доступ клиента к компьютерному серверу. После установления связи, пользователь может управлять компьютером сервера, как своим и наоборот, управление может производиться с компьютера сервера.

    FTP – протокол и программы передачи файлов, которые обслуживают работу с каталогами и файлами удаленной машины. Данный протокол позволяет «перекачивать» программы, игры, документы, музыку, видеоизображения, фотографии с сервера на компьютер пользователя или  наоборот.

    Gopher – протокол или программы, которые обеспечивают более развитые (по сравнению с FTP) средства поиска и извлечения информации с помощью многоуровневых меню, справочных книг, индексных ссылок и т.п.

    Archie – специальные серверы, которые собирают и хранят поисковую информацию о содержимом FTP-серверов на узлах Internet. если вы ищете какой-либо файл или документ, имя которого (или его часть) вам известна, то Archie укажет вам адреса соответствующих FTP-серверов, на которых находятся файлы, соответствующие вашему запросу.

    WAIS (Wide Area Information Servers) – распределенная информационная система (базы данных и программное обеспечение), которая обслуживает поиск информации в сетевых базах данных и библиотеках.

    E-mail - электронная почта. Посредством ее люди, живущие на разных континентах электронными сообщениями и файлами.

    Usenet – телеконференции, группы новостей, дискуссионные клубы и т.п. Все участники телеконференции имеют равные права при обсуждении того или иного вопроса. Каждая телеконференция имеет свой адрес и посвящена какой-либо теме (науке, искусству, спорту, отдыху и т.п.), причем круг обсуждаемых вопросов может быть самым разнообразным – от очень широкого («обо всем») до очень узкого («сколько времени торт «Наполеон» должен находится в духовке»). Современные технологии позволяют проводить телеконференции с передачей не только текстовой информации, но также использовать изображение и речь собеседников в реальном времени. По официальным данным в Internet в настоящее время насчитывается более 20000 телеконференций, проводимых как между обычными пользователями, так и  между крупнейшими корпорациями.

    IRC – одна из разновидностей телеконференций, иначе ее называют «болтовней» в реальном времени. Эта телеконференция позволяет осуществлять в режиме реального времени текстовое общение между совершенно незнакомыми людьми с возможностью графических вставок. Служит в основном для проведения досугов, поскольку здесь, как правило, не решаются такие серьезные вопросы, как, например, в  Usenet.

    IP-телефония – голосовая связь. Человеческая речь преобразуется в звуковой файл и передается по сети в реальном времени. Единственное преимущество перед обычной телефонной связью состоит в необычайной дешевизне в расчете на минуту разговора.

    WWW (World Wide Web или «Всемирная паутина») - гипертекстовая информационно-поисковая система Internet. Блоки данных WWW размещаются на отдельных компьютерах, называемых WWW-серверами (Web-серверами) и принадлежат отдельным организациям или частным лицам. С помощью гипертекстовых ссылок, встроенных в документы WWW, пользователь может переходить от одного документа к другому.

    В основе WWW лежит протокол передачи гипертекстовых сообщений HTTP (Hypertext Transfer Protocol), а сами страницы формируются с помощью специального гипертекстового языка описания документов HTML (Hypertext Markup Language).

    Для работы с WWW используются специальные программы – браузеры (browsers), например, Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Opera и т.д.

    WWW и ее программное обеспечение – наиболее мощные и перспективные инструменты Internet. Они обеспечивают доступ пользователей ко всем ресурсам перечисленным выше (FTP, Usenet, Gopher и т.д.).    

Поиск информации в WWW

    Чтобы получить какую либо информацию или  услугу в WWW, их надо, прежде всего, разыскать, а поиск информации – непростая задача. Разумеется, рост Web-пространства в геометрической прогрессии не будет продолжаться вечно. Когда-то наступит момент насыщения. Можно предположить, что темпы развития замедлятся на рубеже 3-4 млрд. Web-страниц. Одной из причин замедления, в частности, станет ограниченность поля IP-адресов. Впрочем, к тому времени, уже заработает Internet-2, и все будет по другому.

    Для поиска информации используются специальные  поисковые службы. Обычно поисковая служба - это компания, имеющая свой сервер, на котором работает некая поисковая система. Услуги абсолютного большинства поисковых служб бесплатны, но, тем не менее, по темпам роста сегодня это самый эффективный бизнес в мире! Всего за несколько лет такие службы как Yahoo!, Alta Vista, Inktomi и некоторые другие развились от лабораторных проектов с бюджетом в десяток-другой тысяч долларов до компаний, стоимость которых составляет 10-15 миллиардов долларов. Такого темпа приращения капитала мир еще не знал, особенно для бесплатных (для конечного пользователя) услуг.

    Лучшие  поисковые системы в ответ  на запрос пользователя (например, вам необходимо найти какую-то книгу, вы в строке поиска вводите ее название и (или) автора) просматривают индексы за десятые доли секунды и немедленно выводят списки ссылок, ведущих к затребованным ресурсам. Качество поиска зависит всего от двух факторов: коэффициента попадания и коэффициента охвата. Первый показывает, какой процент ссылок, выданных поисковой системой, действительно относится к той теме, которая интересует клиента. Коэффициент охвата показывает, насколько база данных поисковой системы отражает истинное количество информации, имеющейся по данной теме в мире.

    Без данных систем вообще трудно представить  себе работу в Internet. Люди используют поисковые системы для поиска рефератов, книг, программ, фирм, товаров и т.д.

Электронная почта

    Исторически первый и наиболее распространенный вид работы в телекоммуникационных сетях – межперсональный обмен текстовыми сообщениями, известный под названием «электронной почты» (E-mail). Как и при обычной почтовой связи, здесь происходит обмен сообщениями, но не на бумаге, а в виде файлов. Преимущества электронной почты заключаются в следующем: большая скорость доставки информации (например, даже на обычной коммутируемой линии письмо из России в США дойдет чуть более чем за сутки, а если используется RadioInternet, то скорость доставки этого письма составит всего несколько минут!); компьютерная подготовка и возможность дальнейшего редактирования письма даже получателем; низкая стоимость услуги по сравнению с обычной почтой; возможность отправки одного и того же письма одновременно нескольким адресатам. 

    Система электронной почты организуется как совокупность региональных узлов станций, периодически связывающихся друг с другом для обмена корреспонденцией.

    В состав электронного письма входит непосредственный текст, графические, видео и звуковые вставки, а также возможные любые привязанные файлы (документы, программы, вирусы и т.д.), отправляемые вместе с письмом.  Кроме того, письмо содержит адресата, дату и время отправления, обратный адрес, при необходимости  указывается тема письма.

    В отличие от длинного адреса, который  необходимо писать при отправке обычного письма, электронный адрес намного короче и более легок в запоминании. Например, рассмотрим электронный адрес: [email protected].  Он состоит из адреса машины и имени адресата, которое отделено знаком @ («собака»). Слева от этого знака стоит имя адресата, а точнее имя файла – почтового ящика, из которого он забирает свои письма. Часть, находящаяся справа от знака @ называется доменом и описывает местонахождение этого почтового ящика, поскольку он находится обычно не на компьютере получателя. Рассматривая  домен справа налево и разбив его точками на отдельные слова, получим поддомены, поочередно уточняющие, где искать этот почтовый ящик. Самый правый поддомен (в нашем случае ru) называется доменом верхнего уровня и чаще всего обозначает код страны, в которой находится адресат. Однако домен верхнего уровня - не всегда код страны. Во всем мире используются такие верхние домены как, edu - научные и учебные организации, gov – правительственные учреждения, com – коммерческие организации и т.д.

    В последнее время в Internet появилась новая возможность – передавать и получать факсы по сети с использованием компьютера. Можно послать заказ на посылку или прием факса. Составляется обычное электронное письмо, оформленное должным образом, и посылается на адрес компьютерного узла, занимающегося факсимильными операциями. Текст этого письма в виде факса будет доставлен на факсимильный аппарат адресата.

    Программное обеспечение для работы с факсимильными  сообщениями позволяет преобразовывать данные в различных форматах к формату факсимильных аппаратов.

    Кроме того, в настоящее время, посредством Internet, можно абсолютно бесплатно отправить сообщение на любой мобильный телефон или пейджер. 

2. Протокол TCP/IP и его основные свойства 

    Стек  протоколов TCP/IP (англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol) — собирательное название для сетевых протоколов разных уровней, используемых в сетях. Слово «стек» (англ. stack, стопка) подразумевает, что протокол TCP работает поверх IP.

     В модели OSI (абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов) данный стек занимает (реализует) все уровни и делится сам на 4 уровня: прикладной, транспортный, межсетевой, уровень доступа к сети (в OSI это уровни — физический, канальный и частично сетевой). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в сети, от программной оболочки до канального уровня модели OSI. По сути это база, на которой завязано всё взаимодействие. При этом стек является независимым от физической среды передачи данных.

     Существуют  разногласия в том, как вписать  модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.

     К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень — «Internetworking» — между  транспортным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может  быть ARP или STP.

     Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:

     Обычно  в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительный и сеансовый) модели OSI объединяют в один — прикладной.  

     Физический  уровень

     Физический  уровень описывает среду передачи данных (будь то кабель, оптоволокно  или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние). 

     Канальный уровень

     Канальный уровень описывает, каким образом  передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности битов, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

     Примеры протоколов канального уровня — Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.

     PPP не совсем вписывается в такое  определение, поэтому обычно описывается  в виде пары протоколов HDLC/SDLC.

     MPLS занимает промежуточное положение между канальным и сетевым уровнем и, строго говоря, его нельзя отнести ни к одному из них.

     Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня  — LLC и MAC. 

     Сетевой уровень

     Изначально  разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.

     С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой  сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также  возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

     ICMP и IGMP расположены над IP и должны  попасть на следующий — транспортный — уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, а поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

     Пакеты  сетевого протокола IP могут содержать  код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число — уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2. 

     Транспортный  уровень

     Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют для какого именно приложения предназначены эти данные.

     Протоколы автоматической маршрутизации, логически  представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

     TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный»  транспортный механизм с предварительным  установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

     UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи  датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP. 

     UDP обычно используется в таких  приложениях, как потоковое видео  и компьютерные игры, где допускается  потеря пакетов, а повторный  запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ  (например, запросы к DNS), где создание  соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

     И TCP, и UDP используют для определения  протокола верхнего уровня число, называемое портом. 

     Прикладной  уровень

     На  прикладном уровне работает большинство  сетевых приложений.

     Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

     В массе своей эти протоколы  работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например: 

• HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
• FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
• SSH на TCP-порт 22,
• запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,
• обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-порт 520.

     Эти порты определены Агентством по выделению  имен и уникальных параметров протоколов (IANA).

     Бесспорно, к этому уровню относятся: DHCP, Echo, Finger, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.