Глава 7 Межсетевой протокол: доставка дейтаграмм без установления соединения

7.1 Введение

Мы уже рассмотрели части сетевого оборудования и программного
обеспечения, которые делают возможным межсетевое взаимодействие,
объяснили базовые сетевые технологии и разрешение адресов. Эта
глава рассматривает фундаментальный принцип доставки без
установления соединения и обсуждает, как он реализуется с помощью
Межсетевого протокола(IP), одного из двух основных протоколов,
используемых при межсетевом обмене. Мы изучим формат дейтаграмм
IP и увидим, как они образуют основу для всех видов межсетевого
взаимодействия. Следующие две главы продолжат изучение
Межсетевого Протокола, обсуждая вопросы маршрутизации дейтаграмм
и обработки ошибок.

7.2 Виртуальная сеть

Глава 3 рассмотрела межсетевую архитектуру, в которой
машины-шлюзы соединяют группу физических сетей. Знание
архитектуры может ввести в заблуждение, так как внимание следует
сосредоточить на интерфейсе, который предоставляет интернет
пользователям, а не на технологии взаимного соединения.

Пользователь представляет себе интернет в виде одной
виртуальной сети, соединяющей все ГВМ, с помощью которой и
делается возможным взаимодействие; его настоящая архитектура
является невидимой и ненужной.

По существу интернет является абстракцией физической сети,
так как, на самом нижнем уровне, он обеспечивает те же самые
возможности: прием пакетов и доставка их. Более высокие уровни
межсетевого программного обеспечения добавляют большую часть
богатых возможностей, доступным пользователям.

7.3 Архитектура Интернета и его философия

На концептуальном уровне интернет TCP/IP обеспечивает три
множества средств, как показано на рисунке 7.1; их расположение
на рисунке предполагает зависимости между ними. На самом нижнем
уровне, средство доставки без установления соединения
обеспечивает основу для всего остального. На следующем уровне
надежное транспортное средство обеспечивает платформу более
высокого уровня, от которую опираются приложения. Мы вскоре
освоим каждое из этих трех средств, поймем, что они обеспечивают,
и увидим, какие протоколы связаны с ними.

--------------------------------------------
| ПРИКЛАДНЫЕ СРЕДСТВА |
--------------------------------------------------
| НАДЕЖНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО |
--------------------------------------------------------
| СРЕДСТВО ДОСТАВКИ ПАКЕТОВ БЕЗ УСТАНОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ|
--------------------------------------------------------

Рисунок 7.1 Три концептуальные уровня межсетевых средств

7.4 Понятие ненадежной доставки

Хотя мы можем связать протокольное программное обеспечение с
каждым из средств на рисунке 7.1, причина выделения их как
концептуальных частей интернета состоит в том, что они ясно
указывают на философские предпосылки при разработке. Главное
заключается в том, что:

Программное обеспечение Интернета разработано на основе трех
концептуальных сетевых средств, расположенных в иерархическом
порядке; основная причина их успеха состоит в том, что эта
архитектура является очень надежной и адаптируемой.

Одним из самых значительных преимуществ такого
концептуального разделения является то, что становится возможным
заменить одно средство, не влияя при этом на работу других.
Поэтому, можно организовать параллельные исследование и
разработку всех трех средств.

7.5 Система доставки без установления соединения

Самое фундаментальное межсетевое средство представляет собой
систему доставки пакетов. Технически это средство определено как
ненадежная система доставки пакетов без установления соединения,
аналогично средству, обеспечиваемому сетевым оборудованием,
которое работает по принципу негарантированной доставки. Это
средство называется ненадежным, так как доставка не
гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, дублированы, задержаны
или доставлены не по порядку, но средство не обнаружит такие
ситуации, а также не сможет сообщить о них отправителю или
получателю. Это средство называется "без установления
соединения", так как каждый пакет обрабатывается независимо от
других пакетов. Последовательность пакетов, посылаемая от одной
машины к другой, может передаваться по различным путям, а
некоторые из них могут быть даже потеряны, в то время, как
остальные будут доставлены. Наконец, можно сказать, что средство
использует доставку в лучшем случае (best-effort delivery), так
как межсетевое программное обеспечение делает настоящую попытку
доставить пакет. То есть, интернет не удаляет пакеты по своему
желанию; ненадежность возникает только тогда, когда не хватает
ресурсов, или происходят сбои в используемых физических сетях.

7.6 Цель межсетевого протокола

Протокол, который определяет ненадежной доставки без
установления соединения, называется Межсетевым Протоколом, и
обычно обозначается своими инициалами, IP(аббревиатура IP привела
к появлению термина IP-адрес). IP обеспечивает определение трех
важных вещей. Во-первых, протокол IP определяет базовый элемент
передачи данных, используемый во всем интернете TCP/IP.
Во-вторых, программное обеспечение IP выполняет функцию
маршрутизации, выбора пути, по которому будут передаваться
данные. В-третьих, помимо точной, формальной спецификации
форматов данных и функции маршрутизации, IP включает набор
правил, которые воплощают в жизнь идею ненадежной доставки
пакетов. Эти правила указывают, как ГВМ и шлюзам следует
обрабатывать пакеты, как и когда следует генерировать сообщения
об ошибках, и условия, при которых можно удалять пакеты. IP
является такой фундаментальной частью, что интернет TCP/IP иногда
называют технологией на основе IP.
Мы начинаем рассмотрение IP в этой главе с обзора формата
пакета, описанного в нем. Маршрутизацию и обработку ошибок мы
рассмотрим в следующих главах.

7.7 Межсетевая дейтаграмма

Между физической сетью и интернетом TCP/IP существует много
аналогий. В физической сети единицей передачи является кадр,
который состоит из заголовка и данных, где заголовок содержит
информацию, такую как адреса отправителя и получателя. Интернет
называет свой базовый элемент передачи межсетевой
дейтаграммой(иногда ее называют IP-дейтаграммой или просто
дейтаграммой). Как и кадр физической сети, дейтаграмма делится на
поле заголовка и поле данных. Кроме того, как и кадр, заголовок
дейтаграммы содержит адреса отправителя и получателя, а также
поле типа, которое идентифицирует содержимое дейтаграммы. Ну, и
конечно, разница между ними состоит в том, что заголовок
дейтаграммы содержит IP-адреса, в то время как заголовок кадра -
физические адреса. Рисунок 7.2 показывает общую форму
дейтаграммы:

-----------------------------------------------------------
| ЗАГОЛОВОК | ОБЛАСТЬ ДАННЫХ |
| ДЕЙТАГРАММЫ | ДЕЙТАГРАММЫ |
-----------------------------------------------------------

Рисунок 7.2 Общая форма IP-дейтаграммы, аналогии сетевому
кадру в TCP/IP. IP специфицирует формат заголовка, включая
IP-адреса источника и назначения. IP не описывает формат области
данных; она может быть использована для транспортировки
произвольных данных.

7.7.1 Формат дейтаграммы

Теперь, после того, как мы описали общий формат
IP-дейтаграммы, можно рассмотреть ее содержимое более детально.
Рисунок 7.3 показывает расположение полей дейтаграммы:

0 4 8 16 19 24 31
------------------------------------------------------------
|версия|длина| тип сервиса | общая длина |
------------------------------------------------------------
| идентификация |флаги |смещение фрагмента |
------------------------------------------------------------
|время жизни | протокол | КС заголовка |
------------------------------------------------------------
| IP-адрес отправителя |
------------------------------------------------------------
| IP-адрес получателя |
------------------------------------------------------------
| Опции IP(если есть) |заполнение |
------------------------------------------------------------
| Данные |
------------------------------------------------------------
|... |
------------------------------------------------------------

Рисунок 7.3 Формат дейтаграммы Интернета, основного элемента
передачи в интернете TCP/IP.

Так как обработка дейтаграммы происходит с помощью
программного обеспечения, оборудование не накладывает никаких
ограничений на ее содержимое и формат. Например, первое 4-битовое
поле в дейтаграмме(ВЕРСИЯ) содержит версию протокола IP,
используемую при создании дейтаграммы. Оно используется
отправителем, получателем, и всеми шлюзами между ними для
уверенности в том, что все они используют один и тот же формат
дейтаграммы. Всему программному обеспечению IP требуется
проверять поле версии перед обработкой дейтаграммы, чтобы быть
уверенным в том, что ее формат соответствует тому формату,
который ожидает это обеспечение. Если стандарт меняется, машины
будут отбрасывать дейтаграммы с версией протокола, отличающейся
от версии, на которой они работают, предохраняя себя от
неправильной интерпретации содержимого дейтаграммы из-за
устаревшего формата. Текущая версия протокола IP - 4.
Поле длины заголовка(ДЛИНА) также занимает 4 бита и хранит
длину заголовка дейтаграммы в 32-битных словах. Как мы увидим,
все поля в заголовке имеют фиксированную длину, за исключением
поля ОПЦИИ IP и соответствующего ему поля ЗАПОЛНЕНИЕ. Наиболее
простой заголовок, без опций и заполнения, занимает 20 октетов