Введение

Обоснование

Протокол Internet создан для использования в объединенных системах компьютерных коммуникационных сетей с коммутацией пакетов. Такие системы были названы "catenet". Протокол Internet обеспечивает передачу блоков данных, называемых датаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются хост-компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины. Протокол Internet обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку датаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов.

Цель

Протокол Internet специально ограничен задачами обеспечения функций, необходимых для передачи битового пакета (датаграммы Internet) от отправителя к получателю через объединенную систему компьютерных сетей. Нет механизмов для увеличения достоверности конечных данных, управления протоколом, синхронизации или других услуг, обычно приненяемых в протоколах передачи от хоста к хосту. Протокол Ineternet может обобщить услуги поддерживающих его сетей с целью предоставления услуг различных типов и качеств.

Интерфейсы

Данный протокол получил название в соответствии с протоколами передачи информации между хост-компьютерами в межсетевой среде. Протокол вызывает в локальной сети протоколы для передачи датаграммы Internet на следующий шлюз или хост-получатель.

Например, модуль TCP вызывал бы модуль Internet с тем, чтобы получить сегмент TCP (включая заголовок TCP и данные пользователя) как информационную часть Internet пакета. Модуль TCP обеспечил бы адреса и другие параметры в заголовке модуля Internet в качестве параметров рассматриваемого вызова. Модуль Internet в этом случае создал бы датаграмму Internet и прибегнул бы к услугам локальной сети для передачи датаграммы Internet.

Например, в случае сети ARPANET модуль Ineternet вызывал бы локальный сетевой модуль, который бы добавлял к датаграмме Internet проводник типа 1822 [2], создавая сообщение ARPANET для передачи на IMP. Адрес ARPANET получился бы из адреса Intenet с помощью интерфейса локальной сети и относился бы к некоторому хост-компьютеру в сети ARPANET, который мог бы быть шлюзом в другие сети.

Действие

Протокол Internet выполняет две главные функции: адресацию и фрагментацию.

Модули Internet используют адреса, помещенные в заголовок Internet, для передачи Internet датаграмм их получателям. Выбор пути передачи называется маршрутизацией.

Модули Internet используют поля в заголовке Internet для фрагментации и восстановления датаграмм Internet, когда это необходимо для их передачи через сети с малым размером пакетов.

Сценарий действия состоит в том, что модуль Internet меняет размер на каждом из хостов, задействованных в internet-коммуникации и на каждом из шлюзов, обеспечивающих взаимодействие между сетями. Эти модули придерживаются общих правил для интерпретации полей адресов, для фрагментации и сборки Internet датаграмм. Кроме этого, данные модули (и особенно шлюзы) имеют процедуры для принятия решений о маршрутизации, а также другие функции.

Протокол Internet обрабатывает каждую Internet датаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими датаграммами Internet. Протокол не имеет дело ни с соединениями, ни с логическими цепочками (виртуальными или какими-либо другими).

Протокол Internet использует четыре ключевых механизма для формирования своих услуг: задание типа сервиса, времени жизни, опций и контрольной суммы заголовка.

Тип обслуживания используется для обозначения требуемой услуги. Тип обслуживания - это абстрактный или обобщенный набор параметров, который характеризует набор услуг, предоставляемых сетями, и составляющих собственно протокол Internet. Этот способ обозначения услуг должен использоваться шлюзами для выбора рабочих параметров передачи в конкретной сети, для выбора сети, используемой при следующем переходе датаграммы, для выбора следующего шлюза при маршрутизации сетевой Internet датаграммы.

Механизм времени жизни служит для указания верхнего предела времени жизни Internet датаграммы. Этот параметр устанавливается отправителем датаграммы и уменьшается в каждой точке на проходимом датаграммой маршруте. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как Internet датаграмма достигнет получателя, эта датаграмма будет уничтожена. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения.

Механизм опций предоставляет функции управления, которые являются необходимыми или просто полезными при определенных ситуациях, однако он ненужен при обычных комминикациях. Механизм опций предоставляет такие возможности, как временные штампы, безопасность, специальная маршрутизация.

Контрольная сумма заголовка обеспечивает проверку того, что информация, используемая для обработки датаграмм Internet, передана правильно. Данные могут содержать ошибки. Если контрольная сумма неверна, то Internet датаграмма будет разрушена, как только ошибка будет обнаружена.

Протокол Internet не обеспечивает надежности коммуникации. Не имеется механизма подтверждений ни между отправителем и получателем, ни между хост-компьютерами. Не имеется контроля ошибок для поля данных, только контрольная сумма для заголовка. Не поддерживается повторная передача, нет управления потоком.

Обнаруженные ошибки могут быть оглашены посредством протокола ICMP (Internet Control Message Protocol) [3], который поддерживается модулем Internet протокола.

Связь с другими протоколами

Протокол Internet взаимодействует с одной стороны с протоколами передачи информации между хост-компьютерами, а с другой - с протоколами локальной компьютерной сети. При этом локальная сеть может являться малой компьютерной сетью, участвующей в создании большой сети, такой как ARPANET.

Сценарий работы

Схему действий для передачи датаграммы от одной прикладной программы к другой можно проиллюстрировать следующим образом:

Предположим, что перенос будет включать прохождение одного промежуточного шлюза. Отправляющая прикладная программа готовит свои данные и вызывает свой локальный Internet модуль для отправки этих данных в качестве датаграммы, а в качестве аргументов этого вызова передает адрес получателя и другие параметры.

Модуль Internet готовит заголовок датаграммы и стыкует с ним данные. Модуль Internet определяет локальный сетевой адрес, соответствующий данному адресу Internet. В данном случае это адрес шлюза.

Модуль передает данную датаграмму и адрес в локальной сети в распоряжение интерфейса локальной сети.

Интерфейс локальной сети создает соответствующий этой сети заголовок и соединяет с ним датаграмму. Затем он передает по локальной сети полученный таким образом результат.

Датаграмма достигает хост-компьютер, играющий роль шлюза и расположенный в вершине сети. Интерфейс локальной сети отделяет этот заголовок и передает датаграмму на модуль Internet. Модуль Internet определяет из Internet адреса, что датаграмма должна быть направлена на хост-компьютер во второй сети. Модуль Internet определяет адрес хоста-получателя в локальной сети. Он обращается к интерфейсу локальной сети с тем, чтобы она переслала данную датаграмму по назначению.

Интерфейс создает заголовок локальной сети и соединяет с ним датаграмму, а затем результат на правляет на хост-получатель.

На хосте-получателе интерфейс локальной сети удалает заголовок локальной сети и передает оставшееся на Internet модуль.

Модуль Internet определяет, что рассматриваемая выше датаграмма предназначена для прикладной программы на этот хосте. Модуль передает данные прикладной программе в ответ на системный вызов. В качестве результата этого вызова передаются адрес получателя и другие параметры. прикладная программа прикладная программа \ / модуль Internet модуль Internet модуль Internet \ / \ / LNI-1 LNI-1 LNI-2 LNI2 \ / \ / локальная сеть 1 локальная сеть 2

Рис. 2 Путь передачи датаграммы

Описание функций

Функция или цель протокола Internet состоит в передаче датаграммы через набор объединенных компьютерных сетей. Это осуществляется посредством передачи датаграмм от одного модуля Internet к другому до тех пор, пока не будет достигнут получатель. Модули Internet находятся на хостах и шлюзах системы Internet. Датаграммы направляются с одного модуля Internet на другой через конкретные компьютерные сети, основанные на интерпретации Internet адресов. Таким образом, одним из важных механизмов протокола Internet является Internet адрес.

При передаче сообщений с одного Internet модуля на другой датаграммы могут нуждаться в прохождении через сети, для которых максимальный размер пакета меньше, чем размер датаграммы. Чтобы преодолеть эту сложность, в протокол Internet включен механизм фрагментации.

Адресация. В протоколе сделано разграничение между именами, адресами и маршрутами [4]. Имя показывает искомый нами объект. Адрес показывает его местонахождение. Internet имеет дело с адресами. Перевод имен в адреса является задачей протоколов более высокого уровня (прикладных программ или протоколов передачи синхронизации с хоста на хост). Собственно модуль Internet осуществляет отображение адресов Internet на адреса локальной сети. Создание карты адресов локальной сети для получения маршрутов - задача процедур более низкого уровня (процедур локальной сети или шлюзов).

Адреса имеют фиксированную длину четыре октета (32 бита). Адрес начинается с сетевого номера, за которым следует локальный адрес (называемый полем остатка "rest"). Существуют три формата или класса адресов Internet. В классе a самый старший бит нулевой. Следующие 7 бит определяют сеть. а последние 24 бита - локальный адрес. В классе b самые старшие два бита равны соответственно 1 и 0, следующие 14 бит определяют сеть, а последние 16 бит - локальный адрес. В классе c три самых старших бита равны соответственно 1,1 и 0, следующие 21 бит определяют сеть, а последние 8 бит - локальный адрес.

При отображении карты Internet адресов на адреса локальной сети следует соблюдать осторожность. Единичный хост-компьютер должен уметь работать так, как если бы на его месте существовало несколько отдельных хост-компьютеров для использования нескольких адресов Internet. Некоторые хост-компьютеры будут также иметь несколько физических интерфейсов (multi-homing).

Таким образом, следует обеспечить каждый хост-компьютер несколькими физическими сетевыми интерфейсами, имеющими по несколько логических адресов Internet.

Фрагментация. Фрагментация Internet датаграммы необходима, когда эта датаграмма возникает в локальной сети, позволяющей работать с пакетами большого размера, и затем должна пройти к получателю через другую локальную сеть, которая ограничивает пакеты меньшим размером.

Internet датаграмма может быть помечена как нефрагментируемая. Любая Internet датаграмма, помеченная таким образом, не может быть фрагментирована модулем Internet ни при каких условиях. Если же Internet датаграмма, помеченная как нефрагментируемая, тем не менее не может достигнуть получателя без фрагментации, то вместо этого она будет разрушена.

Фрагментация, перенос и сборка в локальной сети, невидимые для модуля Internet протокола, называются внутрисетевой фрагментацией.

Необходимо, чтобы Internet процедуры фрагментации и сборки могли разбивать датаграмму на почти любое количество частей, которые впоследствии могли бы быть вновь собраны. Получатель фрагмента использует поле идентификации для того, чтобы быть убежденным в том, что фрагменты различных датаграмм не будут перепутаны. Поле смещения фрагмента сообщает получателю положение фрагмента в исходной датаграмме. Смещение фрагмента и длина определяют кусок исходной датаграммы, принесенный этим фрагментом. Флаг "more fragments" показывает (посредством перезагрузки) появление последнего фрагмента. Эти поля дают достаточное количество информации для сборки датаграмм.

Поле идентификации позволяет отличить фрагменты одной датаграммы от фрагментов другой. Модуль Internet, отправляющий Internet датаграмму, устанавливает в поле идентификации значение, которое должно быть уникальным для данной пары отправитель - получатель, а также время, в течении которого датаграмма будет активна в системе Internet. Модуль протокола, отправляющий нерасчлененную датаграмму, устанавливает в нуль флаг "more fragments" и смещение во фрагменте.

Чтобы расчленить большую Internet датаграмму, модуль протокола Internet (например, шлюз), создает две новые Intenet датаграммы и копирует содержимое полей Internet заголовка из большой датаграммы в оба новых Internet заголовка. Данные из старой датаграммы делятся на две части по границе на очередном восьмом октете (64 бита). Полученная таким образом вторая часть может быть кратна 8 октетам, а может и не быть, но первая часть кратна всегда. Заказывается количество блоков первой части NFB (количество блоков фрагмента). Первая часть данных помещается в первую новую Internet датаграмму, в поле общей длины помещается длина первой датаграммы. Флаг "more fragments" устанавливается в единицу. Вторая часть данных помещается во вторую новообразованную Internet датаграмму, в поле общей длины заносится длина второй датаграммы. В поле смещения фрагмента во второй Internet датаграмме устанавливается значение такого же поля в исходной большой датаграмме, увеличенное на NFB.

Эта процедура может быть обобщена на случай многократного расщепления исходной датаграммы.

Чтобы собрать фрагменты Internet датаграммы, модуль протокола Internet (например, модуль на хост-компьютере) объединяет Internet датаграммы, имеющие одинаковые значения в полях идентификатора, отправителя, получателя и протокола. Собственно объединение заключается в помещении данных из каждого фрагмента в позицию, указанную в заголовке Internet пакета в поле "fragment offset". Первый фрагмент будет иметь в поле "fragment offset" нулевое значение, а последний фрагмент будет иметь флаг "more fragments", вновь установленный в нуль.

Шлюзы

С помощью шлюзов протокол Internet осуществляет передачу датаграмм между сетями. Шлюзы также поддерживают протокол шлюз-шлюз (GGR) [] для координации маршрутизации и передачи другой управляющей информации для протокола Internet.

Нет нужды держать на шлюзе протоколы более высокого уровня, а функции GGP добавляются к возможностям IP модуля.

+--------------------------------+ | Internet протокол & ICMP & GGP | +--------------------------------+ | | +----------------+ +----------------+ | локальная сеть | | локальная сеть | +----------------+ +----------------+

Рис. 3 Протоколы шлюзов