Семейство протоколов TCP/IP. Сокеты (sockets) в UNIX и основы работы с ними

Транспортный уровень. Протоколы TCP и UDP. TCP и UDP сокеты. Адресные пространства портов. Понятие encapsulation

Мы не будем вдаваться в детали реализации протоколов транспортного уровня, а лишь кратко рассмотрим их основные характеристики. К протоколам транспортного уровня относятся протоколы TCP и UDP.

Протокол TCP реализует потоковую модель передачи информации, хотя в его основе, как и в основе протокола UDP, лежит обмен информацией через пакеты данных. Он представляет собой ориентированный на установление логической связи (connection-oriented), надежный (обеспечивающий проверку контрольных сумм, передачу подтверждения в случае правильного приема сообщения, повторную передачу пакета данных в случае неполучения подтверждения в течение определенного промежутка времени, правильную последовательность получения информации, полный контроль скорости передачи данных) дуплексный способ связи между процессами в сети. Протокол UDP, наоборот, является способом связи ненадежным, ориентированным на передачу сообщений ( датаграмм ). От протокола IP он отличается двумя основными чертами: использованием для проверки правильности принятого сообщения контрольной суммы, насчитанной по всему сообщению, и передачей информации не от узла сети к другому узлу, а от отправителя к получателю.

Полный адрес удаленного процесса или промежуточного объекта для конкретного способа связи с точки зрения операционных систем определяется парой адресов: <числовой адрес компьютера в сети, локальный адрес>.

Такая пара получила название socket (гнездо, панель), так как по сути дела является виртуальным коммуникационным узлом (можно представить себе виртуальный разъем или ящик для приема/отправки писем), ведущим от объекта во внешний мир и наоборот. При непрямой адресации сами промежуточные объекты для организации взаимодействия процессов также именуются сокетами.

Поскольку уровень Internet семейства протоколов TCP/IP умеет доставлять информацию только от компьютера к компьютеру, данные, полученные с его помощью, должны содержать тип использованного протокола транспортного уровня и локальные адреса отправителя и получателя. И протокол TCP, и протокол UDP используют непрямую адресацию.

Для того чтобы избежать путаницы, мы в дальнейшем термин " сокет " будем употреблять только для обозначения самих промежуточных объектов, а полные адреса таких объектов будем называть адресами сокетов.

Для каждого транспортного протокола в стеке TCP/IP существуют собственные сокеты: UDP сокеты и TCP сокеты, имеющие различные адресные пространства своих локальных адресов – портов . В семействе протоколов TCP/IP адресные пространства портов представляют собой положительные значения целого 16-битового числа. Поэтому, говоря о локальном адресе сокета, мы часто будем использовать термин "номер порта ". Из различия адресных пространств портов следует, что порт 1111 TCP – это совсем не тот же самый локальный адрес, что и порт 1111 UDP. О том, как назначаются номера портов различным сокетам, мы поговорим позже.

Итак, мы описали иерархическую систему адресации, используемую в семействе протоколов TCP/IP, которая включает в себя несколько уровней:

• Физический пакет данных, передаваемый по сети, содержит физические адреса узлов сети ( MAC-адреса ) с указанием на то, какой протокол уровня Internet должен использоваться для обработки передаваемых данных (поскольку пользователя интересуют только данные, доставляемые затем на уровень приложений/процессов, то для него это всегда IP).
• IP-пакет данных содержит 32-битовые IP-адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя, и указание на то, какой вышележащий протокол (TCP, UDP или еще что-нибудь) должен использоваться для их дальнейшей обработки.
• Служебная информация транспортных протоколов (UDP-заголовок к данным и TCP-заголовок к данным) должна содержать 16-битовые номера портов для сокета отправителя и сокета получателя.

Добавление необходимой информации к данным при переходе от верхних уровней семейства протоколов к нижним принято называть английским словом encapsulation (дословно: герметизация). На рисунке 15–16.5 приведена схема encapsulation при использовании протокола UDP на сети Ethernet.

Рис. 15-16.5. Encapsulation для UDP-протокола на сети Ethernet

Поскольку между MAC-адресами и IP-адресами существует взаимно однозначное соответствие, известное семейству протоколов TCP/IP, то фактически для полного задания адреса доставки и адреса отправления, необходимых для установления двусторонней связи, нужно указать пять параметров:

<транспортный протокол, IP-адрес отправителя, порт отправителя, IP-адрес получателя, порт получателя>

Уровень приложений/процессов

К этому уровню можно отнести протоколы TFTP (Trivial File Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), telnet, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и другие, которые поддерживаются соответствующими системными утилитами. Об их использовании подробно рассказано в UNIX Manual, и останавливаться на них мы не будем.

Нас будет интересовать в дальнейшем программный интерфейс между уровнем приложений/процессов и транспортным уровнем для того, чтобы мы могли создавать собственные процессы, общающиеся через сеть. Но прежде чем заняться программным интерфейсом, нам необходимо вспомнить особенности взаимодействия процессов в модели клиент-сервер.