Стек протоколов TCP/IP


Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) является основой глобальной сети Интернет, что обеспечило ему широкую популярность. Его гибкость и возможности маршрутизации трафика позволяют использовать его в сетях различного масштаба (начиная небольшой локальной сетью и заканчивая глобальной корпоративной сетью).
Стек протоколов TCP/IP представляет собой набор сетевых протоколов, регламентирующих все стороны процесса взаимодействия сетевых устройств. Этот стек протоколов основан на открытых спецификациях. Благодаря этому реализации данного стека протокола различными производителями совместимы между собой. В частности, реализация TCP/IP, предложенная Microsoft в рамках семейства операционных систем Windows, позволяет осуществлять взаимодействие с системами, находящимися под управлением ОС, созданных не фирмой Microsoft (например, UNIX).
Можно выделить следующие достоинства стека протоколов TCP/IP:

  •  в рамках стека реализована стандартизованная схема маршрутизации, являющаяся наиболее полным и доступным общепринятым механизмом маршрутизации сетевого трафика. Практически все современные операционные системы поддерживают TCP/IP (даже Novell признала первенство стека протоколов TCP/IP и реализовала его поддержку в своем семействе операционных систем NetWare). Практически все корпоративные сети строятся с использованием стека TCP/IP;
  • технология объединения разнородных систем. В рамках стека TCP/IP доступно множество стандартных утилит для организации взаимодействия и передачи данных между разнородными системами, включая протокол передачи файлов FTP и протокол эмуляции терминала (Telnet). Некоторые стандартные утилиты поставляются непосредственно с Windows Server 2003;
  •  технология, позволяющая подключать сеть или одиночный компьютер к глобальной сети Интернет. Поскольку Интернет функционирует на базе стека протоколов TCP/IP, поддержка компьютером этого стека является одним из обязательных требований при подключении его к этой сети. Реализованный в рамках стека протокол РРР, протокол туннелирования РРТР и архитектура Windows Sockets обеспечивают необходимую основу для организации подключения к Интернету и использования всех его служб;
  •  основа для организации устойчивого, масштабируемого, межплатформенного, клиент-серверного взаимодействия. В TCP/IP поддерживается интерфейс Windows Sockets, который является реализацией в среде Windows широко распространенного интерфейса Berkeley Sockets, используемого для создания сетевых приложений.

Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003
В Windows Server 2003 реализована поддержка основных протоколов стека TCP/IP, включая протокол управления передачей (TCP), протокол Интернета (IP), протокол пользовательских датаграмм (UDP), протокол разрешения адресов (ARP), протокол управляющих сообщений Интернета (1СМР), а также протокол управлениями группами Интернет (IGMP). Реализация стека протоколов TCP/IP включает в себя базовые утилиты TCP/IP, в том числе Finger, Ftp, Lpr, Rep, Rexec, Rsh, Telnet и Tftp. Эти утилиты позволяют пользователям, работающим в Windows Server 2003, использовать ресурсы и взаимодействовать с компьютерами под управлением операционных систем сторонних производителей (например, операционные системы семейства UNIX). В распоряжении администратора имеется также целый ряд диагностических утилит TCP/IP, включая Arp, Hostname, Ipconfig, Lpq, Nbtstat, Netstat, Ping, Route и Tracert. Системные администраторы могут использовать эти утилиты, чтобы обнаружить и решить проблемы работы с сетями TCP/IP.

В Windows Server 2003 протокол TCP/IP устанавливается по умолчанию и не может быть удален или переустановлен. Если возникает необходимость сбросить установки TCP/IP, то следует использовать утилиту командной строки Netsh.exe.

Следует заметить, что разработанные в ходе развития стека TCP/IP спецификации охватывают различные стороны сетевого взаимодействия. Не все они реализованы в рамках стека протоколов TCP/IP, предложенного Microsoft в Windows Server 2003. Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 имеет следующие характерные особенности:

  •  поддержка окна передачи большого размера. Эта возможность улучшает производительность TCP/IP в случае, когда передается большое количество данных или не требуется передача подтверждения при связи между двумя компьютерами в течение длительного периода времени. В случае взаимодействия на базе протокола TCP окно (максимальное число пакетов, переданных в виде непрерывного потока до первого пакета подтверждения) обычно имеет фиксированный размер и устанавливается в начале сеанса связи между принимающим и передающим компьютерами. С поддержкой больших окон фактический размер окна может быть динамически вычислен повторно и соответственно увеличен в течение более длинных сеансов. Это позволяет передать большее количество пакетов данных за один раз и увеличивает эффективную полосу пропускания;
  •  размер окна передачи устанавливается локальным сетевым адаптером. Данная возможность позволяет устанавливать размер окна передачи сетевым адаптером в соответствии с имеющейся пропускной способностью сети. Например, в ситуации, когда компьютер подключен к Интернету посредством модемного соединения, размер окна передачи будет значительно меньше, чем в случае соединения с локальной вычислительной сетью. Применительно к серверу удаленного доступа описываемая возможность позволяет уменьшить размер очереди пакетов и, как следствие, увеличить эффективность устанавливаемых соединений;
  •  выборочные подтверждения. Эта возможность позволяет сетям быстро восстанавливать свою работоспособность после возникновения сетевых конфликтов или временного сбоя в физической среде. Получатель может выборочно подтверждать или требовать повторную передачу у отправителя только для тех пакетов, которые были опущены или повреждены во время передачи данных. В предыдущих реализациях TCP/IP, если компьютер-получатель не смог получить одиночный TCP-пакет, отправитель был вынужден повторно передавать не только поврежденный или отсутствующий пакет, но и всю последовательность пакетов, идущую после неподтвержденного пакета. С новой возможностью будут повторно посланы только действительно поврежденные или пропущенные пакеты. Это приводит к передаче меньшего количества пакетов, т. е. к лучшему использованию сети;
  •  лучшая оценка времени кругового пути (Round Trip Time, RTF). Эта возможность повышает эффективность стека протоколов TCP/IP, позволяя точно оценивать время, затрачиваемое на путешествие пакета туда и обратно (RTT) между двумя хостами сети. (RTT — количество времени, которое требуется для кругового прохождения пакета между отправителем и получателем по установленному TCP-соединению.) Повышение точности оценки RTT позволяет установить более точное значение тайм-аута, до истечения которого компьютеры не будут перезапрашивать пакет. Лучшая синхронизация приводит к повышению эффективности работы в сетях с большими значениями RTT (например, в глобальных сетях), покрывающих большие расстояния (нередко целые континенты), или при использовании TCP/IP в беспроводных или спутниковых каналах;
  •  поддержка протокола IPv6. Протокол IPv6 представляет собой новую версию протокола IP (старая версия протокола получила название IPv4). Новая версия протокола позволяет преодолеть ограничения и недостатки, характерные для протокола IPv4;
  •  поддержка механизмов маршрутизации. Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 включает в себя механизмы маршрутизации. Благодаря этому компьютер под управлением Windows Server 2003 может выступать в качестве маршрутизатора, соединяя между собой две или более подсетей;
  •  возможность назначения одного IP-адреса нескольким сетевым адаптерам (создание так называемого подключения типа "сетевой мост", network media bridge). Например, компьютер может иметь два сетевых подключения (одно посредством модема с телефонной линией, а второе посредством сетевого адаптера к беспроводной сети). При этом другие компьютеры, подключаясь по телефонной линии к данному компьютеру, могут через мост осуществлять взаимодействие с компьютерами, подключенными к беспроводной сети;
  •  встроенный брандмауэр. Непосредственно на уровне операционной системы реализован простейший брандмауэр подключений к Интернету (Internet Connection Firewall, ICF). Встроенный брандмауэр представляет собой службу, осуществляющую фильтрацию информации, поступающей
  • из глобальной сети Интернет. Служба пропускает только разрешенные администратором типы пакетов и отбрасывает все остальные;
  •  поддержка служб просмотра сети (browser service), позволяющая осуществлять поиск ресурсов в сложных IP-сетях.

Помимо транспортных протоколов, задача которых сводится исключительно к организации сетевого взаимодействия, в Windows Sewer 2003 реализован целый ряд служб, без которых на сегодняшний день трудно представить сетевую инфраструктуру современного предприятия:

  •  службы Интернета (Internet Information Services, IIS);
  •  служба DHCP для автоматического конфигурирования TCP/IP;
  •  служба WINS (Windows Internet Name Service) для разрешения NetBIOS-имен в IP-адреса;
  •  служба доменных имен (Domain Name Service, DNS) для разрешения доменных имен в IP-адреса;
  •  службы печати для доступа через TCP/IP к принтерам, подключенным к UNIX-системам, или к принтерам, подключенным непосредственно к сети;
  •  агент простого протокола управления сетью (Simple Network Management Protocol, SNMP). Протокол SNMP был разработан как средство реализации централизованного управления разнообразными сетевыми устройствами посредством специализированного программного обеспечения (например, Sun Net Manager или HP Open View);
  •  серверное программное обеспечение для простых сетевых протоколов, включая генератор символов (Chargen), Daytime, Discard, Echo и Quote of The Day. Эти протоколы позволяют компьютеру под управлением Windows Server 2003 отвечать на запросы других систем, поддерживающих эти протоколы.

Реализация стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003 не включает полный набор утилит TCP/IP или серверных служб (которые традиционно называются демонами, daemons). Тем не менее, существует множество прикладных программ и утилит такого рода, совместимых с реализацией TCP/IP производства Microsoft из состава Windows Server 2003, — как свободно распространяемых, так и сторонних производителей.

Архитектура стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003
Рис. 12.5 позволяет получить представление об архитектуре стека протоколов. TCP/IP, реализованного в рамках операционной системы Windows Server 2003. Условно можно выделить четыре уровня данной реализации.

  •  Уровень приложений. На этом уровне функционируют приложения, нуждающиеся в доступе к сети. При этом приложения для обращений к сети могут использовать любой из поддерживаемых системой прикладных интерфейсов.



Рис. 12.5. Архитектура стека протоколов TCP/IP в Windows Server 2003

  •  Уровень прикладных интерфейсов. Прикладные интерфейсы представляют собой стандартизированные точки доступа к сетевым компонентам операционной системы. Операционной системой Windows Sewer 2003 поддерживается целый ряд разнообразных прикладных интерфейсов (NetBIOS, WNET/WinNET, Windows Socket, RFC). Прикладные интерфейсы взаимодействуют с транспортными протоколами через интерфейс транспортного драйвера (Transport Driver Interface, TDI).
  •  Реализация транспортных механизмов. На этом уровне функционируют транспортные протоколы, отвечающие за упаковку сетевых запросов к приложениям в соответствующие форматы и отправку этих запросов на соответствующий сетевой адаптер посредством интерфейса сетевых драйверов (Network Driver Interface Specifications, NDIS).
  •  Интерфейс сетевых драйверов. Интерфейс сетевых драйверов позволяет использовать несколько сетевых протоколов поверх разнообразных типов сред и сетевых адаптеров. Благодаря этому интерфейсу множество протоколов могут совместно использовать один сетевой адаптер.

В Windows Server 2003 реализована спецификация NDIS 5.1. Ниже перечислены характерные особенности данной версии этого интерфейса.

  •  Поддержка данных, передаваемых вне полосы пропускания (используется в широкополосной передаче).
  •  Расширение для средств Wireless WAN.
  • Высокоскоростные передача и прием пакетов (что приводит к значительному повышению производительности).
  •  Расширение для средств высокоскоростных портов инфракрасной передачи IrDA.
  •  Автоматическое определение среды (это требуется для получения эмблемы "Разработано для Windows" в соответствии с руководством по построению аппаратных средств спецификации РС'98).
  •  Фильтрация пакетов (предотвращает монопольный захват процессора утилитой Сетевой монитор (Network Monitor)).
  •  Многочисленные новые системные функции интерфейса NDIS (требуются для двоичной совместимости мини-порта Windows 95 и Windows NT).
  •  Управление питанием NDIS (требуется для сетевого управления питанием и включения компьютера через сеть).
  •  Поддержка технологии Plug and Play.
  •  Поддержка инструментария управления Windows (Windows Management Instrumentation, WMI), что обеспечивает создание совместимых с WBEM (Управление предприятием на основе технологии Web) средств управления аппаратурой мини-портов ND1S и связанных с ними адаптеров.
  •  Поддержка единого формата INF для всех операционных систем Windows. Новый формат INF основан на формате 1NF, принятом в Windows 95.
  •  Механизмы разгрузки процессора для служебных процессов типа расчета контрольной суммы пакетов протоколов TCP и UDP, а также для быстрой пересылки пакетов.
  •  Расширение для средств широковещания (необходимо для широковещательных служб в Windows).
  •  Поддержка механизмов установления логического соединения (требуется для сетей ATM и ADSL, а также для работы WDM-CSA (Windows Driver Model-Connection Streaming Architecture) — модели драйвера потоковой архитектуры соединения для Windows поверх всех сред с установлением логического соединения).
  •  Поддержка для реализации служб качества обслуживания (Quality of Service, QoS).
  •  Поддержка промежуточных драйверов (требуется для широковещания PC, виртуальных ЛВС, планирования пакетов для QoS и для поддержки сетевых устройств IEEE-1394).

Интерфейс Windows Socket 2
Интерфейс Windows Socket 2 (достаточно часто можно встретить другое название — WinSock 2) представляет собой реализованный в Windows интерфейс сокетов, разработанный в Университете Беркли. Данный интерфейс выступает в качестве связующего звена между приложениями и транспортным механизмом. Формат сокета зависит от протокола. Применительно к TCP/IP сокет представляет собой комбинацию информации об адресе хоста и номере порта. Для каждого сокета эта комбинация является уникальной.
Обеспечивая полную совместимость с предыдущей версией, Windows Socket 2 расширяет первоначальную реализацию интерфейса. Его характеризуют:

  •  улучшенная эффективность работы;
  •  дополнительная поддержка разрешения имен;
  •  параллельный доступ к нескольким сетевым транспортам;
  •  поддержка процедур управления качеством обслуживания (QoS);
  •  поддержка многоточечного и многоадресного вещания.

 В дополнение к поддержке доступа к нескольким сетевым транспортам и механизмам разрешения имен, по сравнению со спецификацией WinSock 1.1, изменилась и архитектура Windows Sockets 2, которая теперь включает два основных уровня: уровень динамических библиотек (DLL), обеспечивающих интерфейс Windows Sockets API, и уровень поставщиков услуг, располагающихся ниже библиотек API и взаимодействующих с ними через интерфейс поставщика услуг (Service Provider Interface, SPI). Описание Windows Sockets 2 включает три отдельных спецификации: описание Windows Sockets 2 API, описание Windows Sockets 2 SPI и приложение (Appendix), определяющие особенности протокола транспортного уровня.
DLL-библиотека Windows Sockets 2 (WS2-32.DLL) включает все API, используемые разработчиками приложений. Она включает существующий Windows Sockets 1.1 API, а также новый API для расширенных средств обмена данными и API обобщенной службы имен. Многие поставщики теперь предлагают параллельный доступ к их собственным транспортам, создавая DLL-библиотеку поставщика услуг, соответствующую спецификации Windows Sockets 2 SPI. Это означает, что можно разработать приложение, обращающееся через новый прикладной интерфейс, например, к TCP/IP и IPX/SPX одновременно.
Интерфейс поставщика услуг позволяет обращаться к нескольким службам разрешения имен (Name Resolution Services) через единый API. Поскольку производители поставляют программные модули уровня поставщика услуг для DNS, для службы каталогов NetWare (NDS) и Х.500 все их функции разрешения имен будут доступны через API пространства имен Windows Sockets 2.
Протокол IPv6
Начальная версия протокола IP (ее принято называть IPv4) разрабатывалась несколько десятилетий назад. Хотя при разработке этого протокола исходили из возможного развития сетевой инфраструктуры в будущем, протоколу IPv4 свойственен ряд ограничений.

  •  Ограниченное адресное пространство. Стремительный рост Интернета выявил одно из самых ощутимых ограничений — нехватку IP-адресов. По оценкам специалистов, заложенное в рамках архитектуры протокола IPv4 количество IP-адресов приблизительно равно количеству хостов Интернета. Уже в ближайшем будущем все доступные IP-адреса будут задействованы. Для дальнейшего развития Интернета необходимо предложить и задействовать новый способ адресации хостов.
  •  Сложность конфигурации. Версия протокола IPv4 предусматривает только два способа определения конфигурации протокола: ручная настройка либо использование службы автоматической конфигурации хостов DHCP. В случае большого количества хостов возникает потребность в механизме конфигурации хостов, требующем минимального участия со стороны администратора.
  •  Недостаточная защищенность. При взаимодействии хостов через открытые сети (какой является, например, Интернет) данные передаются в открытом виде. Существуют различные механизмы защиты сетевого трафика на разных уровнях OSI модели. Специалистами был разработан протокол шифрования данных на сетевом уровне, получивший название протокола IP Security (IPSec). Однако использование этого протокола носит опциональный характер.
  •  Отсутствие механизмов управления качеством обслуживания (Quality of Service, QoS). Развитие информационных технологий предъявляет жесткие требования к сетевому транспорту (особенно при передаче потоковых данных — таких, например, как голос и изображение). Хотя имеются механизмы, позволяющие управлять качеством обслуживания и в рамках протокола IPv4, существующий формат заголовка IP-пакета имеет ограниченную функциональность.

Указанные ограничения удалось преодолеть в новой версии протокола IP, получившего название IPv6. Для этого протокола сетевого уровня можно выделить характерные особенности, перечисленные ниже.

  •  Новый формат заголовка IP-пакета. В новой версии протокола IP существенным образом был переработан формат заголовка пакета с целью повышения эффективности его обработки сетевыми устройствами. Следует заметить, что заголовок 1Ру6-пакета не совместим обратно с заголовком IРv4-пакета. Поэтому в случае использования в сети обеих версий протоколов сетевое устройство (такое, например, как маршрутизатор) должно поддерживать обе версии протокола.
  •  Увеличенное адресное пространство. Протокол IPv4 использует 32-битные адреса. В протоколе IPv6 используются 128-битные IP-адреса (что составляет 2128 возможных адресов). Имеющееся количество IP-адресов достаточно как для построения открытых сетей, так и для реализации корпоративных сетей. Благодаря этому, в частности, отпадает необходимость в механизмах трансляции адресов (NAT).
  •  Иерархическая инфраструктура адресации и маршрутизации. Схема адресации, используемая в IPv6, позволяет упростить процесс построения таблиц маршрутиазции, используемых маршрутизаторами для определения пути доставки пакета.
  •  Новый механизм конфигурации хостов. Протокол IPv6 поддерживает как традиционные способы конфигурации хостов (ручной и с использованием DHCP), так и новые способы конфигурации, не требующие участия DHCP-сервера. В последнем случае хост может определить собственную конфигурацию, основываясь на информации о настройках ближайшего маршрутизатора, либо использовать конфигурацию по умолчанию.
  •  Встроенный механизм обеспечения безопасности. Поддержка протокола IPSec является одним из обязательных условий функционирования протокола IPv6.
  •  Улучшенная поддержка механизмов управления качеством сервиса. Новый формат заголовка изначально ориентирован на работу механизмов управления качеством обслуживания (QoS).
  •  Новый протокол взаимодействия с соседними хостами. Протокол обнаружения соседних хостов (Neighbor Discovery Protocol) представляет собой набор ICMP-сообщений, который регламентирует процесс взаимодействия хоста с его соседями. Этот протокол соответственно заменяет протоколы ARP, ICMPv4 Router Protocol и ICMPv4 Redirect.

Применительно к реализации IPv6 в Windows Server 2003 следует заметить, что данная версия протокола поддерживается разнообразными службами TCP/IP. В частности, служба DNS может быть использована для регистрации хостами своих доменных имен и, в последующем, для разрешения этих имен в соответствующие 1Ру6-адреса.
Протокол IP Security
Протокол IP Security (или как его еще называют — IPSec) разработан с целью реализации защищенного обмена данными по протоколу IP. При этом протокол IPSec позволяет администратору решить следующие задачи обеспечения безопасности:

  •  обеспечение конфиденциальности передаваемых данных;
  •  контроль доступа;
  •  обеспечение целостности передаваемых данных;
  •  защита от повторения;
  •  подтверждение подлинности данных.

Протокол IPSec функционирует на сетевом уровне модели OSI. Принцип работы протокола сводится к созданию защищенного туннеля между двумя хостами, осуществляющими обмен данными через открытые сети. Поскольку процесс шифрования требует привлечения значительных вычислительных ресурсов, в структуре протокола IPSec выделяют два уровня обеспечения безопасности передаваемых данных.

  •  Создание защищенного заголовка IP-пакета (Authentication Header, АН). Данный уровень предполагает защиту заголовка передаваемого пакета. В случае использования только этого уровня собственно данные пакета передаются в открытом, незащищенном виде. Тем не менее, данный уровень наиболее оптимален в ситуации, когда конфиденциальность передаваемых данных не является критически важной. Уровень обеспечения безопасности АН позволяет гарантировать целостность данных, подтверждение подлинности их происхождения, а также защиту от повторений.
  •  Инкапсуляция содержимого пакета (Encapsulated Security Payload, ESP). На этом уровне реализуется защита содержимого пакета путем его шифрования. На уровне обеспечения безопасности ESP гарантируется конфиденциальность передаваемых данных, их целостность, подлинность их происхождения, а также защита от повторения.

В основе работы этого протокола лежит сразу несколько криптографических алгоритмов:

  •  системы шифрования с симметричным ключом шифрования (алгоритм DES);
  •  системы шифрования с открытым ключом;
  •  алгоритм открытого распределения ключей;
  •  алгоритмы хэширования (MD5).

Рекомендации по настройке стека протоколов TCP/IP
Дадим несколько общих рекомендаций касательно настройки хоста, работающего в сетях на базе стека протоколов TCP/IP. Настройка хоста сводится к определению следующих параметров.

  •  IP-адрес хоста. Каждый хост в среде TCP/IP должен иметь уникальный IP-адрес. Если хост имеет несколько сетевых соединений, для каждого из них (в том числе и использующих телефонные линии и подключенных к серверу удаленного доступа) должен быть выделен свой IP-адрес. Этот адрес может быть статически назначен администратором или выделен динамически службой DHCP.
  •  Определение метода разрешения символических имен. Windows Server 2003 поддерживает четыре способа разрешения символических имен в IP-адреса: службу доменных имен (Domain Name System, DNS), службу интернет-имен Windows (Windows Internet Name System, WINS), широковещательное разрешение имен и разрешение имен с помощью файлов HOSTS и LMHOSTS.

Отдельно следует рассмотреть методы разрешения имен в. ситуации, когда клиент подключается к серверу удаленного доступа. В этом случае клиент может использовать для разрешения имен те же серверы имен WINS и DNS, что назначены серверу удаленного доступа. Разумеется, параметры стека протоколов TCP/IP и телефонного подключения хоста могут отменить эти настройки по умолчанию.
В небольших сетях, где IP-адреса изменяются крайне редко или не изменяются вообще, сетевые подключения могут использовать файлы HOSTS или LMHOSTS для разрешения имен. Поскольку эти файлы размещены на локальном диске, не требуется передавать запрос на разрешение имен серверу WINS или серверу DNS и ждать ответ на этот запрос через телефонное подключение. Как следствие, сокращается время, необходимое для подключения к требуемому ресурсу.