Понятие сокета. Основные параметры сокета

Стек протоколов TCP/IP. Публичные и частные пространства адресов, типы портов. Параметры настройки TCP/IP.

TCP(Transmission Control Protocol) обеспечивает надежную доставку данных в сети;

IP (Internet Protocol) организует маршрутизацию сетевых передач от отправителя к получателю и отвечает за адресацию сетей и компьютеров.

Структура TCP/IP является более простой: в ней не выделяются Физический, Канальный, Сетевой и Представительский уровни. В общем и целом Транспортные уровни обеих моделей соответствуют друг другу, но есть и некоторые различия. Например, некоторые функции Сеансового уровня модели ISO/OSI берет на себя Транспортный уровень TCP/IP. Содержимое Сетевого уровня модели ISO/OSI тоже примерно соответствует Межсетевому уровню TCP/IP. В большей или меньшей степени Прикладной уровень TCP/IP соответствует трем уровням Сетевому, Представительскому и Прикладному модели ISO/OSI, а Уровень доступа к сети – совокупности Физического и Канального уровней.

Транспортный уровень - TCP (Transmission Control Protocol), чье имя присутствует в названии всего стека; UDP (User Datagram Protocol) – протокол передачи дейтаграмм пользователя.

Межсетевой уровень - IP (Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol), ARP (Address Resolution Protocol), RARP (Reverse ARP).

Уровень доступа к сети - Ethernet, SLIP (Serial Line IP), PPP (Point-to-Point Protocol).

Публичные "белые" адреса используются в сети Интернет. Публичным IP-адресом называется IP-адрес, который используется для выхода в Интернет. Доступ к устройству с публичным IP-адресом можно получить из любой точки глобальной сети, т.к. публичные (глобальные) IP-адреса маршрутизируются в Интернете, в отличие от частных (серых) IP-адресов.

Однако, в связи с тем что "белых" адресов существует ограниченное количество, в локальных сетях используются частные (серые) IP-адреса. Они не маршрутизируются в Интернете и на них нельзя отправить трафик из Интернета, только из конкретной частной локальной сети. Для домашних пользователей провайдер может предоставлять один или несколько публичных IP-адресов (как правило, это платная услуга). Маршрутизатор позволяет компьютерам локальной сети (с частными IP-адресами) использовать для выхода в Интернет публичный IP-адрес, установленный на внешнем интерфейсе (WAN) устройства. Именно этот внешний IP-адрес может быть использован для доступа из Интернета в локальную сеть.

Частные IP:

10.0.0.0 – 10.255.255.255 (префикс 10/8)

172.16.0.0 – 172.31.255.255 (префикс 172.16/12)

192.168.0.0 – 192.168.255.255 (префикс 192.168/16)

Параметры: IP, маска, шлюз, DNS

Основные характеристики протоколов Ethernet, SLIP, PPP, IPv4, IPv6, ICMP, ARP, RARP, TCP, UDP. Понятия: надежный и ненадежный протоколы, протоколы с установкой соединения или без установки соединения, протоколы ориентированные на поток или на сообщения.

Протокол Ethernet. Термин Ethernet обычно связывают со стандартом опубликованным в 1982 г. совместно корпорациями DEC, Intel и Xerox (DIX).

На сегодняшний день это наиболее распространенная технология локальных сетей. Ethernet применяет метод доступа CSMA/CD, использует 48-битную адресацию (стандарт IEE EUI-64) и обеспечивает передачу данных до 1 гигабита в секунду. Максимальная длина кадра, передаваемая в сети Ethernet составляет 1518 байт, при этом сами данные могут занимать от 46 до 1500 байт. Физически функции протокола Ethernet реализуются сетевой картой (NIC, Network Interface Card), которая может быть подключена к кабельной системе с фиксированным МАС-адресом производителя (в соответствии со стандартом ICANN).

Протокол SLIP(Serial Line IP). Аббревиатурой SLIP обозначают межсетевой протокол для последовательного канала. Раньше SLIP использовался для подключения домашних компьютеров к Internet через последовательный порт RS-232. Протокол использует простейшую инкапсуляцию кадра и имеет ряд недостатков: хост с одной стороны должен знать IP-адрес другого, т.к. SLIP не дает возможности сообщить свой IP-адрес; если линия задействована SLIP, то она не может быть использована никаким другим протоколом; SLIP не добавляет контрольной информации к пакету передаваемой информации – весь контроль возложен на протоколы более высокого уровня. Ряд недостатков были исправлены в новой версии протокола именуемой CSLIP (Compressed SLIP).

Протокол PPP (Point-to-Point Protocol). PPP – универсальный протокол двухточечного соединения: поддерживается TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX, DECNet и многими стеками протоколов. Протокол может применяться для технологии ISDN (Integrated Services Digital Network) и SONET (Synchronous Optical Network). PPP поддерживает многоканальные реализации: можно сгруппировать несколько каналов с одинаковой пропускной способностью между отправителем и получателем. Кроме того, PPP обеспечивает циклический контроль для каждого кадра, динамическое определение адресов, управление каналом. В настоящее время это наиболее широко используемый протокол для последовательного канала, обеспечивающий соединение компьютера с сетью Internet и практически вытеснил протокол SLIP.

Протокол IPv4. В семействе протоколов TCP/IP протоколу IP отведена центральная роль. Его основной задачей является доставка дейтограмм (так называется единица передачи данных в терминологии IP). При этом протокол по определению является ненадежным и не поддерживающим соединения.

Ненадежность протокола IP обусловлена тем, что нет гарантии, что посланная узлом сети дейтаграмма дойдет до места назначения. Сбой, произошедший на любом промежуточном узле сети, может привести к уничтожению дейтаграмм. Предполагается, что необходимая степень надежности должна обеспечиваться протоколами верхних уровней.

IP не ведет никакого учета очередности доставки дейтаграмм: каждая дейтаграмма обрабатывается независимо от остальных. Поэтому очередность доставки может нарушаться. Предполагается, что учетом очередности дейтаграмм должен заниматься протокол верхнего уровня.

Протокол IPv6. Главным отличительным признаком протокола IPv6 является 128-битный адрес, позволяющий увеличить адресное пространство боле чем на 20 порядков. Основная концепция IPv6: каждый отдельный узел должен иметь собственный уникальный идентификатор интерфейса. Кроме того, протокол IPv6 требует соответствие идентификаторов интерфейсов формату IEEE EUI-64, позволяющему применять фиксированные (“зашитые” при изготовлении в специальную память сетевой платы) MAC-адреса сетевых плат. Например, 48-битный МАС-адрес платы Ethernet изначально предназначен для глобальной идентификации. Первые 24 бита этого адреса обозначают производителя платы (в соответствии с кодировкой ICANN) и индивидуальную партию изделия, а остальные 24 бита определяются производителем, с таким расчетом, чтобы каждый номер был уникален в пределах всей его продукции. Таким образом уникальный идентификатор интерфейса IPv6 на основе Ethernet cодержит в младших 64-х разрядах 128-битного адреса MAC-адрес платы Ethernet. Причем дополнение 48-бит адреса MAC-адреса до 64 бит осуществляется добавлением 16 бит (0xFFFF) между двумя его половинами. На первоначальном этапе внедрения IPv6 предполагается совместное использование обеих версий IP-протокола. При этом предполагается использование, так называемых, IPv4-совместимых и IPv4-преобразованных адресов. Другой интересной особенностью IPv6 является возможность автоконфигурации. Большое внимание в новой версии протокола уделяется вопросам безопасности

Протокол ICMP. Спецификация протокола ICMP (Протокол контроля сообщений в Internet) изложена в документе RFC 792. ICMP является неотъемлемой частью TCP/IP и предназначен для транспортировки информации о сетевой деятельности и маршрутизации. IPCM сообщения представляют собой специально отформатированные IP-дейтаграммы, которым соответствуют определенные типы (15 типов) и коды сообщений. Описание типов и кодов IPCM-сообщений содержится в [5]. С помощью протокола ICMP осуществляется деятельность утилит достижимости (ping, traceroute); регулируется частота отправки IP-дейтаграмм, оптимизируется MTU для маршрута передачи IP-дейтаграмм; доставляется хостам, маршрутизаторам и шлюзам всевозможная служебная информация; осуществляется поиск и переадресация маршрутизаторов; оптимизируются маршруты; диагностируются ошибки и оповещаются узлы IP-сети.

Протокол ARP. IP-адреса могут восприниматься только на сетевом уровне и вышестоящих уровнях TCP/IP. На канальном уровне всегда действует другая схема адресации, которая зависит от используемого протокола. Например, в сетях Ethernet используются 48-битные адреса. Для установки соответствия между 32-разрядными IP-адресами и теми или иными MAC-адресами, действующими на канальном уровне, применяется механизм привязки адресов по протоколу ARP, спецификация которого приведена в документе RFC 826. Основной задачей ARP является динамическая (без вмешательства администратора, пользователя, прикладной программы) проекция IP-адресов в соответствующие МАС-адреса аппаратных средств. Эффективность работы ARP обеспечивается тем, что каждый хост кэширует специальную ARP-таблицу. Время существования записи в этой таблице составляет обычно 10- 20 минут с момента ее создания и может быть изменено с помощью параметров реестра [6]. Просмотреть текущее состояние ARP-таблицы можно с помощью команда arp. Кроме того, протокол ARP используется для проверки существования в сети дублированного IP-адреса и разрешения запроса о собственном MAC-адресе хоста во время начальной загрузки.

Протокол RARP. Протокол RARP, как следует из названия (Reverse ARP), по своей функции противоположен протоколу ARP. RARP применятся для получения IP-адреса по MAC-адресу. В настоящее время протокол заменен на протокол Прикладного уровня DHCP, предлагающий более гибкий метод присвоение адресов.

Протокол TCP. Протокол TCP является надежным байт-ориентированным протоколом с установлением соединения. При получении дейтаграммы, в поле Protocol (со структурой IP-дейтаграммы можно ознакомиться в [5,6]) которой указан код 6 (код протокола TCP) IP-протокол извлекает из дейтаграммы данные, предназначенные для Транспортного уровня, и переправляет их модулю протокола TCP. Модуль TCP анализирует служебную информацию заголовка сегмента (структура TCP-сегмента приведена в [5,6]), проверяет целостность (по контрольной сумме) и порядок прихода данных, а также подтверждает их прием отправляющей стороне. По мере получения правильной последовательности неискаженных данных процесса отправителя, используя поле Destination Port Number заголовка сегмента, модуль TCP переправляет эти данные процессу получателя.

Протокол TCP рассматривает данные отправителя как непрерывный не интерпретируемый (не содержащий управляющих для TCP команд) поток октетов. При этом TCP при отправке разделяет (если это необходимо) этот поток на части (TCP-сегменты) и объединяет полученные от протокола IP-дейтаграммы при приеме данных. Немедленную отправку данных может быть затребовано процессом с помощью специальной функции PUCH, иначе TCP сам решает, когда отправлять данные отправителя и когда их передавать получателю.

Модуль TCP обеспечивает защиту от повреждения, потери, дублирования и нарушения очередности получения данных. Для выполнения этих задач все октеты в потоке данных пронумерованы в возрастающем порядке. Заголовок каждого сегмента содержит число октетов и порядковый номер первого октета данных в данном сегменте. Каждый сегмент данных сопровождается контрольной суммой, позволяющей обнаружить повреждение данных. При отправлении некоторого числа последовательных октетов данных, отправитель ожидает подтверждение приема. Если подтверждения не приходит, то предполагается, что группа октетов не дошла по назначению или была повреждена – в этом случае предпринимается повторная попытка переслать данные.

Протокол TCP обеспечивает одновременно нескольких соединений. Поэтому говорят о разделении каналов. Каждый процесс Прикладного уровня идентифицируется номером порта. Заголовок TCP-сегмента содержит номера портов отправителя и получателя

Протокол UDP. Протокол UDP является протоколом без установления соединения. Спецификация протокола описывается в документе RFC 768. Основными свойствами протокола являются:

1) отсутствие механизмов обеспечения надежности: пакеты не упорядочиваются, и их прием не подтверждается;

2) отсутствие гарантий доставки: пакеты оправляются без гарантии доставки, поэтому процесс Прикладного уровня (программа пользователя) должен сам отслеживать и обеспечивать (если это необходимо повторную передачу);

3) отсутствие обработки соединений: каждый оправляемый или получаемый пакет является независимой единицей работы; UDP не имеет методов установления, управления и завершения соединения между отправителем и получателем данных;

4) UDP может по требованию вычислять контрольную сумму для пакета данных, но проверка соответствия контрольной сумы ложится на процесс Прикладного уровня;

5) отсутствие буферизации: UDP оперирует только одним пакетом и вся работа по буферизации ложится на процесс Прикладного уровня;

6) UDP не содержит средств, позволяющих разбивать сообщение на несколько пакетов (фрагментировать) – вся эта работа возложена на процесс Прикладного уровня.

Следует обратить внимания, что протокол UDP характеризуется тем, что он не обеспечивает. Все перечисленные отсутствующие характеристики присутствуют в протоколе TCP. Фактически UDP – это тонкая прослойка интерфейса, обеспечивающая доступ процессов Прикладного уровня непосредственно к протоколу IP.

Основным отличием протоколов UDP и TCP является, то, что UDP – протокол без установления соединения (ориентированным на сообщения), а TCP – протокол на основе соединения (ориентированный на поток).

Понятие сокета. Основные параметры сокета.

Совокупность IP-адреса и номера порта называется сокетом. Сокет однозначно идентифицирует прикладной процесс в сети TCP/IP.

API сокетов – это название программного интерфейса, предназначенного для обмена данными между процессами, находящимися на одном или на разных объединенных сетью компьютерах.

В операционной системе Windows интерфейс сокетов имеет название Windows Sockets API. API сокетов включает в себя функции создания сокета (имеется в виду объект операционной системы, описывающий соединение), установки параметров сокета (сетевой адрес, номер порта и т.д.), функции создания канала и обмена данными между сокетами. Кроме того, есть набор функций позволяющий управлять передачей данных, синхронизировать процессы передачи и приема данных, обрабатывать ошибки и т.п.

Наименование функции	Назначение
accept	Разрешить подключение к сокету
bind	Связать сокет с параметрами
closesocket	Закрыть существующий сокет
connect	Установить соединение с сокетом
gethostbyaddr	Получить имя хоста по его адресу
gethostbyname	Получить адрес хоста по его имени
gethostname	Получить имя хоста
getsockopt	Получить текущие опции сокета
inet_addr	Преобразовать символьное представление IPv4-адреса в формат TCP/IP
inet_ntoa	Преобразовать сетевое представление IPv4-адреса в символьный формат
ioctlsocket	Установить режим ввода-вывода сокета
listen	Переключить сокет в режим прослушивания
recv	Принять данные по установленному каналу
recvfrom	Принять сообщение
send	Отправить данные по установленному каналу
sendto	Отправить сообщение
setsockopt	Установит опции сокета
socket	Создать сокет
WSACleanup	Завершить использование библиотеки WS2_32.DLL
WSAGetLastError	Получить диагностирующий код ошибки
WSAStartup	Инициализировать библиотеку WS2_32.DLL

Все функции интерфейса Winsock2 могут завершаться успешно или с ошибкой. При описании каждой функции будет указано, каким образом можно проверить успешность ее завершения. В том случае, если функция завершает свою работу с ошибкой, формируется дополнительный диагностирующий код, позволяющий уточнить причину ошибки.

Диагностирующий код может быть получен с помощью функции WSAGetLastError. Функция WSAGetLastError вызывается, непосредственно сразу после функции Winsock2, завершившейся с ошибкой

Структура SOCKADDR_IN содержит три значения (параметры сокета):

· тип используемого адреса (константа AF_INET используется для обозначения семейства IP-адресов);

· номер порта (устанавливается значение 2000 с помощью функции htons)

· адрес интерфейса.

Последний параметр определяет собственный IP-адрес сервера. При этом предполагается, что хост, в общем случае, может иметь несколько IP-интерфейсов. Если требуется использовать определенный IP-интерфейс хоста, то необходимо его здесь указать. Если выбор IP-адреса не является важным или IP-интерфейс один на хосте, то следует указать значение INADDR_ANY (как это сделано в примере).

struct sockaddr_in {

short sin_family; //тип сетевого адреса

u_short sin_port; // номер порта

struct in_addr sin_addr; // IP-адрес

char sin_zero[8]; // резерв

};