MODELUL TCP/IP

MODELUL TCP/IP

Reţelele locale de calculatoare LAN, sunt entităţi independente, concepute să servească necesităţile unui grup de utilizatori, care aleg tehnologia hardware cea mai potrivită pentru rezolvarea problemelor de comunicaţie. Realizarea unor reţele de calculatoare pe arie mai mare, MAN, WAN, sau mondială, se face prin interconectarea acestor rețele locale, folosind liniile de comunicație ale operatorilor de comunicații.

La începutul anilor 1980, s-a realizat o tehnologie care dă posibilitatea interconectării reţelelor locale realizate cu tehnologii și topologii diferite, echipamente hardware produse de companii diferite, sisteme de operare diferite și chiar software de reţea diferit. Această tehnologie a fost numită interconectare (inter - networking), numită generic internet. Interconectarea reţelelor LAN, pentru a realiza reţele de arie metropolitană, regională sau chiar mondială, denumite inter-reţele este posibilă dacă se ascund detaliile hardware ale reţelelor interconectate.

Tehnologia internet constituie un exemplu de interconectare în sistem deschis. Spre deosebire de sistemele de comunicaţie pentru reţelele locale de calculatoare brevetate, realizate de diferite companii, aceasta are caracteristicile unui sistem deschis, deoarece sunt disponibile public și mai important oricine poate concepe programe necesare comunicaţiei. Mai important este că această tehnologie a fost concepută pentru a asigura comunicaţia între calculatoare cu diverse arhitecturi hardware, pe care rulează diverse sisteme de operare și se utilizează dispozitive de comutaţie de la diverși producători.

Principiile care stau la baza tehnologiei internet au rezultat din cercetările Agenţiei pentru Proiecte de Cercetare Avansate - Advanced Research Projects Agency (ARPA). Această tehnologie include un set de standarde ce precizează detaliile privind modul în care calculatoarele din reţelele locale comunică între ele când sunt conectate prin intermediul diversilor operatori de telecomunicaţii, precum şi un set de convenţii pentru interconectarea reţelelor şi dirijarea traficului. A fost numită suita de protocoale Internet, sau modelul TCP/IP (TCP/IP Internet Protocol Suite) - după numele celor două principale standarde ale sale. Această tehnologie permite comunicaţia calculatoarelor aflate în reţele locale LAN diferite, dacă ele sunt interconectate. Există situaţii în care unele companii utilizează TCP/IP pentru a interconecta toate reţelele companiei, chiar dacă nici una din ele nu are conexiune cu o reţea exterioară. Foarte des se utilizează modelul TCP/IP pentru a realiza comunicaţia utilizatorilor individuali, care au o conexiune la un furnizor de servicii de Internet, un ISP.

Tehnologia TCP/IP permite realizarea reţelei mondiale de calculatoare prin interconectarea reţelelor locale, folosind liniile puse la dispoziție de operatorii de comunicaţii. Internetul este o reţea publică de calculatoare, care interconectează universităţi, companii şi firme comerciale, instituţii guvernamentale şi calculatoare personale etc.Pentru un utilizator, reţeaua Internet este o reţea virtuală, ce interconectează calculatoarele şi prin care este posibilă comunicaţia. Structura reţelelor care se interconectează este mascată, deoarece Internetul abstractizează reţelele fizice asigurând doar funcţiile unei reţele fizice, adică: primeşte date şi transmite date. Nivelurile superioare ale Internet, prin serviciile pe care le pune la dispoziţia utilizatorilor, sunt cele care asigură funcţionalitatea reţelei. Structura unei inter-reţele se realizează prin interconectarea mai multor reţele locale de calculatoare, folosind echipamente de reţea numite rutere. Se poate spune că ruterul este pentru o reţea LAN, ceea ce placa de reţea este pentru un calculator, şi anume componenta de interconectare.

Modelul arhitectural TCP/IP este organizat pe niveluri ierarhice. Modelul de comunicaţie asigură comunicaţii între calculatoare aflate în reţele LAN diferite, interconectate prin canale de comunicaţie puse la dispoziţie de operatori de telecomunicaţii diferiți. Internetul a fost creat prin interconectarea mai multor reţele locale, care au devenit o reţea naţională pentru SUA şi apoi mondială. Implementarea acestui standard de comunicaţie într-un calculator se face prin software. Fiind un standard pentru reţelele publice, acest software este gratuit, iar producătorii de sisteme de operare, livrează acest pachet de comunicaţie împreună cu sistemul lor de operare (Windows, Unix sau Linux). Modelul TCP/IP utilizat pentru interconectarea reţelelor locale se bazează pe protocoalele de comunicaţie, de la care provine şi numele:

· TCP (Transmission Control Protocol);

· IP (Internet Protocol).

La realizarea primei interconectări de reţele LAN s-au interconectat reţele realizate cu tehnologii diferite, iar transmisia datelor s-a făcut prin liniile telefonice. Arhitectura reţelei permitea rularea unor aplicaţii ca: transferul fişierelor, transmiterea datelor în timp real cum ar fi videoconferinţele sau mesaje de poștă electronică. Pentru a fi cât mai simplă, s-a realizat o arhitectură de reţea care are doar patru niveluri, spre deosebire de modelul OSI, care are şapte niveluri.

Nivelurile modelului TCP/IP sunt:

1. nivelul de acces la reţea. Pentru acest nivel nu există niciun standard sau specificaţie. Nivelul are rolul de a trimite prin intermediul reţelei locale pachete IP, fără a se preciza care protocol de comunicaţie este folosit. Protocolul poate să difere de la o reţea locală la alta;

2. nivelul internet este nivelul esenţial al arhitecturii de comunicaţie. Acest nivel are rolul de a permite calculatoarelor gazdă (host) să formeze şi să transmită pachetele de date şi să asigure transferul lor fără erori de la calculatorul sursă, la calculatorul destinaţie. Protocolul IP utilizat pentru a realiza această funcţie, standardizează o structură de informație, numită pachet de date. Protocolul de comunicaţie în reţea specifică şi modul în care pachetele de date sunt dirijate prin reţeaua de comunicaţie, de la calculatorul transmiţător la cel receptor. Transmisia trebuie realizată astfel încât pachetele să ajungă la destinaţie, utilizând canale de comunicaţie care să evite erorile;

3. nivelul transport este proiectat astfel încât să permită dialogul între calculatoarele sursă şi destinaţie, motiv pentru care se numește end-to-end. Protocolul de control al transmisiei – TCP, permite unui flux de octeţi emis de un calculator să fie recepţionat fără erori de oricare alt calculator din reţea. TCP realizează controlul fluxului de date pentru a evita situaţia în care un transmiţător rapid inundă un receptor lent, cu mai multe mesaje decât poate acesta să le prelucreze. TCP este un protocol orientat pe conexiune. Protocolul UDP (User Datagram Protocol) este un protocol nesigur, fără conexiuni, destinat aplicaţiilor ce folosesc propria secvenţiere şi controlul fluxului. Este un protocol folosit în aplicaţii pentru care comunicarea rapidă este mai importantă, decât acurateţea transmisiei, aşa cum sunt aplicaţiile de transmitere a sunetului şi imaginilor video;

4. nivelul aplicaţie conţine protocoalele de nivel înalt, cum ar fi terminalul virtual TELNET, transferul de fisiere FTP, protocoalele SMTP si POP3 pentru poşta electronică sau protocolul HTTP pentru transferul paginilor web, etc. Protocolul TELNET permite utilizatorului să se conecteze la un calculator aflat la distanţă şi să lucreze ca şi cum s-ar afla lângă acesta. Pe măsură ce reţeaua WAN formată din interconectarea mai multor reţele locale LAN s-a extins, s-au adăugat noi protocoale ca: DNS, care să asigure corespondenţa, dintre numele calculatoarelor şi adresele lor IP.

Stiva de protocoale a modelului TCP/IP este standardizată, prin RFC-uri (Request For Comments). Modelul este în continuă dezvoltare. De-a lungul anilor s-au adus multe îmbunătăţiri, mai ales la nivelul de acces la reţea datorită evoluţiei tehnologiilor de realizare a conectării calculatoarelor sau a reţelelor locale LAN la Internet, dar structura de bază nu s-a modificat semnificativ. În figură este prezentat modelul TCP/IP, ca o arhitectură stratificată de comunicaţie.

O comparaţie între nivelurile modelului OSI și ale modelului TCP/IP, este prezentată în figura. Se observă că modelul TCP/IP este o arhitectură stratificată de comunicaţie pe 4 niveluri, spre deosebire de modelul OSI compus din 7 niveluri. La modelul TCP/IP, funcţiile de comunicaţie ale nivelurilor sesiune şi prezentare au fost incluse în nivelul aplicaţie, iar nivelul fizic și legătură de date au fost incluse în nivelul acces la rețea.

Diferenţe rezultă și din modul în care sunt alese soluţiile privind asigurarea fiabilităţii şi amplasarea “inteligenţei” în sistem. Acestea sunt:

· fiabilitatea la nivelul legăturii de date. Cele două arhitecturi de reţea tratează diferit problema fiabilităţii.

· La modelul OSI, protocoalele detectează şi soluţionează erorile la nivelul legăturii de date. Deci, în reţelele realizate folosind protocoalele specificate de modelul OSI, fiabilitatea este asigurată la nivelul legăturii de date. Protocoalele pentru a asigura transferul corect al cadrelor între calculatorul transmiţător şi comutatorul de pachete la care este conectat, sunt complexe, deoarece suma de control CRC însoţeste fiecare cadru transferat, iar receptorul confirmă fiecare cadru recepţionat corect folosind algoritmi cu pauză de aşteptare şi de retransmisie, care să prevină pierderea datelor şi să permită recuperarea acestora dacă se produce o întrerupere a funcţionării echipamentelor hardware. Şi la nivelul reţea se efectuează detecţia erorilor şi recuperarea pachetelor transferate în reţea, utilizând o sumă de control şi tehnici de pauză de aşteptare şi de retransmisie. În fine, nivelul transport oferă fiabilitate între utilizatorii finali prin faptul că obligă sursa să comunice cu destinaţia finală pentru a verifica livrarea corectă a pachetelor.

· Modelul arhitectural al TCP/IP a fost proiectat astfel încât fiabilitatea să fie realizată doar la calculatorul receptor. Altfel spus, reţelele WAN se construiesc pornind de la premisa că echipamentele de comutaţie, adică routerul, poate să piardă sau să altereze datele fără să încerce să le recupereze. Această implementare a modului de realizare a fiabilităţii transmisiei de date prin reţeaua de comunicaţie, simplifică mult programele de comunicaţie de la nivelul legăturii de date. Programele software de la nivelul legăturii de date, asigură doar o fiabilitate redusă. În modelul TCP/IP, fiabilitatea este realizată la nivelul transport al stivei de protocoale, unde se realizează detectarea şi corectarea erorilor de transmisie. Eliberarea interfeţei nivelului reţea de sarcina verificării corectitudinii transmiterii datelor, conduce la o implementare mult mai usoară a softului TCP/IP. Routerele intermediare pot elimina pachele care au fost afectate de erorile de transmisie, cele pe care nu le pot livra sau cele care sosesc cu o frecvenţă mai mare decât capacitatea lor de prelucrare. De asemenea, ele pot redirecţiona pachetele pe trasee cu întârzieri mai mari sau mai mici, fără a fi obligate să informeze sursa sau destinaţia.

· O altă diferenţă între modelul TCP/IP şi modelul OSI provine din alegerea locului în care se realizează conducerea proceselor de comunicaţie.

· Reţelele implementate după modelul OSI sunt realizate după principiul că o reţea de calculatoare este un mijloc care oferă servicii de transport de informaţii. Furnizorul de servicii controlează accesul în reţea şi monitorizează traficul, îl înregistrează, în vederea contorizării şi taxării utilizatorilor. Producătorii de echipamente pentru comunicaţie sunt cei care rezolvă probleme precum: dirijarea traficului, controlul fluxului şi confirmarea primirii corecte a datelor. Acest punct de vedere preia multe din responsabilităţile calculatoarelor. În concluzie, o reţea de calculatoare poate folosi calculatoare simple, întrucât calculatoarele participă în foarte mică măsură la funcţionarea reţelei.

· Reţelele implementate după modelul TCP/IP sunt concepute după principiul că oricare calculator trebuie să participe la realizarea tuturor funcţiilor de comunicaţie în reţea, deci trebuie să conţină toate protocoalele de reţea. Toate calculatoarele din reţea au implementată funcţia de detectare şi corectare a erorilor. Comparativ cu modelul OSI, o reţea realizată după modelul TCP/IP este un sistem de comunicaţie realizat cu echipamente de comunicaţie simple, ruterul, dar care au calculatoare mai performante pentru comunicaţie care sunt denumite şi host (gazdă), pentru că au implementată toată stiva de protocoale. Ruterele au implementate doar protocoalele de la nivelul internet şi nivelul de acces în reţea. În figura se ilustrează circulaţia informaţiei în cazul existenţei unor rutere intermediare care interconectează cele două calculatoare care comunică între ele.

Se observă motivul pentru care numai protocoalele de la nivelurile de transport şi aplicaţie sunt considerate furnizoare de servicii între utilizatorii finali (end-to-end service). Fiind o arhitectură de comunicaţie, modelul TCP/IP utilizează pentru realizarea comunicaţiei informaţii de control: informaţii pentru sincronizarea calculatorului transmiţător cu cel receptor, informaţii pentru controlul fluxului de date prin care se asigură că datele trimise în reţea de calculatorul transmiţător sunt primite de calculatorul receptor şi informaţii pentru detecţia şi corecţia erorilor. Aceste informaţii sunt atasate fiecărui mesaj trimis prin reţea de calculatorul transmiţător, sub forma unui header şi trailer.

Procesul de ataşare a unui header şi trailer se numeste încapsulare. Calcualtorul receptor înlătură headerul şi trailerul, deci face decapsularea.

În figură se prezintă modul cum se realizează încapsularea datelor în modelul TCP/IP. Se observă că datele primite de nivelul aplicaţie sunt încapsulate prin adăugarea la fiecare nivel a informaţiei de control, numită header, pentru a realiza o comunicaţia dintre calculatorul transmiţător şi calculatorul receptor. Calculatoarele aparţin unor reţele LAN diferite şi sunt interconectate printr-un canal de comunicaţie oferit de un operator de telecomunicaţii.

Modelul TCP/IP, sau suita de protocoale Internet, este o arhitectură de comunicaţie formată din patru niveluri. Modelului a fost proiectat ca o arhitectură de comunicaţie deschisă, adică comunicaţia este împărţită în mai multe funcţii, fiecare funcţie fiind specificată de nivelul corespunzător al modelului TCP/IP. Realizarea modulară a comunicaţiei a permis adăugarea unor aplicaţii noi, de exemplu serviciul de pagini web pentru care s-a realizat protocolul HTTP, fără a modifica protocoalele din stiva de protocoale TCP/IP, implementată în anii când s-au interconectat primele reţele LAN. Utilizarea Internetului pentru comunicaţii multimedia a necesitat adăugarea unor noi protocoale la nivelurile transport şi reţea ale modelului arhitectural TCP/IP.

Toate specificaţiile sunt publicate de comunitatea Internet, prin RFC (Request For Comments). Acestea sunt standarde obligatorii, atât pentru creatorii de software de aplicaţie sau comunicaţie, cât şi pentru producătorii de echipamente de comunicaţie.

În modelul TCP/IP fiecare nivel specifică anumite funcţii de comunicaţie care trebuie realizate pentru a stabili o comunicaţie între două calculatoare aflate în reţele locale diferite. Fiecare funcţie de comunicaţie din reţea este realizată prin unul sau mai multe protocoale de comunicaţie. În figura se prezintă protocoalele modelului TCP/IP.

Se observă că modelul TCP/IP nu specifică niciun protocol pentru nivelurile OSI: fizic şi legătura de date, lăsând alegerea acestora la latitudinea celor care construiesc reţelele locale. Din analiza modelului IEEE 802, s-a constatat că există o mulţime de standarde pentru realizarea reţelelor LAN, ele fiind valabile şi pentru nivelul de acces la reţea. Modelul TCP/IP specifică doar protocoalele care trebuie utilizate pentru realizarea reţelelor WAN. În continuare, se vor analiza principalele protocoale ale modelul TCP/IP.

1. Nivelul de acces la reţea

Modelul TCP/IP nu specifică funcţiile acestui nivel, singura menţiune este aceea că pentru a putea transmite date într-o reţea WAN, un calculator trebuie să aibă o conexiune la Internet folosind un protocol. Acest protocol nu este definit, şi poate fi diferit de la calculator la altul şi de la reţea la alta. Nivelul de acces la reţea face ca funcţionarea nivelului superior, numit Internet, să nu depindă de reţeaua fizică utilizată în comunicaţie şi nici de tipul legăturii de date.

Trebuie facută distincţia dintre nivelul Internet care este similar nivelului reţea din modelul OSI şi Internet, care este o reţea mondială de calculatoare individuale şi rutere interconectate printr-o infrastructură de comunicaţie furnizată de operatorii de telecomunicaţii. Comunicaţia dintre două calculatoare este punct la punct, realizată prin linii închiriate sau comutate de la companiile de telecomunicaţii. Internetul, ca reţea mondială, este construit din aceste rutere şi liniile lor închiriate sau comutate, care din punct de vedere al realizării comunicaţiei, calculatoarele sau reţelele LAN sunt considerate subreţele de comunicaţie. În practică, conectarea la Internet se poate realiza:

· Instituţii care au una sau mai multe reţele locale LAN, fiecare cu un anumit număr de calculatoare gazdă şi un ruter, conectate la un provider de Internet ISP;

· utilizatori individuali care se conectează la Internet, folosind modemul şi linia telefonică comutată sau închiriată.

Indiferent de modul de conectare la Internet, este necesar un protocol de legătură de date pentru autentificare, controlul erorilor şi alte funcţii. La nivelul de acces la reţea, s-au creat numeroase protocoale, în funcţie de modalitatea de conectare la Internet: linii telefonice puse la dispoziţie de companiile de telecomunicaţii, cablu coaxial sau fibră optică oferite de operatorii de servicii CATV, sau canale radio oferite de operatorii de telefonie mobilă sau de companiile de radiocomunicaţii. Tehnologiile de conectare la Internet au fost impulsionate de evoluţia extrem de rapidă a tehnologiilor de comunicaţie care asigură legături cu viteze din ce în ce mai mari. Astfel, s-a ajuns ca de la utilizarea modemurilor pe liniile telefonice închiriate, care lucrau la viteze de 33,6 Kbps, să se realizeze conexiuni la Internet prin fibră optică, cu rate de transfer de 2,048 Mbps. Din acest motiv, arhitectura de comunicaţie oferită de modelul TCP/IP nu specifică ce ar trebui să se întâmple la acest nivel, singura menţiune este aceea că, pentru a putea transmite date, un calculator trebuie să se conecteze la reţea folosind un anumit protocol. Protocoalele de la acest nivel gestionează conexiunea la Internet, începând cu sistemele de autentificare la server şi terminând cu modurile de transmisie a pachetelor de date.

Protocolul PPP

Protocolul PPP este cel mai utilizat protocol pentru conectarea calculatorului la Internet, prin modem şi linie telefonică. Este un protocol punct la punct şi reprezintă un standard pentru Internet. Protocolul asigură comunicaţia dintre două calculatoare care folosesc un modem şi o linie telefonică, la un server situat la un furnizor de servicii Internet ISP. Protocolul PPP efectuează detecţia erorilor şi permite adreselor IP să fie negociate în momentul conectării. De asemenea, permite autentificarea calculatorului care se conectează la serverul furnizorului de servicii Internet. În cazul utilizării acestui tip de legătură, acordarea unei adrese IP se realizează automat în momentul stabilirii legăturii la Internet. Pentru a realiza conexiunea, calculatorul apelează serverul ISP-ului prin intermediul propriului modem. După ce modemul de la ISP a răspuns apelului telefonic, se stabileste o conexiune fizică între PC şi server, prin intermediul celor două modemuri şi a liniei telefonice.

Serverul furnizorului de servicii Internet este un calculator pe care s-a instalat un sistem de operare specializat pentru realizarea mai multor legături prin modem şi linie telefonică, astfel încât calculatorul care se conectează la acest server funcţionează ca şi cum ar fi conectat în reţeaua locală a furnizorului de servicii de Internet. Acest server se numeşte RAS (remote acces server). Conexiunea realizată între calculator şi serverul RAS este o legătura punct la punct şi funcţionează la nivelurile fizic şi legătură de date ale modelului OSI. În figura se prezintă modul de conectare la Internet a unui calculator care foloseste un modem şi o linie telefonică.

După stabilirea legăturii dintre cele două calculatoare, calculatorul PC trimite server-ului o serie de pachete LCP (Link Control Protocol), pentru a testa legătura, a negocia opţiunile de comunicaţie şi pentru a elibera linia atunci când nu mai este nevoie de ea. După ce s-au stabilit, de comun acord, parametrii de comunicaţie dintre PC şi severul ISP, sunt trimise mai multe pachete NCP (Network Control Protocol) pentru a negocia parametrii de comunicaţie ai nivelului reţea, care sunt stabiliţi în mod independent de protocolul folosit pentru nivelul de acces la reţea. Severul ISP utilizează suita de protocoale TCP/IP pentru comunicaţia cu serverele de postă electronică, pagini web etc. Din acest motiv PC-ul are nevoie de o adresă IP. Furnizorul ISP atribuie dinamic o adresă IP PC-ului, din cele care sunt la dispoziţia sa, cu

ajutorul NCP-ului. Din acest moment, calculatorul PC este un calculator gazdă în Internet şi poate trimite sau primi pachete IP. Acum este foarte clar de ce nivelul de acces la reţea nu specifică ceea ce trebuie să se întâmple la acest nivel, singura menţiune fiind aceea că, pentru a putea transmite date, un calculator trebuie să se conecteze la reţea folosind un anumit protocol. Acest nivel din arhitectura de comunicaţie a modelului TCP/IP nu depinde de protocoalele utilizate de stiva de protocoale TCP/IP, el depinzând mai mult de driverele plăcilor de reţea. Comunicaţia punct la punct este utilizată şi pentru a realiza conectarea la Internet a unor instituţii care au una sau mai multe reţele LAN. În acest caz, pentru a realiza o conexiune la Internet, se foloseste un ruter, care este echipamentul specializat pentru interconectarea reţelelor locale LAN şi linii închiriate de la diferiţii operatori de telecomunicaţii.

2. Nivelul internet

Nivelul Internet (Internet Layer) al modelului TCP/IP corespunde nivelului rețea din modelul OSI. Nivelul rețea (Network Layer), care se mai numeste si nivelul subrețelei de comunicație, controlează operațiile din subretea prin crearea, mentinerea si apoi întreruperea unei conexiuni virtuale a nivelurilor transport al calculatoarelor aflate în comunicatie. Nivelul retea, în cazul comunicatiei dintre două calculatoare care apartin unei retele WAN, are rolul de a proteja nivelurile superioare de arhitectura fizică a retelelor LAN, deoarece se interconectează retele de calculatoare care au fost realizate de diferite firme care au dezvoltat propriile tipuri de retele, bazate pe propriile standarde, ca urmare a unor studii si cercetări în laboratoarele proprii. Pentru comunicatia a două calculatoare din retele LAN diferite, cum este cea realizată prin modelul TCP/IP, este important ca nivelurile superioare să nu fie dependente de retelele LAN. Principalele functii de retea ale acestui nivel sunt:

· determinarea caracteristicilor interfetei dintre calculator si canalul de comunicatie, repartizând între acestea sarcinile privitoare la asigurarea transmisiei corecte la destinatie a tuturor pachetelor de date;

· stabilirea adreselor logice ale calculatoarelor utilizatorilor finali si efectuarea conversiilor între aceste adrese si adresele fizice ale respectivelor calculatoare;

· alegerea traseului (path) sau căii (route), adică a succesiunii de tronsoane de canale fizice de la calculatorul transmitător la cel receptor, pe care este transportat fiecare pachet. Acest proces se numeste rutare;

· Rezolvarea strangulărilor (bottleneck) provocate de prezenta simultană a prea multe pachete în subretea, fie prin realegerea adaptivă a traseelor, fie cerând nivelului transport să oprească temporar emisia mesajelor.

Nivelul retea are sarcina de-a alegerea traseele pentru mesajele dintre utilizatorii finali si modificarea acestora, pentru a asigura transmiterea lor pe un traseu optim. Procesul se numeste rutare.

La acest nivel, se realizează adresarea IP si se face conversia dintre diferite protocoale, în situatia in care mesajele parcurg retele eterogene, adică realizate cu tehnologii diferite (Ethernet, FDDI, Token Ring, etc). Se poate spune figurativ că nivelul retea trebuie să cunoască mai multe "limbi străine", specifice fiecărui tip de retea.

Principalalul protocol al nivelului retea este protocolul IP. Acesta este un protocol fără

conexiune, care asigură o transmisie nefiabilă a pachetelor de date. Un astfel de protocol este caracterizat prin faptul că fiecare pachet este considerat o entitate independentă, care nu are legătură cu celelalte pachete transmise. Asamblarea pachetelor de date, ca si fragmentarea lor, se realizează la nivelul superioar. La acest nivel din arhitectura

TCP/IP este necesar să se efectueze o identificare, printr-o adresă de retea unică, a echipamentelor de reŃea prin care se realizează comunicatia.

Adresa unică, atribuită fiecărui echipament de comunicatie dintr-o retea realizată dupa modelul TCP/IP, se numeste adresă IP. Procesul prin care se face alocarea adresei IP unui echipament din retea se numeste adresare. Fiecare pachet de date, care la acest nivel se numeste datagrama, contine atât adresa IP a calculatorului sursă, cât si adresa IP a calculatorului destinatie, astfel încât poate fi transmisă si rutată independent de celelalte.

Protocolul IP este nefiabil, pentru că nu garantează că datagramele vor ajunge la destinatie si nici că transmisia lor pe canalul de comunicatie va fi fără erori. Totusi, pachetul IP contine o sumă de control a antetului datagramelor transmise. Dacă antetul unei datagrame IP nu este corespunzător, întregul pachet este anulat si nu mai este transmis nivelului superior, nivel care verifică toate datele continute de datagramă. Protocolul IP este responsabil cu rutarea pachetelor în Internet si cu o posibilă fragmentare a datelor. Fragmentarea unui pachet este făcută de un gateway atunci când pachetul este prea mare pentru a parcurge reteaua prin care se va transmite, aceasta fiind o retea de alt tip (Ethernet, Token ring, FDDI, etc.). În acest caz, fragmentele rezultate sunt transmise în continuare ca pachete IP independente si sunt reasamblate la destinatie, reconstituind astfel datagrama initială. Dacă unul dintre fragmente este eronat sau pierdut, se anulează întreaga datagramă.

Deoarece protocolul IP nu garantează livrarea pachetelor, semnalizarea pierderii sau receptiei eronate a acestora, arhitectura de comunicatie TCP/IP generează anumite mesaje de eroare care sunt împachetate si transportate de protocolul ICMP (Internet Control Message Protocol). Initial, ICMP a fost proiectat să permită dispozitivelor gateway (ruterelor) raportarea cauzei care a generat erori de transport, de către nivelul retea al calculatorului transmitător, care trebuia să decidă cum să raspundă acestor erori. Protocolul ICMP a fost completat, astfel incât orice echipament de retea poate folosi ICMP pentru a transmite mesaje de eroare, control sau informare în retea. Se poate spune că protocolul ICMP furnizează doar servicii de semnalizare a erorilor calculatorului sursă. Deoarece nici un comutator de pachete nu este informat de erorile care s-au depistat, calculatorul transmitător nu poate corecta aceste erori care apar în procesul de rutare. Această limitare îsi are originea în modalitatea în care se face rutarea. Retelele realizate cu protocoalele modelului de comunicatie TCP/IP folosesc tabele de rutare care se configurează dinamic. Din acest motiv, nici un ruter nu va cunoaste întreaga "hartă de routare" a retelei. Această implementare a tabelei de rutare s-a realizat în acest mod pentru a simplifica software-ul instalat pe ruter. Astfel, calculatorul receptor nu va cunoaste niciodată ce cale a parcurs datagrama respectivă pentru a ajunge la destinatie. Deoarece ICMP foloseste pentru livrarea mesajelor de eroare tot pachete IP, rezultă că si aceste pachete se pot pierde sau se pot transmite eronat. Protocolul ICMP mai permite transmiterea mesajelor de interogare prin care se raportează informatii legate de retea sau de un anume ruter din retea. Astfel de mesaje sunt utilizate în scopul depanării retelei.

La nivelul Internet se foloseste si protocolul IGMP (Internet Group Management Protocol), utilizat pentru gestiunea grupurilor din Internet, adică permite transmiterea de mesaje către mai multe calculatoare din retea. Si acest protocol se bazează tot pe pachetele IP pentru a transmite mesaje.

Protocolul IP

Protocolul IP (Internet Protocol) este principalul protocol al nivelului Internet din stiva de protocoale TCP/IP. Acest protocol realizează functiile de comunicatie în retea. Calculatorul transmitător preia datele de pe nivelul transport, le adaugă informatia de control sub forma unui antet (header) si apoi le transmite spre nivelul de acces la retea. Procesul prin care datele sunt incluse într-un format necesar protocolului imediat inferior se numeste încapsulare. Unitatea de date astfel obtinută se numeste datagramă. La calculatorul receptor, protocolul IP preia datagramele de nivelul de acces la retea, îndepărtează antetul si transmite pachetul de date nivelului transport. Functiile de baza ale protocolului IP sunt:

1. procesul de încapsulare/decapsulare;

2. specificarea adreselor IP, sau adresarea IP;

3. transmiterea datagramelor prin retea spre destinatie, sau rutarea.

1. Procesul de încapsulare/decapsulare

Protocolul IP foloseste datagrama IP ca unitate de date a comunicaŃiei într-o reŃea WAN,

realizată după modelul TCP/IP. O datagramă se obŃine prin procesul de încapsulare.

Datagrama este un pachet de date format dintr-un header, urmat de datele primite de la

nivelul transport. În Figura 64 se prezintă structura unei datagrame.

Structura unei datagrame

Semnificatia fiecărui câmp de informatie de control din header este:

· adresele IP sursă si destinatie reprezentate pe 32 de biti sunt cele mai importante date din antet si sunt utilizate pentru ca pachetul să ajungă la destinatie;

· suma de control a antetului reprezentată pe 16 biti este calculată numai pentru câmpurile antetului IP si nu depinde de datele din pachet. Suma de control pentru datele încapsulate este calculată de protocoalele de nivel superior care au creat datele respective. În cazul unei datagrame eronate, protocolul IP nu obligă calculatorul receptor să trimită calculatorului transmitător un mesaj de eroare;

· protocol este un câmp de date pe 8 biti, prin care se specifică ce protocol de nivel superior a creat datele încapsulate în datagramă: TCP, UDP, ICMP, IGMP;

· timpul de viata este un câmp cu informatii de control pe 8 biti, care arată cât timp poate "trăi" o datagramă. A fost introdus pentru a impiedica datagramele să "rătăcească" prin Internet. La primirea datagramei, fiecare ruter dintre calculatorul sursă si calculatorul destinatie decrementează acest câmp cu o unitate. Atunci când o datagramă care are TTL=0 este distrusă, sursa este anuntată printr-un mesaj generat de protocolul ICMP (Internet Control Message Protocol);

· fragmentul offset are lungimea de 13 biti si indică pozitia relativă a datelor continute în acest fragment, în raport cu primul fragment emis;

· flag este un câmp de informaŃie de control format din 3 biti, care contine 2 indicatori: DF care, pozitionat pe "1", interzice fragmentarea si MF care, pozitionat pe "0", indică faptul că fragmentul curent este ultimul;

· identificarea este un câmp reprezentat pe 16 biti, care, împreună cu câmpurile de adrese si protocol, permite identificarea diferitelor fragmente pe parcursul reasamblării de către hostul receptor;

· lungimea pachetului este un câmp reprezentat pe 16 biti, care specifică lungimea totală a pachetului IP în octeti, incluzând si antetul. Având 16 biti, putem spune că dimensiunea teoretică maximă a unei datagrame este de 65.535 octeti. La stabilirea valorii pentru dimensiunea datagramelor s-a tinut cont de nivelul legătură de date al retelei, nivel care încapsulează diferit datagramele pentru tipuri diferite de retele. Fiecare tip de retea defineste o valoare pentru dimensiunea maximă a unui pachet. Aceasta valoare se numeste unitate maximă de transfer a retelei (MTU – Maximum Transfer Unit). Astfel, retelele Ethernet au un MTU de 1500 octeti, Token Ring au unitatea maximă de transfer a retelei de 4464 octeti. Alte tipuri de retea pot avea valori mult mai mici ale unitătii maxime de transfer a retelei, chiar până la 128 octeti. Dacă o aplicatie încearcă să transporte un pachet IP mai mare decât MTU, se produce fragmentarea datelor, la destinatie urmând să se producă reasamblarea pachetelor de date;

· tipul serviciului (TOS - Type Of Service) este un câmp reprezentat pe 8 biti, împărtit la rândul său în 6 subcâmpuri care permit programatorului să stabilească prioritătile pentru pachetul IP. Echipamentul de retea, citind valoarea acestui câmp, poate lua decizii corecte pentru gestiunea datelor. După cum se stie, în Internet, circulă nu numai pachete de date, ci si pachete de control (informatii de routare, pachete SNMP, etc). Utilizând acest câmp se pot acorda priorităti diferite pachetelor de control fată de cele de date;

· lungime antet (Internet Header Length) este un câmp cu informatii de control pe 4 biti. Când a fost concepută structura unei datagrame, s-a stabilit ca antetul datagramei să fie multiplu de 32 biti. Un antet are în mod normal 20 de octeti, adică 5 blocuri de cîte 4 octeti. Ca urmare, acest câmp va contine, de cele mai multe ori, valoarea 5. Mai exact, valoarea acestui câmp este numărul binar 0101. Datele încapsulate în datagramă urmează imediat după antet. Examinând câmpul Lungime Antet se poate determina pozitia la care încep datele continute de datagramă;

· versiunea este un câmp pe 4 biti, prin care se identifică versiunea protocolului IP utilizat. Versiunea actuală este versiunea 4, notată cu IPv4.

Adresarea IP

Pentru orice comunicare în retea trebuie să existe un mecanism de adresare, care să permită recunoasterea unică a calculatoarelor conectate. La conceperea protocolului IP sa impus utilizarea unui mecanism de adresare care să identifice unic fiecare dispozitiv gazdă din retea. O adresă IP este un număr binar pe 32 de biti, reprezentat prin 4 numere zecimale separate prin puncte, fiecare număr fiind reprezentat prin 8 biti. Un exemplu de adresă IP este: 193.226.128.65. Această notatie este cunoscută sub numele "dotted decimal". Adresa IP reprezentată în zecimal prin: 193.226.128.65, în calculator este reprezentată în forma binară: 1100 0001 1110 0010 1000 0000 0100 0001. Orice adresă IP este formată din două părti, una care identifică reteaua (Network ID) si una care identifică nodul (Host ID). Desi această exprimare facilitează semnificativ lucrul cu adresele IP, există unele limitări legate de usurinta de a discerne între portiunea de retea si cea de statie din cadrul adresei IP. Încercarea de a păstra reprezentarea zecimală ca model de referintă pentru adresa IP si de a permite să se facă usor distinctia între cele două componente ale adresei IP, a condus la definirea claselor de adrese IP. Pentru a întelege cum poate fi identificat un calculator în functie de identificatorul retelei – Network ID si identificatorul hostului Host ID, în figura sunt prezentate două retele locale LAN, de tip stea, care sunt interconectate printr-un ruter. Se observă că toate calculatoarele care apartin unui LAN au acelasi Network ID: 192.158.18 pentru o retea LAN, si respectiv 192.168.5 pentru cealaltă retea LAN. Adresele pentru host-uri sunt diferite, fiecare calculator conectat în reteaua locală având o altă adresă IP.

Clasele de adrese IP

Au fost definite 5 clase diferite de adrese. Putem determina clasa din care face parte

adresa IP prin examinarea primilor 4 biti ai adresei IP:

· adresele clasă A sunt adresele care încep cu 0xxx, de la 1 la 126 în zecimal;

· adresele clasă B sunt adresele care încep cu 10xx, de la 128 la 191 în zecimal;

· adresele clasă C sunt adresele care încep cu 110x, de la 192 la 223 în zecimal;

· adresele clasă D sunt adresele care încep cu 1110, de la 224 la 239 în zecimal;

· adresele clasă E sunt adresele care încep cu 1111, de la 240 la 254 în zecimal.

Adresele care încep cu 01111111, sau 127 în notatie zecimală, sunt folosite pentru loopback - adresa internă a oricărui nod sau dispozitiv ce comunică prin protocolul TCP/IP. Adresa de loopback nu poate fi accesată decât local, orice pachet trimis va avea ca destinatie exact calculatorul de pe care sunt trimise pachetele. Adresele clasei D sunt rezervate pentru multicasting, iar cele ale clasei E sunt rezervate pentru o utilizare viitoare. Acestea nu trebuie să fie folosite ca si adrese de host. Mai jos se indică modul de reprezentare a adreselor IP, notându-se cu N partea de retea si cu n partea de host pentru fiecare clasă:

· adresă clasă A: NNNNNNNN.nnnnnnnn.nnnnnnn.nnnnnnn;

· adresă clasă B: NNNNNNNN.NNNNNNNN.nnnnnnnn.nnnnnnnn;

· adresă clasă C: NNNNNNNN.NNNNNNNN. NNNNNNNN.nnnnnnnn;

· adresă clasă D: NNNNNNNN.NNNNNNNN. NNNNNNNN.NNNNNNNN.

Adresele clasă A

Adresele clasă A sunt destinate retelelor de dimensiuni mari. La aceste adrese IP, pentru definirea retelei se foloseste primul octet, iar ceilalti trei octeti sunt utilizati pentru identificarea hostului. Domeniul de valori pentru adresele din clasa A este de la 1 la 126, adică adresele de la 0.0.0.1 până la 126.255.255.255. Clasa de adrese 0.0.0.0 nu este folosită datorită posibilelor confuzii cu rutele implicite, iar clasa 127.0.0.0 este rezervată pentru adrese de loopback, în scopul monitorizării si testării retelei locale. Cei 24 de biti folositi pentru identificarea hostului, permit adresarea a 16.777.214 hosturi. În figura este prezentat modul de reprezentare a unei adrese clasă A.

Adresele clasă B

Adresele clasă B sunt destinate retelelor de dimensiuni mai mici decât cele de clasă A. La aceste adrese IP, pentru definirea retelei se folosesc primii doi octeti, iar următorii doi octeti sunt utilizati pentru identificarea hostului. Domeniul de valori pentru adresele de clasă B este de la 128 la 191, adică adresele de la 128.0.0.0 până la 191.255.255.255. În acest interval se pot adresa 16.324 retele. Cei 16 biti folositi pentru identificarea hostului permit adresarea a 65.534 hosturi. Rezultă că retelele de clasă B sunt retele mari, datorită numărului mare hosturi ce pot fi adresate. În figura se prezintă modul de reprezentare a unei adrese clasă B.

1