О чём не пишут в книгах по Delphi

2.1.3. Сетевые протоколы. Семиуровневая модель OSI

Сетевым протоколом называется набор соглашений, следование которым позволяет обеим сторонам одинаково интерпретировать принимаемые и отправляемые данные. Сетевой протокол можно сравнить с языком: два человека понимают друг друга тогда, когда говорят на одном языке. Причем если люди, говорящие на похожих, но немного разных языках, все же могут понимать друг друга, то компьютеры для нормального обмена данными должны поддерживать в точности одинаковый протокол.

Для установления взаимодействия между компьютерами должен быть согласован целый ряд вопросов, начиная от напряжения в проводах и заканчивая форматом пакетов. Реализуются эти соглашения на разных уровнях, поэтому логичнее иметь не один протокол, описывающий все и вся, а набор протоколов, каждый из которых охватывает только вопросы одного уровня. Организация Open Software Interconnection (OSI) предложила разделить все вопросы, требующие согласования, на семь уровней. Это разделение известно как семиуровневая модель OSI.

Семейство протоколов, реализующих различные уровни, называется стеком протоколов. Стеки протоколов не всегда точно следуют модели OSI, некоторые протоколы решают вопросы, связанные сразу с несколькими уровнями.

Первый уровень в модели OSI называется физическим. На нем согласовываются физические, электрические и оптические параметры сети: напряжение и форма импульсов, кодирующих 0 и 1, какой разъем используется и т.п.

Второй уровень носит название канального. На этом уровне решаются вопросы конфигурации сети (шина, звезда, кольцо и т.п.), приема и передачи кадров, допустимости и методов разрешения коллизий (ситуаций, когда сразу два компьютера пытаются передать данные).

Третий уровень — сетевой. Здесь определяется, как адресуются компьютеры. Большинство сетей используют широковещательный способ передачи: пакет, переданный одним компьютером, получают все остальные. Протокол сетевого уровня описывает критерии, на основании которых каждый компьютер может выбирать из сети только те пакеты, которые предназначены ему, и игнорировать все остальные. На этом же уровне определяется, как пакеты проходят через маршрутизатор.

Четвертый уровень называется транспортным. На этом уровне единый физический поток данных разбивается на независимые логические потоки. Это позволяет нескольким программам независимо друг от друга использовать сеть, не опасаясь, что их данные смешаются. Кроме того, на транспортном уровне решаются вопросы, связанные с подтверждением доставки пакета и упорядочиванием пакетов.

Пятый уровень известен как уровень сессии. Он определяет процедуру установления, завершения связи и ее восстановления после разрыва. Расписывается последовательность действий каждой стороны и пакеты, которые они должны друг другу отправить для инициализации и завершения связи. Определяются соглашения о том, как единый поток разбивается на логические пакеты.

Шестой уровень называется уровнем представлений. На этом уровне определяется то, в каком формате данные передаются по сети. Под этим подразумевается, в первую очередь, внутренняя структура пакета, а также способ представления данных разных типов. Например, для двух- и четырёхбайтных целых чисел должен быть согласован порядок байтов, для логических величин — какие значения соответствуют True, какие — False, для строк — кодировка и способ задания конца строки и т.п.

Седьмой уровень называется уровнем приложений. Соглашения этого уровня позволяют работать с ресурсами (файлами, принтерами и т.д.) удаленного компьютера как с локальными, осуществлять удаленный вызов процедур и т.п.

Чтобы получить данные через сеть, должны быть реализованы все уровни, за исключением, может быть, седьмого. Для каждого уровня должен быть определён свой протокол. В идеале механизмы взаимодействия между протоколами разных уровней должны иметь столь высокую степень абстракции, чтобы один протокол на любом из уровней можно было заменить любым другим протоколом того же уровня, не внося каких-либо изменений в выше- и нижележащие уровни.

2.1.4. Стек TCP/IP

Физический и канальный уровни полностью реализуются сетевой картой или модемом (или другим устройством, выполняющим ту же функцию) и ее драйвером. Здесь действительно достигнута настолько полная абстракция, что программист обычно не задумывается о том, какая используется сеть. Поэтому мы также не будем останавливаться на этих двух уровнях. В реальной жизни не все протоколы, особенно старые, соответствуют модели OSI. Существует такое понятие, как стек протоколов — набор протоколов разных уровней, которые совместимы друг с другом. Эти уровни не всегда точно соответствуют тем, которые предлагает модель OSI, но определенное разделение задач на уровни в них присутствует. Здесь мы сосредоточимся на стеке протоколов, который называется TCP/IP (нередко можно услышать словосочетание "протокол TCP/IP", что не совсем корректно: TCP/IP не протокол, а стек протоколов). Название этот стек получил по наименованию двух самых известных своих протоколов: TCP и IP.

Протокол сетевого уровня IP расшифровывается как Internet Protocol. Это название иногда ошибочно переводят как "протокол Интернета" или "протокол для Интернета". На самом деле, когда разрабатывался этот протокол, никакого Интернета еще и в помине не было, поэтому правильный перевод — межсетевой протокол. История появления этого протокола связана с особенностями работы сети Ethernet. Эта сеть строится по принципу шины, когда все компьютеры подключены, грубо говоря, к одному проводу. Если хотя бы два компьютера попытаются одновременно передавать данные по общей шине, возникнет неразбериха, поэтому все шинные сети строятся по принципу "один говорит — все слушают". Очевидно, что требуется какая-то защита от так называемых коллизий (ситуаций, когда два узла одновременно пытаются передавать данные).

Разные сети решают проблему коллизий по-разному. В промышленных сетях, например, обычно имеется маркер — специальный индикатор, который показывает, какому узлу разрешено сейчас передавать данные. Узел, называемый мастером, следит за тем, чтобы маркер вовремя передавался от одного узла к другому. Маркер исключает возможность возникновения коллизий. Ethernet же является одноранговой сетью, в которой нет мастера, поэтому в ней реализован другой подход: коллизии допускаются, но существует механизм их разрешения, заключающийся в том, что, во-первых, узел не начинает передачу данных, если видит, что другой узел уже что-то передает, а во-вторых, если два узла одновременно пытаются начать передачу, то оба прекращают попытку и повторяют ее через случайный промежуток времени. У кого этот промежуток окажется меньше, тот и захватит сеть (или за этот промежуток времени сеть будет захвачена кем-то еще).

При большом числе компьютеров, сидящих на одной шине, коллизии становятся слишком частыми, и производительность сети резко падает. Для борьбы с этим служат специальные устройства — маршрутизаторы специализированные узлы, подключенные одновременно к нескольким сетям. Пока остальные узлы каждой из этих сетей взаимодействуют только между собой, маршрутизатор никак себя не проявляет, и эти сети существуют независимо друг от друга. Но если компьютер из одной сети посылает пакет компьютеру другой сети, этот пакет получает маршрутизатор и переправляет его в ту сеть, в которой находится адресат, или в которой находится другой маршрутизатор, способный передать этот пакет адресату.

На канальном уровне существует адресация узлов, основанная на так называемом MAC-адресе сетевой карты (MAC — это сокращение Media Access Control). Этот адрес является уникальным номером карты, присвоенной ей производителем. Очевидно неудобство такого способа адресации, т.к. по MAC-адресу невозможно определить положение компьютера в сети, т.е. выяснить, куда направлять пакет. Кроме того, при замене сетевой карты меняется адрес компьютера, что также не всегда удобно. Поэтому на сетевом уровне определяется собственный способ адресации, не связанный с аппаратными особенностями узла. Отсюда следует, что маршрутизатор должен понимать протокол сетевого уровня, чтобы принимать решение о передаче пакета из одной сети в другую, а протокол, в свою очередь, должен учитывать наличие маршрутизаторов в сети и предоставлять им необходимую информацию. IP был одним из первых протоколов сетевого уровня, который решал такую задачу и с его помощью стала возможной передача пакетов между сетями. Поэтому он и получил название межсетевого протокола. Впрочем, название прижилось: в некоторых статьях MSDN сетевой уровень (network layer) называется межсетевым уровнем (internet layer). В протоколе IP. в частности, вводится важный параметр для каждого пакета: максимальное число маршрутизаторов, которое он может пройти, прежде чем попадет к адресату (этот параметр носит не совсем удачное название TTL — Time То Live, время жизни). Это позволяет защититься от бесконечного блуждания пакетов по сети.