Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Рис. 6.1. Сетевой, транспортный и прикладной уровни

Сервисы транспортного уровня, как и сервисы сетевого уровня, делятся на сервисы с установлением соединения и сервисы без установления соединения. Транспортный сервис с установлением соединения во многом похож на аналогичный сетевой сервис. В обоих случаях соединение проходит три этапа: установление соединения, передача данных и разъединение. Адресация и управление потоком на разных уровнях также схожи. Более того, похожи друг на друга и сервисы без установления соединения разных уровней. Однако следует обратить внимание на то, что реализовать комбинацию транспортного сервиса без установления соединения и сетевого сервиса с установлением соединения часто достаточно трудно, так как для этого придется разрывать только что созданное соединение сразу же после отправки пакета.

Возникает закономерный вопрос: если сервис транспортного уровня так схож с сервисом сетевого уровня, то зачем нужны два различных уровня? Почему не достаточно одного уровня? Это довольно тонкий, но очень важный вопрос. Программное обеспечение транспортного уровня запускается целиком на пользовательских машинах, а сетевой уровень запускается в основном на маршрутизаторах, которые управляются оператором связи (по крайней мере, в глобальных сетях). Что произойдет, если сетевой уровень будет предоставлять сервис с установлением соединения, но этот сервис будет ненадежным? Что если он часто будет терять пакеты? Что случится, если маршрутизаторы будут время от времени выходить из строя?

В этом случае пользователи столкнутся с большими проблемами. У них нет контроля над сетевым уровнем, поэтому они не смогут решить проблему плохого обслуживания, используя хорошие маршрутизаторы или совершенствуя обработку ошибок канального уровня (просто потому, что маршрутизаторы им не принадлежат). Единственная возможность заключается в использовании для улучшения качества обслуживания еще одного уровня, расположенного над сетевым. Если в сети без установления соединения пакеты теряются или передаются с искажениями, транспортная подсистема обнаруживает проблему и выполняет повторную передачу. Если в сети с установлением соединения транспортная подсистема узнает, что ее сетевое соединение было внезапно прервано, без каких-либо сведений о том, что случилось с передаваемыми в этот момент данными, она может установить новое соединение с удаленной транспортной подсистемой. С помощью нового сетевого соединения она может послать запрос к равноранговому объекту и узнать, какие данные дошли до адресата, а какие нет, после чего, зная, где это произошло, продолжить передачу данных.

По сути, благодаря наличию транспортного уровня транспортный сервис может быть более надежным, чем лежащая ниже сеть. Более того, базовые операции транспортного сервиса могут быть разработаны таким образом, что они будут независимы от базовых операций сетевого сервиса, которые могут значительно варьироваться от сети к сети (например, сервис Ethernet без установления соединения может значительно отличаться от сервиса сети WiMAX с установлением соединения). Если спрятать сетевой сервис за набором базовых операций транспортного сервиса, то для изменения сетевого сервиса потребуется просто заменить один набор библиотечных процедур другими, делающими то же самое, но c помощью других сервисов более низкого уровня.

Благодаря наличию транспортного уровня прикладные программы могут использовать стандартный набор базовых операций и сохранять работоспособность в самых различных сетях. Им не придется учитывать имеющееся разнообразие интерфейсов сетей и уровней надежности. Если бы все реальные сети работали идеально и у всех сетей был один набор базовых операций, который гарантированно никогда не мог бы быть изменен, то транспортный уровень, вероятно, был бы не нужен. Однако в реальном мире он выполняет ключевую роль изолирования верхних уровней от деталей технологии, устройства и несовершенства сети.

Именно по этой причине часто проводится разграничение между уровнями с первого по четвертый и уровнями выше четвертого. Нижние четыре уровня можно рассматривать как поставщика транспортных услуг( transport service provider), а верхние уровни — как потребителя транспортных услуг( transport service user). Разделение на поставщика и пользователя оказывает серьезное влияние на устройство уровней и помещает транспортный уровень на ключевую позицию, поскольку он формирует основную границу между поставщиком и пользователем надежного сервиса передачи данных. Именно этот уровень виден приложениям.

6.1.2. Базовые операции транспортного сервиса

Чтобы пользователи могли получить доступ к транспортному сервису, транспортный уровень должен совершать некоторые действия по отношению к прикладным программам, то есть предоставлять интерфейс транспортного сервиса. У всех транспортных сервисов есть свои интерфейсы. В этом разделе мы вначале рассмотрим простой (но гипотетический) пример транспортного сервиса и его интерфейсов, просто чтобы узнать основные принципы и понятия. Следующий раздел будет посвящен реальному примеру.

Транспортный сервис подобен сетевому, но имеет и некоторые существенные отличия. Главное отличие состоит в том, что сетевой сервис предназначен для моделирования сервисов, предоставляемых реальными сетями со всеми их особенностями. Реальные сети могут терять пакеты, поэтому в общем случае сетевой сервис ненадежен.

Транспортный сервис с установлением соединения, напротив, является надежным. Конечно, реальные сети содержат ошибки, но именно транспортный уровень как раз и должен обеспечивать надежный сервис поверх ненадежной сети.

В качестве примера рассмотрим два процесса, работающих на одной машине, соединенных каналом в системе UNIX (или с помощью любого средства, позволяющего обеспечить взаимодействие процессов). Эти процессы предполагают, что соединение между ними абсолютно идеально. Они не желают знать о подтверждениях, потерянных пакетах, перегрузках и т. п. Им требуется стопроцентно надежное соединение. Процесс A помещает данные в один конец канала, а процесс B извлекает их на другом. Именно для этого и предназначен транспортный сервис с установлением соединения — скрывать несовершенство сетевого сервиса, чтобы пользовательские процессы могли считать, что существует безошибочный поток битов, даже если процессы выполняются на разных машинах.

Кстати, транспортный уровень может также предоставлять ненадежный (дейтаграммный) сервис, но о нем сказать почти нечего (разве что «это дейтаграммы»), поэтому мы в данной главе сконцентрируемся на транспортном сервисе с установлением соединения. Тем не менее существуют приложения, например клиент-серверные вычислительные системы и потоковое мультимедиа, основанные на транспортных сервисах без установления соединения, поэтому ниже мы еще упомянем их.