А. Григорьев - О чём не пишут в книгах по Delphi

Кроме IP, в стеке TCP/IP существует еще несколько протоколов — ICMP, IGMP и ARP, — решающих задачи сетевого уровня. Эти протоколы не являются полноценными и не могут заменить IP. Они служат только для решения некоторых частных задач.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol — протокол межсетевых управляющих сообщений) обеспечивает диагностику связи на сетевом уровне. Многим знакома утилита ping, позволяющая проверить связь с удаленным узлом. В основе ее работы лежат специальные запросы и ответы, определяемые в рамках протокола ICMP. Кроме того, этот же протокол определяет сообщения, которые получает узел, отправивший IP-пакет, если этот пакет по каким-то причинам не доставлен.

Протокол называется надежным (reliable), если он гарантирует, что пакет будет либо доставлен, либо отправивший его узел получит уведомление о том что доставка невозможна. Кроме того, надежный протокол должен гарантировать, что пакеты доставляются в том же порядке, в каком они отправлены и дублирования сообщений не происходит. Протокол IP в чистом виде не является надежным протоколом, т.к. в нем вообще не предусмотрены средства уведомления узла о проблемах с доставкой пакета. Добавление ICMP также не делает IP надежным, т.к. ICMP-пакет является частным случаем IP-пакета, и также может не дойти до адресата, поэтому возможны ситуации, когда пакет не доставлен, а отправитель об этом не подозревает.

Протокол IGMP (Internet Group Management Protocol — протокол управления межсетевыми группами) предназначен для управления группами узлов, которые имеют один групповой IP-адрес. Отправку пакета по такому адресу можно рассматривать как нечто среднее между адресной и широковещательной рассылкой, т. к. такой пакет будет получен сразу всеми узлами, входящими в группу.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол разрешения адресов) необходим для установления соответствия между IP- и MAC-адресами. Каждый узел имеет таблицу соответствия. Исходящий пакет содержит два адреса узла: MAC-адрес для канального уровня и IP-адрес для сетевого. Отправляя пакет, узел находит в своей таблице MAC-адрес, соответствующий IP-адресу получателя, и добавляет его к пакету. Если в таблице такой адрес не найден, отправляется широковещательное сообщение, формат которого определяется протоколом ARP. Получив такое сообщение, узел, чей IP-адрес соответствует искомому, отправляет ответ, в котором указывает свой MAC-адрес. Этот ответ также широковещательный, поэтому его получают все узлы, а не только отправивший запрос, и все узлы обновляют свои таблицы соответствия.

Строго говоря, обеспечение правильного функционирования протоколов сетевого уровня — задача администратора системы, а не программиста. В своей работе программист чаще всего сталкивается с более высокоуровневыми протоколами и не интересуется деталями реализации сетевого уровня.

Протоколами транспортного уровня в стеке TCP/IP являются протоколы TCP и UDP. Строго говоря, они решают не только задачи транспортного уровня, но и небольшую часть задач уровня сессии. Тем не менее они традиционно называются транспортными. Эти протоколы мы рассмотрим детально в следующих разделах.

Уровни сессии, представлений и приложений в стеке TCP/IP не разделены: протоколы HTTP, FTP, SMTP и т.д., входящие в этот стек, решают задачи всех трех уровней. Мы здесь не будем рассматривать эти протоколы, потому что при использовании сокетов они в общем случае не нужны: программист сам определяет формат пакетов, отправляемых с помощью TCP или UDP.

Новички нередко думают, что фраза "программа поддерживает соединение через TCP/IP" полностью описывает то, как можно связаться с программой и получить данные. На самом деле необходимо знать формат пакетов, которые эта программа может принимать и отправлять, т.е. должны быть согласованы протоколы уровня сессии и представлений. Гибкость сокетов дает программисту возможность самостоятельно определить этот формат, т.е., по сути дела, придумать и реализовать собственный протокол поверх TCP или UDP. И без описания этого протокола организовать обмен данными с программой невозможно.

Протокол UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм) встречается реже, чем его "одноклассник" TCP, но он проще для понимания, поэтому мы начнем изучение транспортных протоколов с него. Коротко UDP можно описать как ненадежный протокол без соединения, основанный на дейтаграммах. Теперь рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее.

UDP не имеет никаких исполнительных средств управления пакетами по сравнению с IP. Это значит, что пакеты, отправленные с помощью UDP, могут теряться, дублироваться и менять порядок следования. В сети без маршрутизаторов ничего этого с пакетами почти никогда не происходит, и UDP может условно считаться надежным протоколом. Сети с маршрутизаторами строятся, конечно же, таким образом, чтобы подобные случаи происходили как можно реже, но полностью исключить их, тем не менее, нельзя. Происходит это из-за того, что передача данных может идти несколькими путями через разные маршрутизаторы. Например, пакет может пропасть, если короткий путь к удаленному узлу временно недоступен, а в длинном приходится пройти больше маршрутизаторов, чем это разрешено. Дублироваться пакеты могут, если они ошибочно передаются двумя путями, а порядок следования может изменяться, если пакет, посланный первым, идет по более длинному пути, чем пакет, посланный вторым.

Все сказанное отнюдь не означает, что на основе UDP нельзя построить надежный обмен данными, просто заботу об этом должно взять на себя само приложение. Каждый исходящий пакет должен содержать порядковый номер, и в ответ на него должен приходить специальный пакет — квитанция, которая уведомляет отправителя, что пакет доставлен. При отсутствии квитанции пакет высылается повторно (для этого необходимо ввести тайм-ауты на получение квитанции). Принимающая сторона по номерам пакетов восстанавливает их исходный порядок.

UDP не поддерживает соединение. Это означает, что при использовании этого протокола можно в любой момент отправить данные по любому адресу без необходимости каких-либо предварительных действий, направленных на установление связи с адресатом. Это напоминает процесс отправки обычного письма: на нем пишется адрес, и оно опускается в почтовый ящик без каких-либо предварительных действий. Такой подход обеспечивает большую гибкость, но лишает систему возможности автоматической проверки исправности канала связи.

Дейтаграммами называются пакеты, которые передаются как единое целое. Каждый пакет, отправленный с помощью UDP, составляет одну дейтаграмму. Принятые дейтаграммы складываются в буфер принимающего сокета и могут быть получены только раздельно: за одну операцию чтения из буфера программа, использующая сокет, может получить только одну дейтаграмму. Если в буфере лежит несколько дейтаграмм, потребуется несколько операций чтения, чтобы прочитать все. Кроме того, одну дейтаграмму нельзя получить из буфера по частям: она должна быть прочитана целиком за одну операцию. Чтобы данные, передаваемые разным сокетам, не перемешивались, каждый сокет должен получить уникальный в пределах узла номер от 0 до 65 535, называемый номером порта. При отправке дейтаграммы отправитель указывает IP-адрес и порт получателя, и система принимающей стороны находит сокет, привязанный к указанному порту, и помещает данные в его буфер. По сути дела, UDP является очень простой надстройкой над IP, все функции которой заключаются в том, что физический поток разделяется на несколько логических с помощью портов, и добавляется проверка целостности данных с помощью контрольной суммы (сам по себе протокол IP не гарантирует отсутствия искажений данных при передаче).