В большинстве случаев вам не придется заботиться о переводе пакетов в данные, которые используют ваши приложения, поскольку в операционной системе есть необходимые для этого средства. Однако полезно узнать о роли пакетов в сетевых уровнях, к чему мы и приступаем.

9.2. Сетевые уровни

Полностью функционирующая сеть содержит полный набор сетевых уровней, называемый сетевым стеком. В любой действующей сети есть стек. Типичный интернет-стек выглядит следующим образом, от верхнего уровня к нижнему.

? Прикладной уровень. Содержит «язык», с помощью которого общаются приложения и серверы. Как правило, это какой-либо протокол верхнего уровня. Самыми распространенными протоколами прикладного уровня являются: HTTP (Hypertext Transfer Protocol, протокол передачи гипертекстовых файлов; используется во Всемирной паутине), SSL (Secure Socket Layer, протокол защищенных сокетов) и FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов). Протоколы прикладного уровня часто могут сочетаться. Так, например, протокол SSL обычно используется в соединении с протоколом HTTP.

• Транспортный уровень. Определяет характеристики передачи данных для прикладного уровня. Этот уровень содержит проверку целостности данных, порты источника и назначения, а также спецификации по разбиению данных приложения на пакеты (если прикладной уровень еще не выполнил это). Самыми распространенными протоколами транспортного уровня являются TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) и UDP (User Datagram Protocol, протокол дейтаграмм пользователя). Транспортный уровень иногда также называют уровнем протоколов.

• Сетевой или интернет-уровень. Определяет, как перемещать пакеты от хоста-источника к хосту-назначению. Частные правила передачи пакетов через Интернет известны как протокол IP (Internet Protocol, интернет-протокол). Поскольку в этой книге речь пойдет только о сети Интернет, мы на самом деле будем говорить лишь об интернет-уровне. Тем не менее, так как сетевые уровни задуманы как не зависящие от аппаратных средств, можно одновременно настроить несколько независимых сетевых уровней (таких как IP, IPv6, IPX и AppleTalk) на одном хосте.

• Физический уровень. Определяет, как необработанные данные передаются через физический посредник, например сеть Ethernet или модем. Иногда этот уровень называют связывающим уровнем или уровнем «хост-сеть».

Важно понимать структуру сетевого стека, поскольку данные должны пройти через эти уровни минимум дважды, прежде чем достигнут программу на месте назначения. Если, например, вы отправляете данные от хоста A к хосту B, как показано на рис. 9.1, байты покидают прикладной уровень хоста A и перемещаются через транспортный и сетевой уровни хоста A. Затем они попадают вниз, в физический посредник, передаются по нему, после чего поднимаются вверх через различные уровни до прикладного уровня хоста B очень сходным образом. Если что-либо отправляется на интернет-хост через маршрутизатор, то данные пройдут через некоторые (но, как правило, не все) уровни маршрутизатора и всего, что находится между ними.

Иногда уровни странным образом вклиниваются друг в друга, поскольку было бы неэффективно продвигаться по всем уровням последовательно. Например, устройства, которые исторически имели дело только с физическим уровнем, теперь иногда заглядывают в данные транспортного и интернет-уровней, чтобы быстро отфильтровать и проложить маршрут для данных. Не беспокойтесь об этом, пока вы изучаете основы.

Мы начнем с рассмотрения того, как компьютер с Linux подключается к сети, чтобы ответить на вопрос «куда?», поставленный в начале этой главы. Это самая нижняя часть стека — физический и сетевой уровни. Далее мы рассмотрим два верхних уровня, чтобы ответить на вопрос «что?».

примечание

Вы, наверное, слышали о другом наборе уровней, известном как модель OSI (Open Systems Interconnection Reference Model). Это модель сети, которая содержит семь уровней и часто используется при обучении и в разработке сетей, однако мы не будем рассматривать ее, поскольку вы будете напрямую работать с четырьмя уровнями, описанными здесь. Чтобы узнать об уровнях больше (и о сетях вообще), обратитесь к книге Эндрю С. Таненбаума (Andrew S. Tanenbaum) и Дэвида Дж. Уэзерола (David J. Wetherall) Computer Networks («Компьютерные сети»), 5-е издание (Prentice Hall, 2010).

9.3. Интернет-уровень

Вместо того чтобы начать с самого низа сетевого стека, физического уровня, мы начнем с сетевого уровня, поскольку его проще понять. Интернет, как мы уже знаем, основан на интернет-протоколе, начиная с версии 4 (IPv4) и заканчивая набирающей силу версией 6 (IPv6). Одним из самых важных аспектов интернет-уровня является то, что он призван быть сетью программного обеспечения, которое не предъявляет специальных требований к аппаратным средствам или операционным системам. Суть в том, что вы можете отправлять и получать интернет-пакеты с помощью любого аппаратного обеспечения, используя любую операционную систему.

Топология Интернета децентрализована; эта сеть составлена из более мелких сетей, называемых подсетями. Идея заключается в том, что все подсети каким-либо образом соединены между собой. Например, на рис. 9.1 локальная сеть обычно является единственной подсетью.

Хост может быть подключен к более чем одной подсети. Как вы видели в разделе 9.1, такой тип хоста называется маршрутизатором, если он может передавать данные из одной подсети в другую (еще один термин для маршрутизатора — шлюз). Рисунок 9.2 уточняет рис. 9.1 за счет идентификации локальной сети в качестве подсети, а также за счет добавления интернет-адресов для каждого хоста и для маршрутизатора. Маршрутизатор на этом рисунке обладает двумя адресами: 10.23.2.1 в локальной подсети, а также интернет-ссылкой (сейчас нам неважен адрес интернет-ссылки, поэтому она отмечена как «Адрес ссылки верхнего уровня»). Сначала мы рассмотрим адреса, а затем обозначение подсети.

Каждый интернет-хост обладает по крайней мере одним численным IP-адресом в виде a.b.c.d, например 10.23.2.37. Адрес в подобной записи называется четверкой чисел, разделенных точками. Если хост подключен к нескольким подсетям, у него есть хотя бы один IP-адрес для каждой подсети. Каждый IP-адрес хоста должен быть уникальным для сети Интернет в целом, однако, как вы увидите позже, частные сети и преобразование сетевых адресов (NAT) могут вызвать небольшую путаницу.

примечание

С технической точки зрения IP-адрес состоит из 4 байт (или 32 бит), abcd. Байты a и d являются числами от 1 до 254, а байты b и c — числами от 0 до 255. Компьютер обрабатывает IP-адреса в виде «сырых» байтов. Тем не менее человеку намного проще читать и записывать адрес в виде четверки чисел, разделенных точками, вроде 10.23.2.37, а не в виде неприглядного шестнадцатеричного числа 0x0A170225.

Рис. 9.2. Сеть с IP-адресами

IP-адреса напоминают почтовые адреса. Чтобы взаимодействовать с другим хостом, ваш компьютер должен знать IP-адрес этого хоста. Посмотрим на адреса в вашем компьютере.

9.3.1. Просмотр IP-адресов компьютера

У одного хоста может быть несколько IP-адресов. Чтобы увидеть адреса, которые активны на вашем компьютере с Linux, запустите такую команду:

$ ifconfig

Результат вывода окажется, вероятно, довольно обширным, но он должен содержать нечто подобное:

eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 10:78:d2:eb:76:97

          inet addr:10.23.2.4  Bcast:10.23.2.255  Mask:255.255.255.0

          inet6 addr: fe80::1278:d2ff:feeb:7697/64 Scope:Link

          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1