Načela rada Interneta - TCP / IP

Centralizirani računalni sustavi - koncept 'računalnog centra' gdje jedno veliko računalo opslužuje čitavu organizaciju zamijenjen je 'računalnom mrežom' (computer network) - većim brojem samostalnih računala koja su međusobno povezana tj. mogu razmjenjivati informacije. Mreža je omogućila slijedeće:

• dijeljenje resursa - podaci, programi, oprema dostupni svima na mreži bez obzira na fizičku udaljenost,
• pouzdanost - podaci smješteni na više strojeva zbog mogućeg kvara,
• uštedu - umjesto brzog ali skupog velikog računala više PC-a, skalabilnost: client-server model,
• komunikacija među razdvojenim djelatnicima,
• dostup do udaljenih informacija - financije, kupovina, on-line novine, WWW,
• komuniciranje - email, discussison groups, videoconference,
• zabavu - video na zahtjev, interaktivni video i TV, igre.

U suštini radi se o povezivanju više malih lokalnih mreža (LAN) u veće skupine (MAN) te njihovo povezivanje u jedinstveni skup na nivou države-svijeta (WAN). LAN je mreža u privatnom vlasništvu unutar jedne ili nekoliko zgrada čija udaljenost nije veća od nekoliko kilometara. Koristi sabirničku ili zvjezdastu topologiju s brzinom prijenosa podataka od 10-1000 Mbps (1 megabit/sec = 1'000'000 bit/sec).
MAN je veća verzija LAN-a koja koristi sličnu tehnologiju, povezuje više poduzeća ili ustanova ili grad i može biti privatna ili javna. Može podržavati prijenos i podataka i glasa i biti povezana sa lokalnom kabelskom TV mrežom. Obično koristi DQDB (Distributed Queue Dual Bus), sastoji se od 2 jednosmjerne sabirnice (kabela) na koje su sva računala povezana što pojednostavljuje dizajn.
WAN povezuje geografski veliko područje, državu ili kontinent. Terminologija koja se koristi da bi se sagledala njena funkcionalnost zasnovana je na slijedećim osnovnim pojmovima:

• Host-ovi, računala u lokalnoj mreži (aplikacijski aspekt).
• Podmreža (subnet) - prenosi poruke od host-a jednog LAN-a do host-a drugog LAN-a (komunikacijski aspekt), ima dvije komponente:
  • Prijenosni kanali (transmission lines, channels) - prenose bitove od računala do računala.
  • Usmjerivači (router, switching elements) - specijalizirana računala koja povezuju prijenosne kanale i odlučuju po kojoj će izlaznom kanalu poslati podatak koji stigne s ulaza
• Podmreža čini jezgru međusobne komunikacije i to je point-to-point (store-and-forward, packet-switched) komunikacija između router-a koji nisu direktno povezani kabelom, a vrši se tako da se paketi šalju od router-a do router-a. Router spremi paket i šalju ga dalje kad je izlazna linija slobodna.
• Topologija povezivanja router-a obično je nepravilna.

LAN, MAN i WAN su pojmovi koji opisuju računalnu mrežu prema zemljopisnoj rasprostranjenosti. Osobitosti van navedenog su pojmovi kao PAN (Personal Area Network), SAN (Storage Area Network) i WLAN (Wireless Local Area Network); osobna mreža, skladište podataka i bežična mreža. Razvoj tehnologije sigurno definira ili će definirati još nekakav '-AN'. Većina mreža organizirana je kao niz slojeva ili nivoa (layers, levels), svaki sloj izgrađen je nad onim ispod njega bez kojeg nije funkcionalan. Broj nivoa, imena, sadržaji i funkcije slojeva razlikuju se kod različitih vrsta mreže, odnosno različitih modela rada mreže nastalih tijekom povijesnog razvoja od strane različitih proizvođača računalne i mrežne opreme. Nemogućnost komunikacije različitih mrežnih modela dovela je do dosta problema u usklađivanju njihove međusobne komunikacije. No jedan model 'preživio' je do danas i predstavlja temelj funkcioniranja Interneta. To je TCP / IP model.

Naredna slika prikazuje organizaciju TCP / IP modela po slojevima u odnosu na OSI model.

Slika 7.4.3 TCP / IP referentni model u odnosu na OSI model.

U svim mrežama zadatak je svakog nivoa da ponudi neke usluge (servise) za više nivoe koji ne moraju voditi računa o detaljima implementacije tih servisa. Sloj 'n' na jednom računalu komunicira sa slojem 'n' na drugom pomoću skupa pravila koja se nazivaju protokol.

• Sloj host-mreža (Host-to-Network) - nije definiran protokol kojim se host veže za mrežu, različit na različitim host-ovima i mrežama. Koristi MAC adresu za komunikaciju i šalje na mrežni medij podatke kao skupinu bit-ova koja se naziva FRAME (okvir).
• Internet - sloj radi sa IP (Internet Protocol) grupama podataka nazvanim PACKET ili DATAGRAM koje usmjerava optimalnim putem, ostvaruje kontakt te komunikaciju između dva udaljena računala. Mrežni uređaji kao router koriste routing protokole i IP adresu u zaglavlju paketa da omoguće ovom protokolu navedenu zadaću kreirajući mu optimalni put. IP protokol spada u routed protokole.
• Prijenosni sloj (Transport) - ostvaruje prijenos podataka među 'peer' procesima dvaju računala korištenjem TCP protokola (Transmission Control Protocol) ili UDP protokola (User Datagram Protocol). Podaci u ovom sloju grupirani su u cjelinu nazvanu SEGMENT. Ovi protokoli sadrže u zaglavlju oznaku PORT-a da bi naredni sloj znao koja će aplikacija uporabiti podatke u segmentu.
  • TCP - omogućava pouzdanu slijednu komunikaciju i baza je za više protokole koji zahtijevaju da se podaci prenesu bez greške (npr. telnet, ftp). To je tip protokola koji zahtjeva potvrdu ispravnog prijama podataka prije slanja narednih.
  • UDP - nepouzdana neslijedna komunikacija (npr. za prenošenje govora, videa). Ne zahtijeva potvrdu prijama podataka prije slanja narednih, što znači da je jednostavniji. Koristi se gdje je pouzdanost manje bitna.
• Aplikacijski sloj (Application) - sadrži sve protokole višeg nivoa, u početku virtualni terminal (TELNET), prijenos datoteka (FTP), elektronička pošta (SMTP), zatim i DNS, NNTP, HTTP... Dakle, omogućava razmjenu podataka među 'peer' procesima dvaju računala između dviju aplikacija iste namijene. Na osnovu port-a pročitanog u zaglavlju segmenta, odgovarajuća aplikacija preuzima njegove podatke te od jednog segmenta ili više njih 'prvi' nama razumljivu skupini podataka prema na primjer ASCII kodu, MIDI formatu, JPEG ili TIFF formatu i drugo. Ovaj sloj brine i o tome da li će komunikacija biti Simplex (SX), Half-duplex (HD) ili Full-duplex (FD).

Ne postoji pravi prijenos podataka među slojevima - podaci i kontrolne informacije šalju se sloju ispod sve dok se ne dođe do najnižeg sloja ispod kojeg je fizički medij kojim zaista ide komunikacija. Sučelje (interface) između susjednih slojeva definira koje primitivne operacije i servise donji sloj nudi gornjem. Skup slojeva i protokola čini mrežnu arhitekturu (network architecture). Lista protokola, po jedan za svaki sloj, čini stog protokola (protocol stack).

Internet se sa stanovišta mrežnog sloja može promatrati kao skup međusobno povezanih podmreža ili autonomnih sustava. Ne postoji prava struktura, ali postoji nekoliko glavnih kičmi (backbone) na koje su povezane regionalne mreže, a na njih LAN univerziteta, kompanija, davaoca Internet usluga i drugi. Ono što Internet drži na okupu je protokol mrežnog nivoa IP (Internet Protocol) čiji je zadatak da na najbolji mogući način prenese IP DATAGRAM (IP PACKET) od izvora do odredišta, bez obzira da li su oni na istoj mreži ili nisu i da li postoje ili ne postoje mreže među njima.

IP paket (DATAGRAM) sastoji se od dva osnovna dijela:

• zaglavlja: ima 20 bajt-ni fiksni dio i opcionalni dio varijabilne dužine.
• podataka: 65'494 bajt-ova

Unutar podataka sadržana je cjelokupna TCP usluga koja se opet satoji od svojih dijelova. Na neki način IP zaglavlje okružuje TCP zaglavlje unutar kojeg su podaci.

Zaglavlje sadrži petnaestak polja koja opisuju verziju protokola, duljinu zaglavlja, ukupnu duljinu datagrama (do 64kB), tip usluge, vrijeme života paketa, izvornu i odredišnu adresu (32 bit-a) i druga.

IP adresa se sastoji od 2 dijela: broja mreže na koju je priključeno računalo i broja računala u toj mreži. Postoji više različitih formata-klasa IP adresa (A,B,C,D) koje se razlikuju po broju bit-a koji se dodjeljuje za adresu mreže i za adresu računala a da ukupno ne pređe 32 bit-a.

TCP (Transmission Control Protocol) dizajniran je tako da osigura pouzdani tok bajtova s jednog do drugog kraja po nepouzdanim mrežama koje se mogu razlikovati po topologiji, propusnosti, kašnjenju, veličini paketa ili nečemu drugom. Svako računalo koje podržava TCP ima TCP prijenosni entitet (dio softvera) kao korisnički proces ili kao dio jezgre koja upravlja TCP tokovima (streams). TCP entitet prihvaća od lokalnih procesa tok podataka korisnika, razbija ga u dijelove koji ne prelaze 64K i šalje svaki dio kao posebni IP datagram koji kad stigne na drugi kraj, predaje se TCP entitetu koji obnavlja originalni tok bajt-ova.

TCP usluga se osigurava tako da i pošiljatelj i primatelj kreiraju krajnje točke (end points) tj. spojne točke (SOCKET) od kojih je svaka definirana IP adresom host-a i brojem port-a (16 bit-ni broj za host i identifikacijska oznaka usluge). Da bi se osigurala TCP usluga, mora se uspostaviti veza između socket-a na host-u koji šalje i socket-a na host-u koji prima podatke. Brojevi port-ova ispod 256 (well-known ports) rezervirani su za standardne usluge, a svaki host može za sebe odlučiti kako će dodijeliti ostale svoje port-ove. Šaljući i primajući TCP entiteti razmjenjuju podatke u obliku SEGMENTA podataka. Segment se sastoji od 20 bajt-nog TCP zaglavlja (uz opcionalni dio) za kojim slijedi 0 ili više bajt-ova podataka, a nastaje skupljanjem podataka od nekoliko upisivanja (write) ili razbijanjem podataka od jednog upisivanja. Svaki segment uključujući i TCP zaglavlje mora stati u 65'535 bajtova IP paketa. Ako je segment prevelik za mrežu kroz koju mora proći, router vrši fragmentaciju u više manjih segmenata od kojih svaki dobiva svoje IP zaglavlje.

Format TCP segmenta se sastoji se od:

• zaglavlja: ima 20 bajt-ni fiksni dio i opcionalni dio varijabilne dužine.
• podataka: 65'494 bajt-ova (65'535B - 20B IP zaglavlja - 20B TCP zaglavlja), segmenti sa 0 bajt-ova podataka koriste se za potvrde i kontrolne poruke.

Zaglavlje sadrži desetak polja koja počinju s izvornim port-om (16 bit-a) i odredišnom port-om (16 bit-a) te slijedi redni broj TCP veze i druga.

TCP veza je tok bajtova, a ne tok poruka, tj. TCP softver ne zna što znače bajt-ovi koje prenosi i ne čuva granice poruka već ih šalje kao segmente koji se sastoje od grupe bajt-ova. Osnovni protokol kojeg koriste TCP entiteti radi na načelu da nakon slanja segmenta pošiljatelj pokreće svoj timer (vremenski brojač). Kad poslani segment stigne na odredište primalac šalje u segmentu potvrdu - broj koji odgovara broju slijedećeg segmenta kojeg očekuje primiti. Ako timer istekne prije nego što je primljena potvrda, segment se šalje ponovo.

UDP (User Data Protocol) protokol omogućuje slanje IP datagrama s dodanim kratkim zaglavljem bez potrebne potvrde da se uspostavi veza. Koriste ga, na primjer, mnoge klijent-server aplikacije s jednim zahtjevom i jednim odgovorom, znači vrlo jednostavna komunikacija.

Prijenos paketa na medij odvija se posredstvom najniže razine (sloja) OSI - TCP/IP modela. Mediji za prijenos podataka različiti su, ali je gotovo svima zajedničko da se paketu dodaju MAC adrese mrežne kartice ili nekog interface-a (Media Access Control) izvora i odredišta, što zajedno tvori OKVIR (FRAME) podataka koji se slijedno razmjenjuje između izvora i odredišta.

Frame je osnovna skupina podataka koja se u Ethernet svijetu pretvara u digitalni električni signal glede prijenosa podataka između računala. 1500B najviše je koliko u Ethernet svijetu FRAME može jednokratno prenijeti i ta veličina predstavlja MTU (Maximum Transmission Unit); u suštini to je maksimalna duljina paketa u byte-ovima s kojim neki od interface-a (sučelja) uređaja može rukovati. Dakle, podaci se u svrhu prijenosa 'sjeckaju' u manje cjeline koje se šalju u nizu, slijedno. Kako cjelokupni Internet počiva na TCP/IP modelu, koji se neprestano razvija i nadopunjuje, navedeni je tema zasebnog poglavlja 7.4.3. OSI model, teoretski je model koji služi proizvođačima kao vodilja u izradi računalne opreme i programske potpore radi očuvanja međusobne kompatibilnosti. Preko njega objašnjavaju se i razvijaju svi realni modeli.