Транспортный уровень

В компьютерных сетях транспортный уровень представляет собой концептуальное разделение методов многоуровневой архитектуры протоколов сетевого стека в наборе протоколов Интернета и модели OSI . Протоколы этого уровня предоставляют приложениям услуги сквозной связи. ^{[ 1 ]}^: §1.1.3 Он предоставляет такие услуги, как связь с установлением соединения , надежность , управление потоком и мультиплексирование .

Детали реализации и семантики транспортного уровня набора протоколов Интернета , ^{[ 1 ]} которая является основой Интернета , и модель общей сети OSI различны. Все протоколы, используемые сегодня на этом уровне Интернета, возникли в результате развития TCP/IP. В модели OSI транспортный уровень часто называют уровнем 4 или L4 . ^{[ 2 ]} в то время как нумерованные уровни не используются в TCP/IP.

Самый известный транспортный протокол из набора протоколов Интернета — это протокол управления передачей (TCP). Он используется для передач с установлением соединения, тогда как протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) без установления соединения используется для более простых передач сообщений. TCP является более сложным протоколом из-за его конструкции с отслеживанием состояния, включающей надежные службы передачи и потока данных. Вместе TCP и UDP составляют практически весь трафик в Интернете и являются единственными протоколами, реализованными во всех основных операционных системах. Дополнительные протоколы транспортного уровня, которые были определены и реализованы, включают протокол управления перегрузкой дейтаграмм (DCCP) и протокол передачи управления потоком (SCTP).

Услуги

Услуги транспортного уровня передаются приложению через программный интерфейс протоколов транспортного уровня. Услуги могут включать в себя следующие функции: ^{[ 4 ]}

Связь, ориентированная на соединение : ^{[ 5 ]} Обычно приложению проще интерпретировать соединение как поток данных , чем иметь дело с базовыми моделями без установления соединения, такими как модель дейтаграмм протокола пользовательских дейтаграмм (UDP) и интернет-протокола (IP).
Доставка в том же порядке. Сетевой уровень обычно не гарантирует, что пакеты данных будут доставлены в том же порядке, в котором они были отправлены, но часто это желательная функция. Обычно это делается с помощью нумерации сегментов, при этом получатель передает их приложению по порядку. Это может привести к блокировке начала строки .
Надежность : пакеты могут быть потеряны во время транспортировки из-за перегрузки сети и ошибок. С помощью кода обнаружения ошибок , такого как контрольная сумма , транспортный протокол может проверить, что данные не повреждены, и проверить правильность получения, отправив ACK или NACK отправителю сообщение . Схемы автоматического повторного запроса могут использоваться для повторной передачи потерянных или поврежденных данных.
Управление потоком : иногда необходимо управлять скоростью передачи данных между двумя узлами, чтобы не допустить, чтобы быстрый отправитель передавал больше данных, чем может поддерживать принимающий буфер данных , что приводит к переполнению буфера. Это также можно использовать для повышения эффективности за счет уменьшения опустошения буфера .
Предотвращение перегрузки : контроль перегрузки может контролировать вход трафика в телекоммуникационную сеть, чтобы избежать коллапса перегрузки , пытаясь избежать переподписки на любые возможности обработки или связи промежуточных узлов и сетей и предпринимая шаги по сокращению ресурсов, такие как снижение скорости. отправки пакетов . Например, автоматические повторные запросы могут привести к перегрузке сети; этой ситуации можно избежать, добавив к управлению потоком функцию предотвращения перегрузок, включая медленный старт . Это сохраняет потребление полосы пропускания на низком уровне в начале передачи или после повторной передачи пакета.
Мультиплексирование : порты могут предоставлять несколько конечных точек на одном узле. Например, имя почтового адреса представляет собой своего рода мультиплексирование и различает разных получателей из одного и того же места. Каждое компьютерное приложение будет прослушивать информацию на своих собственных портах, что позволяет использовать более одной сетевой службы одновременно. Это часть транспортного уровня в модели TCP/IP и сеансового уровня в модели OSI.

Анализ

Транспортный уровень отвечает за доставку данных соответствующему процессу приложения на хост-компьютерах. Это предполагает статистическое мультиплексирование данных из различных прикладных процессов, т.е. формирование сегментов данных и добавление номеров портов источника и назначения в заголовок каждого сегмента данных транспортного уровня. Вместе с IP-адресами источника и назначения номера портов составляют сетевой сокет , т. е. идентификационный адрес связи между процессами. В модели OSI эта функция поддерживается сеансовым уровнем .

Некоторые протоколы транспортного уровня, например TCP, но не UDP, поддерживают виртуальные каналы , т. е. обеспечивают связь с установлением соединения через базовую пакетно-ориентированную дейтаграммную сеть. Поток байтов доставляется, скрывая связь в пакетном режиме для процессов приложения. Это включает в себя установление соединения, разделение потока данных на пакеты, называемые сегментами, нумерацию сегментов и переупорядочение неупорядоченных данных.

Наконец, некоторые протоколы транспортного уровня, например TCP, но не UDP, обеспечивают сквозную надежную связь, т. е. восстановление ошибок с помощью кода обнаружения ошибок и протокола автоматического запроса повторения (ARQ). Протокол ARQ также обеспечивает управление потоком , которое может сочетаться с предотвращением перегрузок .

UDP — очень простой протокол, не обеспечивающий ни виртуальных каналов, ни надежной связи, делегируя эти функции прикладной программе . Пакеты UDP называются датаграммами , а не сегментами.

TCP используется для многих протоколов, включая просмотр веб-страниц HTTP и передачу электронной почты. UDP может использоваться для многоадресной и широковещательной рассылки , поскольку повторная передача на большое количество хостов невозможна. UDP обычно обеспечивает более высокую пропускную способность и меньшую задержку и поэтому часто используется для мультимедийной связи в реальном времени, где иногда возможна потеря пакетов, например IP-телевидение и IP-телефония, а также для компьютерных онлайн-игр.

Многие сети, не основанные на IP, такие как X.25 , Frame Relay и ATM , реализуют связь, ориентированную на соединение, на уровне сети или канала передачи данных, а не на транспортном уровне. В X.25 в модемах телефонных сетей и в системах беспроводной связи надежная связь между узлами реализована на нижних уровнях протокола.

Спецификация протокола транспортного уровня режима соединения OSI определяет пять классов транспортных протоколов: от TP0 , обеспечивающего наименьшее восстановление ошибок, до TP4 , который предназначен для менее надежных сетей.

Из-за окостенения протоколов TCP и UDP являются единственными широко используемыми транспортными протоколами в Интернете. ^{[ 6 ]} Чтобы избежать непереносимости промежуточного блока , новые транспортные протоколы могут имитировать проводной образ допустимого протокола или быть инкапсулированы в UDP, принимая некоторые накладные расходы (например, из-за того, что внешние контрольные суммы становятся избыточными в результате внутренних проверок целостности). ^{[ 7 ]} QUIC использует последний подход, восстанавливая надежную потоковую передачу поверх UDP. ^{[ 8 ]}

Протоколы

В этом списке показаны некоторые протоколы, которые обычно размещаются на транспортных уровнях набора протоколов Интернета , набора протоколов OSI IPX NetWare , /SPX , AppleTalk и Fibre Channel .

Сравнение протоколов транспортного уровня Интернета

Особенность	UDP	UDP-Lite	TCP	Многопутевой TCP	SCTP	DCCP	РУДП ^{[ а ]}
Размер заголовка пакета	8 байт	8 байт	20–60 байт	50–90 байт	12 байт ^{[ б ]}	12 или 16 байт	14+ байт
Типичные издержки пакета данных	8 байт	8 байт	20 байт	?? байты	44–48+ байт ^{[ с ]}	12 или 16 байт	14 байт
Объект пакета транспортного уровня	Датаграмма	Датаграмма	Сегмент	Сегмент	Датаграмма	Датаграмма	Датаграмма
Ориентированный на соединение	Нет	Нет	Да	Да	Да	Да	Да
Надежный транспорт	Нет	Нет	Да	Да	Да	Нет	Да
Ненадежный транспорт	Да	Да	Нет	Нет	Да	Да	Да
Сохранять границы сообщения	Да	Да	Нет	Нет	Да	Да	Да
Доставка	Неупорядоченный	Неупорядоченный	Заказал	Заказал	Заказанный/Неупорядоченный	Неупорядоченный	Неупорядоченный
данных Контрольная сумма	Необязательный	Да	Да	Да	Да	Да	Необязательный
Размер контрольной суммы	16 бит	16 бит	16 бит	16 бит	32 бита	16 бит	16 бит
Частичная контрольная сумма	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Путь ЧЕЛОВЕК	Нет	Нет	Да	Да	Да	Да	?
Управление потоком	Нет	Нет	Да	Да	Да	Нет	Да
Контроль перегрузок	Нет	Нет	Да	Да	Да	Да	?
Явное уведомление о перегрузке	Нет	Нет	Да	Да	Да	Да	?
Несколько потоков	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет	Нет
Множественная адресация	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет	Нет
Объединение / Нэгл	Нет	Нет	Да	Да	Да	Нет	?

^ RUDP официально не стандартизирован. С 1999 года не было никаких разработок, связанных со стандартами.
^ Исключая заголовки блоков данных и служебные фрагменты. Без встроенных фрагментов пакет SCTP практически бесполезен.
^ Подсчитывается следующим образом: 12 байт заголовка SCTP + 16 байт заголовка фрагмента DATA или 20 байт заголовка фрагмента I-DATA + 16+ байт фрагмента SACK. Дополнительные фрагменты, не относящиеся к данным (например, AUTH), и/или заголовки для дополнительных фрагментов данных, которые могут легко увеличить накладные расходы на 50 или более байт, не учитываются.

Сравнение транспортных протоколов OSI

Рекомендация ISO/IEC 8073/ITU-T X.224 «Информационные технологии — Взаимодействие открытых систем — Протокол для предоставления транспортных услуг в режиме соединения» определяет пять классов транспортных протоколов в режиме соединения, обозначенных от класса 0 (TP0) до класса 4. (ТП4). Класс 0 не содержит восстановления после ошибок и был разработан для использования на сетевых уровнях, обеспечивающих безошибочные соединения. Класс 4 наиболее близок к TCP, хотя TCP содержит такие функции, как плавное закрытие, которые OSI назначает сеансовому уровню. Все классы протоколов режима соединения OSI обеспечивают ускоренную передачу данных и сохранение границ записей. Подробные характеристики классов приведены в следующей таблице: ^{[ 10 ]}

Услуга	ТП0	ТП1	ТП2	ТП3	ТП4
Сеть, ориентированная на соединение	Да	Да	Да	Да	Да
Сеть без установления соединения	Нет	Нет	Нет	Нет	Да
Конкатенация и разделение	Нет	Да	Да	Да	Да
Сегментация и повторная сборка	Да	Да	Да	Да	Да
Восстановление ошибок	Нет	Да	Нет	Да	Да
чрезмерное количество PDU Повторно инициировать соединение (если не подтверждено )	Нет	Да	Нет	Да	Нет
Мультиплексирование и демультиплексирование в одном виртуальном канале	Нет	Нет	Да	Да	Да
Явное управление потоком	Нет	Нет	Да	Да	Да
Повторная передача по тайм-ауту	Нет	Нет	Нет	Нет	Да
Надежный транспортный сервис	Нет	Да	Нет	Да	Да

Существует также транспортный протокол без установления соединения, указанный в Рекомендации ISO/IEC 8602/ITU-T X.234. ^{[ 11 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Р. Брейден , изд. (октябрь 1989 г.). Требования к интернет-хостам – коммуникационные уровни . Сетевая рабочая группа. дои : 10.17487/RFC1122 . СТД 3. RFC 1122 . Интернет-стандарт 3. Обновлено RFC 1349 , 4379 , 5884 , 6093 , 6298 , 6633 , 6864 , 8029 и 9293 .
^ «Представляем пакет интернет-протоколов» . Руководство системного администратора, Том 3 .
^ «X.225: Информационные технологии – Взаимосвязь открытых систем – Протокол сеанса, ориентированный на соединение: Спецификация протокола» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2021 года . Проверено 10 марта 2023 г.
^ «Транспортный уровень» (PDF) . Университет Галготии .
^ Хина, Кера. «Передача данных и сети» (PDF) . Университет Галготии . п. 9.
^ Папастерджиу и др. 2017 , с. 620-621.
^ Папастерджиу и др. 2017 , с. 623-624.
^ Корбет 2018 .
^ Брайан К. Смит, Cyclic-UDP: протокол Best Effort, управляемый приоритетами (PDF) , получено 23 февраля 2020 г.
^ «Рекомендация МСЭ-Т X.224 (11/1995) ISO/IEC 8073» . Itu.int . Проверено 17 января 2017 г.
^ «Рекомендация МСЭ-Т X.234 (07/1994) ISO/IEC 8602» . Itu.int . Проверено 17 января 2017 г.

Библиография

Корбет, Джонатан (29 января 2018 г.). «QUIC как решение проблемы закостенения протоколов» . LWN.net .
Папастергиу, Гиоргос; Фэрхерст, Горри; Рос, Дэвид; Брунстрем, Анна; Гриннемо, Карл-Йохан; Хуртиг, Пер; Хадеми, Наим; Тюксен, Майкл; Вельцль, Майкл; Дамьянович, Драгана; Манджианте, Симона (2017). «Де-окостенение транспортного уровня Интернета: обзор и перспективы на будущее». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 19 : 619–639. дои : 10.1109/COMST.2016.2626780 . hdl : 2164/8317 . S2CID 1846371 .

[10] RUDP официально не стандартизирован. С 1999 года не было никаких разработок, связанных со стандартами.

[11] Исключая заголовки блоков данных и служебные фрагменты. Без встроенных фрагментов пакет SCTP практически бесполезен.

[12] Подсчитывается следующим образом: 12 байт заголовка SCTP + 16 байт заголовка фрагмента DATA или 20 байт заголовка фрагмента I-DATA + 16+ байт фрагмента SACK. Дополнительные фрагменты, не относящиеся к данным (например, AUTH), и/или заголовки для дополнительных фрагментов данных, которые могут легко увеличить накладные расходы на 50 или более байт, не учитываются.

[rfc1122-1] Перейти обратно: ^а ^б Р. Брейден , изд. (октябрь 1989 г.). Требования к интернет-хостам – коммуникационные уровни . Сетевая рабочая группа. дои : 10.17487/RFC1122 . СТД 3. RFC 1122 . Интернет-стандарт 3. Обновлено RFC 1349 , 4379 , 5884 , 6093 , 6298 , 6633 , 6864 , 8029 и 9293 .

[2] «Представляем пакет интернет-протоколов» . Руководство системного администратора, Том 3 .

[3] «X.225: Информационные технологии – Взаимосвязь открытых систем – Протокол сеанса, ориентированный на соединение: Спецификация протокола» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2021 года . Проверено 10 марта 2023 г.

[4] «Транспортный уровень» (PDF) . Университет Галготии .

[5] Хина, Кера. «Передача данных и сети» (PDF) . Университет Галготии . п. 9.

[FOOTNOTEPapastergiouFairhurstRosBrunstrom2017620-621-6] Папастерджиу и др. 2017 , с. 620-621.

[FOOTNOTEPapastergiouFairhurstRosBrunstrom2017623-624-7] Папастерджиу и др. 2017 , с. 623-624.

[FOOTNOTECorbet2018-8] Корбет 2018 .

[9] Брайан К. Смит, Cyclic-UDP: протокол Best Effort, управляемый приоритетами (PDF) , получено 23 февраля 2020 г.

[13] «Рекомендация МСЭ-Т X.224 (11/1995) ISO/IEC 8073» . Itu.int . Проверено 17 января 2017 г.

[14] «Рекомендация МСЭ-Т X.234 (07/1994) ISO/IEC 8602» . Itu.int . Проверено 17 января 2017 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[3]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ а ]

[ б ]

[ с ]

[ 10 ]

[ 11 ]