Транспортный уровень

Уровень моделей OSI и TCP/IP, обеспечивающий услуги связи между хостами для приложений.

Транспортный уровень в стеке протоколов Интернета.

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 семантика транспортного уровня набора протоколов Интернета , ^[1] который является основой Интернета , и модели 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] , тогда 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 легче 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 отправителю сообщение ACK или NACK . 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/SPX NetWare , AppleTalk и Fibre Channel .

• ATP, протокол транзакций AppleTalk
• CUDP, циклический UDP ^[9]
• DCCP, протокол управления перегрузкой дейтаграмм
• FCP, протокол Fibre Channel
• ИЛ, ИЛ-протокол
• MPTCP, многопутевой TCP
• NORM, надежная многоадресная рассылка, ориентированная на NACK
• RDP, надежный протокол передачи данных
• RUDP, надежный протокол пользовательских датаграмм
• SCTP, протокол передачи управления потоком
• SPX, последовательный обмен пакетами
• SST, структурированная потоковая транспортировка
• TCP, протокол управления передачей
• UDP, протокол пользовательских датаграмм
• UDP-Lite
• µTP, микротранспортный протокол

Сравнение протоколов транспортного уровня Интернета

1. RUDP официально не стандартизирован. С 1999 года не было никаких разработок, связанных со стандартами.
2. Исключая заголовки блоков данных и служебные фрагменты. Без встроенных фрагментов пакет SCTP практически бесполезен.
3. 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]

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

Рекомендации

1. 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. Обновлен RFC 1349, 4379, 5884, 6093, 6298, 6633, 6864, 8029 и 9293.
2. «Представляем набор интернет-протоколов». Руководство системного администратора, Том 3 .
3. «X.225: Информационные технологии - Взаимодействие 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.
6. Папастерджиу и др. 2017, с. 620-621.
7. Папастерджиу и др. 2017, с. 623-624.
8. Корбет 2018.
9. Брайан К. Смит, Cyclic-UDP: протокол Best Effort, основанный на приоритетах (PDF) , получено 23 февраля 2020 г.
10. «Рекомендация ITU-T X.224 (11/1995) ISO/IEC 8073» . Itu.int . Проверено 17 января 2017 г.
11. «Рекомендация ITU-T 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 окостенения протокола». 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. doi : 10.1109/COMST.2016.2626780. hdl : 2164/8317 . S2CID  1846371.