Почему в основе интернета лежит ненадежный протокол без соединений?

Шпилевой Владислав Дмитриевич, 521

Научный руководитель: Волканов Дмитрий Юрьевич

План доклада

История развития интернета

• DARPA, первое соединение
• Коммутация каналов
• Коммутация пакетов
• Межсетевое взаимодействие

Internep Protocol

• Разбиение на пакеты
• Ненадежность
• Выводы

Сетевые модели

• OSI
• TCP/IP
• Взаимодействие уровней

DARPA, первое соединение

• 1962г. - работа Джозефа Карла Робнетта Ликлайдера "Галактическая сеть" [1].

• 1965г. - Томас Меррилл и Лоуренс Робертс, первое междугороднее соединение, программа DARPA [1].

dial up

Результаты: соединение возможно, но телефонная линия и коммутация каналов подходят плохо.

1. Leiner B. M. et al. A brief history of the Internet //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. – 2009. – Т. 39. – No. 5. – С. 22-31

Коммутация каналов

• Нужна установка соединения
• Соединение занимает канальную емкость даже без передачи данных
• Использовалась в ранних телефонных сетях

Коммутация пакетов

• Разбивка на пакеты
• Каждый пакет по своему маршруту

Как работает?

• Альтернатива канальной коммутации
• Масштабируемость сети

Мотивация

Масштабируемость

• Разработка военных - нужно работать даже при ядерной войне [2]
• Простое расширение сети, автоматизация

Межсетевое взаимодействие

ARPANET, ARPA Radio

NPL, CYCLADES

До 1977г. - каждый провайдер создает свои протоколы и соглашения:

• сложно создавать новые сети
• сложно взаимодействовать существующим

Сетевые модели: OSI

Open System Interconnection

Приложений

Представления

Сессий

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Уровень:

• Стек протоколов = декомпозиция одной сложной задачи на много простых
• OSI осталась теоретической моделью [4]

4. Forouzan B. A. TCP/IP protocol suite. – McGraw-Hill, Inc., 2002.

Сетевые модели: TCP/IP

Приложений

Транспортный

Сетевой

Канальный

Уровень:

​Отличия от OSI:

• Объединены верхние три уровня и нижние два (иногда нет) [4]
• Используется на практике

4. Forouzan B. A. TCP/IP protocol suite. – McGraw-Hill, Inc., 2002.

Сетевые модели: TCP/IP

Канальный уровень

OSI физический

OSI канальный

+

=

Сетевые модели: TCP/IP

Сетевой уровень

?

Протоколы маршрутизации

• единица информации - датаграммы
• взаимодействие множества узлов сети
• возможны дублирование, потеря пакетов, нарушение порядка доставки

Пример: Internet Protocol (IP)

Сетевые модели: TCP/IP

Транспортный уровень

Сетевые модели: TCP/IP

Уровень приложений

Высокоуровневые протоколы, например:

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
• FTP    (File Transfer Protocol)
• HTTP (Hypertext Transfer Protocol)
• NTP   (Network Time Protocol)

Сетевые модели

Взаимодействие уровней

Правила разбиения [5]:

• Без фанатизма в размножении уровней
• Минимальные зависимости между уровнями
• Сильно разное назначение сервисов = разные уровни
• Похожая функциональность = один уровень
• Абстрактность интерфейсов
• Без "перескока" уровней

5. Zimmermann H. OSI reference model-the ISO model of architecture for open systems interconnection //IEEE Transactions on communications. – 1980. – Т. 28. – No. 4. – С. 425-432.

Сетевые модели

Взаимодействие уровней

Уровень

А

Б

Приложений

Транспортный

Сетевой

Канальный

...

Взаимодействие с тем же

уровнем другого узла сети

• Протокол каждого уровня добавляет заголовок
• Для обработки данных заголовок разбирается

Internet Protocol

Приложений

Транспортный

Сетевой

Канальный

Протокол маршрутизации

IP

• Ранее был объединен с TCP [6]
• Пакетная маршрутизация
• Единица информации - датаграммы
• Без установки соединения
• Без какой-либо надежности доставки

Ключевой протокол модели TCP/IP

6. Cerf V. G., Icahn R. E. A protocol for packet network intercommunication //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. – 2005. – Т. 35. – No. 2. – С. 71-82.

Internet Protocol

Разбиение на пакеты

Каждый пакет идет своим маршрутом

Почему так?

• исторически, IP - для объединения сетей с пакетной коммутацией с помощью шлюзов [7]
• ранее расходы на маршрутизацию не ощущались на скоростях Кбит/с и сетях < 1000 узлов [1]
• объективно, задача доставки и установки соединения с постоянным маршрутом - другой сетевой уровень

Internet Protocol

Ненадежность доставки

Потеря или дублирование, нарушение порядка доставки датаграмм

Почему так?

• объективно, задача надежности доставки и доставки вообще - разные сетевые уровни. Пример: DCCP, UDP, RSVP [8]
• объективно, существуют накладные расходы на обеспечение надежности
• исторически, IP - "спасение" от канальной коммутации, отсутствие "дорогих" соединений

Internet Protocol

Выводы

• Часть причин ненадежности и отсутствия соединений объективна, а часть сложилась исторически
• Модификация протокола, работающего на миллиардах устройств, является чрезвычайно сложным и долгим процессом
• Недостатки IP преодолевают более высокоуровневыми протоколами и технологиями (SDN, MPLS, QoS, Traffic Engineering ...)