Коммуникационные протоколы вычислительных сетей. Стеки коммуникационных протоколов
Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях - физическом и канальном, - используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet , Token Ring , FDDI и ряд других, которые позволяют задействовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.
Стек OSI
Следует четко различать модель OSI и стек OSI . Если модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем , то стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов.
В отличие от других стеков протоколов, стек OSI полностью соответствует модели OSI , он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring , FDDI , протоколы глобальных сетей, X.25 и ISDN , - то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы X.500, электронной почты X.400 и ряд других.
Протоколы стека OSI отличаются сложностью и неоднозначностью спецификаций . Эти свойства стали результатом общей политики разработчиков стека, стремившихся учесть в своих протоколах все случаи и все существующие технологии. К этому нужно еще добавить и последствия большого количества политических компромиссов, неизбежных при принятии международных стандартов по такому злободневному вопросу, как построение открытых вычислительных сетей.
Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их наиболее подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.
Стек OSI - независимый от производителей международный стандарт . Его поддерживает правительство США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны или непосредственно поддерживать стек OSI , или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Тем не менее, стек OSI более популярен в Европе, чем в США, так как в Европе осталось меньше старых сетей, работающих по собственным протоколам. Большинство организаций пока только планируют переход к стеку OSI , и очень немногие приступили к созданию пилотных проектов. Из тех, что работают в этом направлении, можно назвать Военно-морское ведомство США и сеть NFSNET. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI , является компания AT&T, ее сеть Stargroup полностью базируется на этом стеке.
Стек TCP/IP
Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP , который получил свое название от популярных протоколов IP и TCP, внесли специалисты из университета Беркли, реализовавшие протоколы стека в версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном количестве корпоративных сетей.
Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring , FDDI , для глобальных - протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, PPP, протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN .
Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. Эти протоколы в терминологии модели OSI относятся к сетевому и транспортному уровням, соответственно. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надежность его доставки.
За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные протоколы, как протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы службы WWW и многие другие.
Сегодня стек TCP/IP представляет собой один из самых распространенных стеков транспортных протоколов вычислительных сетей.
Действительно, только в сети Internet объединено около 10 миллионов компьютеров по всему миру, которые взаимодействуют друг с другом с помощью стека протоколов TCP/IP .
Стремительный рост популярности Internet привел и к изменениям в расстановке сил в мире коммуникационных протоколов - протоколы TCP/IP , на которых построен Internet, стали быстро теснить бесспорного лидера прошлых лет - стек IPX/SPX компании Novell. Сегодня в мире общее количество компьютеров, на которых установлен стек TCP/IP , превысило количество компьютеров, на которых работает стек IPX/SPX , и это говорит об изменении отношения администраторов локальных сетей к протоколам, используемым на настольных компьютерах, так как именно на них раньше почти везде работали протоколы компании Novell, необходимые для доступа к файловым серверам NetWare . Процесс продвижения стека TCP/IP на лидирующие позиции в любых типах сетей продолжается, и сейчас в комплекте поставки любой промышленной операционной системы обязательно имеется программная реализация этого стека.
Хотя протоколы TCP/IP неразрывно связаны с Internet, и каждый из многомиллионной армады компьютеров Internet работает на основе этого стека, существует большое количество локальных, корпоративных и территориальных сетей, непосредственно не являющихся частями Internet, в которых также используются протоколы TCP/IP . Чтобы отличать эти сети от Internet, их называют сетями TCP/IP или просто IP-сетями.
Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Internet, он имеет много особенностей, которые обеспечивают ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, благодаря которому этот протокол может применяться в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, сложная составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в другую, с меньшей максимальной длиной, может возникнуть необходимость разделения передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.
Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая более просто по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включать в интерсеть (объединенную или составную сеть) сети других технологий. Это свойство также способствует применению стека TCP/IP для построения больших гетерогенных сетей.
В стеке TCP/IP очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство просто необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.
Однако платой за преимущества здесь оказываются высокие требования к ресурсам и сложность администрирования IP-сетей. Для реализации мощных функциональных возможностей протоколов стека TCP/IP требуются большие вычислительные затраты. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети различных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п. Каждая из этих служб упрощает администрирование сети и конфигурирование оборудования, но в то же время сама требует пристального внимания со стороны администраторов.
Можно приводить и другие доводы за и против, однако факт остается фактом - сегодня TCP/IP самый популярный стек протоколов , широко используемый как в глобальных, так и в локальных сетях.
Стек IPX/SPX
Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80-х годов. Протоколы сетевого и сеансового уровней Internetwork Packet Exchange ( IPX и Sequenced Packet Exchange, SPX ), которые дали название стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо меньшей степени, чем стек IPX/SPX .
Популярность стека IPX/SPX непосредственно связана с операционной системой Novell NetWare , которая долгое время сохраняла мировое лидерство по числу установленных систем, хотя в последнее время ее популярность намного снизилась, и по темпам роста она заметно отстает от Microsoft Windows NT.
Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Понятно, что для таких компьютеров компании Novell нужны были протоколы, на реализацию которых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти (ограниченной в IBM-совместимых компьютерах под управлением MS-DOS объемом 640 Кбайт) и которые быстро работали бы на процессорах небольшой вычислительной мощности. В результате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень - в больших корпоративных сетях, так как они слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между клиентами и серверами). Это обстоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell, и на его реализацию нужно получать лицензию (то есть открытые спецификации не поддерживались), долгое время ограничивали его поле деятельности только сетями
Стеки протоколов
Стек протоколов - это иерархически организованный набор сетевых протоколов различных уровней, достаточный для организации и обеспечения взаимодействия узлов в сети. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, Novell NetWare, DECnet, XNS, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA, на нижних уровнях - физическом и канальном - используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethemet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.
Все протоколы, входящие в стек, разработаны одним производителем, то есть они способны работать максимально быстро и эффективно.
Важным моментом в функционировании сетевого оборудования, в частности сетевого адаптера, является привязка протоколов. Она позволяет использовать разные стеки протоколов при обслуживании одного сетевого адаптера. Например, можно одновременно использовать стеки TCP/IP и IPX/SPX. Если вдруг при попытке установления связи с адресатом с помощью первого стека произошла ошибка, то автоматически произойдёт переключение на использование протокола из следующего стека. Важным моментом в данном случае является очередность привязки, поскольку она однозначно влияет на использование того или иного протокола из разных стеков.
Вне зависимости от того, какое количество сетевых адаптеров установлено в компьютере, привязка может осуществляться как «один к нескольким», так и «несколько к одному», то есть один стек протоколов можно привязать сразу к нескольким адаптерам или несколько стеков к одному адаптеру.
NetWare - сетевая операционная система и набор сетевых протоколов, которые используются в этой системе для взаимодействия с компьютерами-клиентами, подключёнными к сети. В основе сетевых протоколов системы лежит стек протоколов XNS. В настоящее время NetWare поддерживает протоколы TCP/IP и IPX/SPX. Novell NetWare была популярна в 80-е и 90-е года по причине большей эффективности в сравнении с операционными системами общего назначения. Ныне это устаревшая технология.
Стек протоколов XNS (Xerox Network Services Internet Transport Protocol) разработан компанией Xerox для передачи данных по сетям Ethernet. Содержит 5 уровней.
Уровень 1 - среда передачи - реализует функции физического и канального уровня в OSI-модели:
* управляет обменом данными между устройством и сетью;
* маршрутизирует данные между устройствами одной сети.
Уровень 2 - межсетевой - соответствует сетевому уровню в OSI- модели:
* управляет обменом данными между устройствами, находящимися в разных сетях (обеспечивает дейтаграммный сервис в терминах IEEE- модели) ;
* описывает способ прохождения данных через сеть.
Уровень 3 - транспортный - соответствует транспортному уровню в OSI-модели:
* обеспечивает связь "end-to-end" между источником и приемником данных.
Уровень 4 - контрольный - соответствует сессионному и представительному уровню в OSI-модели:
* управляет представлением данных;
* управляет контролем над ресурсами устройств.
Уровень 5 - прикладной - соответствует высшим уровням в OSI- модели:
* обеспечивает функции обработки данных для прикладных задач.
Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) на сегодня является наиболее распространенным и функциональным. Он работает в локальных сетях любых масштабов. Данный стек является основным стеком в глобальной сети Интернет. Поддержка стека была реализована в компьютерах c операционной системой UNIX. В результате популярность протокола TCP/IP возросла. В стек протоколов TCP/IP входит достаточно много протоколов, работающих на различных уровнях, но свое название он получил благодаря двум протоколам - TCP и IP.
TCP (Transmission Control Protocol) - транспортный протокол, предназначенный для управлением передачей данных в сетях, использующих стек протоколов TCP/ IP. IP (Internet Protocol) - протокол сетевого уровня, предназначенный для доставки данных в составной сети с использованием одного из транспортных протоколов, например TCP или UDP.
Нижний уровень стека TCP/IP использует стандартные протоколы передачи данных, что делает возможным его применение в сетях с использованием любых сетевых технологий и на компьютерах с любой операционной системой.
Изначально протокол TCP/IP разрабатывался для применения в глобальных сетях, именно поэтому он является максимально гибким. В частности, благодаря способности фрагментации пакетов данные, несмотря на качество канала связи, в любом случае доходят до адресата. Кроме того, благодаря наличию IP-протокола становится возможной передача данных между разнородными сегментами сети.
Недостатком TCP/IP-протокола является сложность администрирования сети. Так, для нормального функционирования сети требуется наличие дополнительных серверов, например DNS, DHCP и т. д., поддержание работы которых и занимает большую часть времени системного администратора. Лимончелли Т., Хоган К., Чейлап С. - Сестемное и сетевое администрирование. 2-е изд. 2009год. 944с
Стек протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange) является разработкой и собственностью компании Novell. Он был разработан для нужд операционной системы Novell NetWare, которая еще до недавнего времени занимала одну из лидирующих позиций среди серверных операционных систем.
Протоколы IPX и SPX работают на сетевом и транспортном уровнях модели ISO/ OSI соответственно, поэтому отлично дополняют друг друга.
Протокол IPX может передавать данные с помощью датаграмм, используя для этого информацию о маршрутизации в сети. Однако для того, чтобы передать данные по найденному маршруту, необходимо сначала установить соединение между отправителем и получателем. Этим и занимается протокол SPX или любой другой транспортный протокол, работающий в паре с IPX.
К сожалению, стек протоколов IPX/SPX изначально ориентирован на обслуживание сетей небольшого размера, поэтому в больших сетях его использование малоэффективно: излишнее использование широковещательного вещания на низкоскоростных линиях связи недопустимо.
На физическом и канальном уровнях стек OSI поддерживает протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, а также протоколы LLC, X.25 и ISDN, то есть использует все разработанные вне стека популярные протоколы нижних уровней, как и большинство других стеков. Сетевой уровень включает сравнительно редко используемые протоколы Connectionoriented Network Protocol (CONP) и Connectionless Network Protocol (CLNP). Протоколы маршрутизации стека OSI это ES-IS (End System -- Intermediate System) между конечной и промежуточной системами и IS-IS (Intermediate System -- Intermediate System) между промежуточными системами. Транспортный уровень стека OSI скрывает различия между сетевыми сервисами с установлением соединения и без установления соединения, так что пользователи получают требуемое качество обслуживания независимо от нижележащего сетевого уровня. Чтобы обеспечить это, транспортный уровень требует, чтобы пользователь задал нужное качество обслуживания. Службы прикладного уровня обеспечивают передачу файлов, эмуляцию терминала, службу каталогов и почту. Из них наиболее популярными являются служба каталогов (стандарт Х.500), электронная почта (Х.400), протокол виртуального терминала (VTP), протокол передачи, доступа и управления файлами (FTAM), протокол пересылки и управления работами (JTM).
Достаточно популярный стек протоколов, разработкой которого занимались компании IBM и Microsoft, соответственно, ориентированный на использование в продуктах этих компаний. Как и у TCP/IP, на физическом и канальном уровне стека NetBIOS/SMB работают стандартные протоколы, такие как Ethernet, Token Ring и другие, что делает возможным его использование в паре с любым активным сетевым оборудованием. На верхних же уровнях работают протоколы NetBIOS (Network Basic Input/Output System) и SMB (Server Message Block).
Протокол NetBIOS был разработан в середине 80-х годов прошлого века, но вскоре был заменен на более функциональный протокол NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), позволяющий организовать очень эффективный обмен информацией в сетях, состоящих не более чем из 200 компьютеров.
Для обмена данными между компьютерами используются логические имена, присваиваемые компьютерам динамически при их подключении к сети. При этом таблица имен распространяется на каждый компьютер сети. Поддерживается также работа с групповыми именами, что позволяет передавать данные сразу нескольким адресатам.
Главные плюсы протокола NetBEUI - скорость работы и очень малые требования к ресурсам. Если требуется организовать быстрый обмен данными в небольшой сети, состоящей из одного сегмента, лучшего протокола для этого не найти. Кроме того, для доставки сообщений установленное соединение не является обязательным требованием: в случае отсутствия соединения протокол использует датаграммный метод, когда сообщение снабжается адресом получателя и отправителя и «пускается в путь», переходя от одного компьютера к другому.
Однако NetBEUI обладает и существенным недостатком: он полностью лишен понятия о маршрутизации пакетов, поэтому его использование в сложных составных сетях не имеет смысла. Пятибратов А.П.,Гудыно Л.П.,Кириченко А.А.Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Москва 2009год. 292с
Что касается протокола SMB (Server Message Block), то с его помощью организуется работа сети на трех самых высоких уровнях - сеансовом, уровне представления и прикладном уровне. Именно при его использовании становится возможным доступ к файлам, принтерам и другим ресурсам сети. Данный протокол несколько раз был усовершенствован (вышло три его версии), что позволило применять его даже в таких современных операционных системах, как Microsoft Vista и Windows 7. Протокол SMB универсален и может работать в паре практически с любым транспортным протоколом, например TCP/IP и SPX.
Стек протоколов DECnet (Digital Equipment Corporation net) содержит 7 уровней. Несмотря на разницу в терминологии, уровни DECnet очень похожи на уровни OSI-модели. DECnet реализует концепцию сетевой архитектуры DNA (Digital Network Architecture), разработанную фирмой DEC, согласно которой разнородные вычислительные системы (ЭВМ разных классов), функционирующие под управлением различных операционных систем, могут быть объединены в территориально-распределенные информационно-вычислительные сети.
Протокол SNA (System Network Architecture) компании IBM предназначен для удаленной связи с большими компьютерами и содержит 7 уровней. SNA основана на концепции главной (хост) -машины и обеспечивает доступ удаленных терминалов к мейнфреймам IBM. Основной отличительной чертой SNA является наличие возможности доступа каждого терминала к любой прикладной программе главной ЭВМ. Системная сетевая архитектура реализована на базе виртуального телекоммуникационного метода доступа (Virtual Telecommunication Access Method - VTAM) в главной ЭВМ. VTAM управляет всеми линиями связи и терминалами, причем каждый терминал имеет доступ ко всем прикладным программам.
В лекции рассмотрены: коммуникационные протоколы; уровни организации сетей согласно модели ISO; протокол TCP/IP; протокол GPRS; беспроводные сети, протоколы IEEE 802.11x (Wi-Fi); мгновенные сообщения (Instant Messaging and Presence); обнаружение ошибок в сетях и реконфигурация сетей; задачи проектирования сетей.
Упражнения
Темы для курсовых работ, рефератов, эссе
Введение
Протоколы коммуникации
Сети Ethernet
Протокол TCP/IP
Устойчивость сетей к ошибкам – обнаружение ошибок и реконфигурация сетей
Проектирование сетей
Функционирование Ethernet-сетей
Некоторые современные сетевые протоколы
Семейство протоколов Wi-Fi (IEEE 802.11x)
Обмен мгновенными сообщениями (Instant Messaging and Presence)
Ключевые термины
Краткие итоги
Набор для практики
Введение
Самое основное в использовании сетей и сетевых технологий – сетевые протоколы, которым и посвящена данная лекция. В ней рассмотрены следующие вопросы:
Протоколы коммуникации
Устойчивость сетей
Стратегии проектирования сетей.
Протоколы коммуникации
Модель ISO. Сетевой протокол – это набор команд (операций) для взаимодействия узлов в сети. Ввиду сложности организации сетей, используемая модель сетевых протоколов содержит большое число уровней абстракции.
Согласно стандарту коммуникационной модели ISO, коммуникационная сеть подразделяется на следующие основные уровни (layers):
Физический уровень (physical layer) – механические и электрические устройства для передачи сигналов. Самый нижний уровень сетевой коммуникации. Включает сетевое оборудование - сетевые кабели, разъемы, концентраторы и т.д.
Уровень (связывания) данных (Data link layer) – обрабатывает фреймы (frames), или части пакетов фиксированной длины, включая обнаружение ошибок и восстановление после ошибок на физическом уровне.
Сетевой уровень (network layer) – обеспечивает соединение и маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети, включая обработку адресов исходящих пакетов, декодирование адресов входящих пакетов и поддержку информации для маршрутизации для соответствующего ответа для изменения уровней загрузки.
Транспортный уровень (transport layer) – отвечает за сетевой доступ нижнего уровня и за передачу сообщений между клиентами, включая разделение сообщений на пакеты, сопровождение порядка пакетов, поток управления и генерацию физических адресов.
Уровень сеанса (session layer) – реализует сеансы (sessions), или протоколы коммуникации между процессами.
Уровень презентаций (presentation layer) – инкапсулирует различие в форматах между различными системами в сети, включая преобразования символов и полудуплексную (дуплексную) связь (эхо-вывод).
Уровень приложений (application layer) – самый высокий уровень модели сетевых протоколов. Взаимодействует непосредственно с запросами на передачу файлов пользовательского уровня, протоколами удаленных входов и передачи электронной почты, а также со схемами распределенных баз данных.
Схема уровней сетевой коммуникации представлена на рис. 23.1 .
Рис. 23.1. Многоуровневая модель коммуникации ISO.
На рис. 23.2 представлено содержание уровней сетевой коммуникации.
Рис. 23.2. Уровни сетевых протоколов (ISO).
На рис. 23.3 изображена структура сетевого сообщения, согласно модели ISO.
Рис. 23.3. Структура сетевого сообщения, согласно модели ISO.
Сообщение имеет заголовки каждого уровня, начиная от уровня связывания данных, затем следует тело сообщения и признак конца сообщения (уровня связывания данных, отвечающего за целостность передачи сообщения). Таким образом, реализация каждого уровня абстракции обрабатывает сообщение, используя заголовок сообщения соответствующего уровня.
Сети Ethernet
Ethernet (стандарт IEEE 802.3) – наиболее распространенный метод организации сетей. Относится к физическому (physical Ethernet) уровню и уровню связывания данных, согласно 8-уровневой модели ISO (п. 23.2). Слово ether по-английски означает эфир .
Основоположник сетей Ethernet – Роберт Меткалф (R. Metcalfe 1973). Он же впоследствии основал фирму 3COM, одну из наиболее известных компаний в области сетевых технологий.
Основные идеи Ethernet - использование коаксиального кабеля (BNC) и 48-битового адреса (MAC-адреса), который присваивается каждому сетевому компьютеру и используется для идентификации источников и получателей пакетов в сетях
Первоначально скорость сетей Ethernet составляла до 3 МБит/с. В настоящее время она увеличилась до 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet ).
В большинстве локальных сетей в качестве кабеля используется витая пара (twisted pair) с разъемами типа RJ 45.
Для соединений используются концентраторы (hubs) с быстродействием 10 МБит/с (10BASE-T) или переключатели (switches) с быстродействием 100 МБит/с (100BASE-T).
Ethernet-адрес каждого компьютера фиксирован, выдается при загрузке операционной системы и может быть также выведен на консоль специальными командами ОС; например, в ОС Solaris – командой banner , которая выводит на экран стартовую информацию ОС, в том числе MAC-адрес компьютера.
Протокол TCP/IP
IP-адреса. TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) – наиболее распространенное семейство протоколов сетевого и транспортного уровня, используемых в Интернете. Основоположники TCP/IP – Роберт Кан (Robert Kahn) и Винтон Серф (Vinton Cerf) -1972 – 1974.
Протокол TCP/IP основан на использовании IP-адресов каждого хоста (компьютера), имеющих вид: a.b.c.d (все четыре числа – в диапазоне от 0 до 255) и обеспечивает пересылку по сети пакетов (packets) фиксированного размера, содержащих адрес получателя и номер пакета в сообщении. TCP/IP -протокол обеспечивает транспорт сетевых пакетов, деление сообщения на пакеты отправителем и сборку сообщения из пакетов получателем. IP-адрес может быть закреплен за компьютером постоянно Интернет-провайдером пользователя компьютера, либо присваивается компьютеру динамически (каждый раз – разный) при выходе в Интернет.
Более общее современное название TCP/IP - Internet Protocol Suite. Различаются более новая версия – IPv6 и более старая – IPv4. В версии IPv6 используется IP-адрес не из четырех, а из 6 чисел.
Протокол TCP/IP – синхронный, т.е. получатель ожидает получения каждого пакета и посылает отправителю подтверждение об этом. Другой вариант Интернет-протокола - UDP/IP (Universal Datagram Protocol / Internet Protocol) – асинхронный транспортный протокол, обеспечивающий обмен датаграммами – байтовыми массивами переменной длины; он считается менее надежным, чем TCP/IP, но работает быстрее, поэтому часто для быстрого обмена сообщениями в сетях предпочитают именно его.
Скорость TCP/IP не всегда удовлетворительна, ввиду огромного числа IP-узлов в Интернете. Для оптимизации связи между узлами сети применяются Distributed Hash Tables (DHT) – распределенные хеш-таблицы . В них собственная система имен узлов сети и более быстрого их поиска, чем с использованием TCP/IP протоколов, работающая "поверх" TCP/IP.
На рис. 23.4 изображены уровни протокола TCP/IP и перечислены основные протоколы прикладного уровня, работающие поверх TCP/IP и UDP/IP, - протокол передачи гипертекста (основа функционирования World Wide Web), протоколы передачи файлов, передачи электронной почты, взаимодействия с удаленным терминалом, управления сетью.
Рис. 23.4. Уровни протокола TCP/IP.
Устойчивость сетей к ошибкам – обнаружение ошибок и реконфигурация сетей
Обнаружение ошибок сетевой аппаратуры достаточно сложно. Для обнаружение ошибки связи может быть использован протокол "рукопожатия" (handshake) – обмена сообщениями о каждом выполненном действии (посланном и принятом сообщении). Предположим, что система A и система B установили связь. Через фиксированные интервалы времени системы должны обмениваться сообщениями типа "я в порядке" (I-am-up ), указывающими, что они нормально функционируют.
Если система A не получает сообщения через фиксированный интервал, то, по-видимому, либо другая система не работает, либо данное сообщение потеряно.
Система A теперь посылает сообщение вида: "Вы в порядке?" (are-you-up?) системе B.
Если система A не получает ответа, она может повторить сообщение или попробовать альтернативный маршрут к системе B
На практике используется следующий метод обнаружения, работает ли хост с именем hostname , - команда ping :
ping hostname (или: ping A.B.C.D с указанием IP-адреса хоста)
При выполнении этой команды происходит пробный обмен сообщениями фиксированной длины с заданным хостом, трассировка отправки и получения которых выдается на консоль, после чего выдается стандартное сообщение "Host hostname alive" (хост hostname жив). Если этих сообщений нет, видимо, связь с хостом по каким-то причинам потеряна (он перезагружается, либо нарушена связь на физическом уровне, либо произошло отключение электропитания и т.д.).
Если система A не получает обязательного ответа от системы B, она заключает, что имеет место какая-либо ошибка.
Типы ошибок:
Система B не работает
Непосредственная связь между A и B не работает
Альтернативная связь между A и B не работает
Сообщение потеряно.
Однако система A не может точно определить, почему произошла ошибка.
Реконфигурация сети. Когда система A определяет, что произошла ошибка, она должна реконфигурировать систему:
Если связь между A и B отказала, эта информация должна быть доведена до любой машины в сети.
Если имеет место отказ машины, то любая другая машина должна быть также нотифицирована о том, что сервисы, обеспечиваемые отказавшей машиной, более не доступны.
Когда связь или машина становятся доступны снова, данная информация должна также быть сообщена всем машинам в сети.
На практике при перезапуске какого-либо сервера в локальной сети имеется возможность послать всем пользователям сети предупреждение о том, что через минуту произойдет перезагрузка сервера, и они должны срочно сохранить свои данные.
Проектирование сетей
При проектировании сетей должен быть учтен целый ряд требований:
Прозрачность (transparency) – распределенная система должна быть представлена пользователю как обычная централизованная система.
Устойчивость к ошибкам (fault tolerance) – распределенная система должна продолжать функционировать в случае ошибок.
Масштабируемость (scalability) – по мере увеличения числа запросов, система должна легко воспринимать добавление новых ресурсов с целью удовлетворения новых запросов.
Для предоставления сетевых вычислительных услуг используются кластеры – совокупности полуавтономных машин, с точки зрения пользователя функционирующих как одна система.
Функционирование Ethernet-сетей
Передача сетевых пакетов между машинами в сетях Ethernet, наиболее распространенных с 1970-х гг. по настоящее время, происходит следующим образом. Каждая машина имеет уникальный IP-адрес и соответствующий Ethernet- (MAC-) адрес. Для коммуникации требуются оба адреса. Для поиска IP-адресов используется Domain Name Service (DNS). Протокол Address Resolution Protocol (ARP) используется для отображения MAC-адресов в IP-адреса.
Если машины находятся в одной и той же локальной сети, то может использоваться ARP. Если машины в разных локальных сетях, то машина-отправитель посылает пакет маршрутизатору (router ), который маршрутизирует данный пакет до принимающей сети.
Структура сетевого пакета в Ethernet-сети изображена на рис. 23.5 .
Рис. 23.5. Структура сетевого пакета в сетях Ethernet.
Как видно из схемы, пакет начинается со стандартной последовательности байтов. Он содержит Ethernet-адреса получателя и источника, длину сообщения, само сообщение (пересылаемые данные) и контрольную сумму. Структура пакета достаточно проста и особых комментариев не требует.
Некоторые современные сетевые протоколы
Протокол GPRS. Изложение классических основ сетевых протоколов и их стандартов завершим рассмотрением некоторых современных сетевых протоколов различных уровней, имеющих особенно важное практическое значение. В данном разделе рассмотрим протокол GPRS.
GPRS (General Packet Radio Service) - протокол беспроводной радиосвязи уровня связывания данных (уровня 2) по модели ISO, широко используемый в мобильной связи (GSM). Данный протокол "понимает" структуру IP-пакетов. Обеспечивается реальная скорость связи до 60 КБит / с, сравнимая со скоростью обычного модема и обмена через телефонную линию (dial-up).
Используется для реализации SMS (текстовых сообщений), MMS (мультимедийных сообщений), Instant messaging and presence (отправки и получения мгновенных сообщений), WAP (упрощенного доступа к Web для мобильных телефонов), мобильного Интернета
В некоторых местностях и странах GPRS является фактически единственным способом организации связи для передачи данных и выхода в Интернет. Настоятельно рекомендуется при выборе мобильного телефона обращать внимание на поддержку протокола GPRS.
При использовании TCP/IP GPRS-протокол присваивает каждому мобильному телефону один или несколько IP-адресов и обеспечивает надежную пересылку IP-пакетов. IP-адреса, как правило, присваиваются динамически.
Для маршрутизации пакетов используются точки доступа (access points) со своими именами Access Point Names (APNs). При настройке GPRS в мобильном телефоне необходимо указать APN, предоставляемое Вашим провайдером (например, МТС)
При использовании телефона как GPRS-модема (для выхода в Интернет, приема электронной почты и т.д.) связь с компьютером осуществляется через Bluetooth или через инфракрасный порт (IrDA).
Не следует путать GPRS с GPS (глобальной системой спутниковой навигации), как иногда делают, в чем неоднократно убеждался автор.
Схема функционирования протокола GPS изображена на рис. 23.6 .
Рис. 23.6. Протокол GPRS: Схема работы.
Семейство протоколов Wi-Fi (IEEE 802.11x)
Wi-Fi (IEEE 802.11x) – это семейство протоколов уровня связывания данных (уровня 2 по модели ISO) для беспроводной радиосвязи в локальных сетях (WLAN). Другое неофициальное (более старое) название того же семейства протоколов – RadioEthernet .
Используется для выхода в Интернет, передачи голосовых сообщений через TCP/IP (VoIP), связи с мультимедийными устройствами (цифровыми камерами, проекторами и т.п.)
Скорость передачи данных – от 11 МБит / с (по стандарту 802.11b) до 54 МБит/с (по стандартам 802.11a и 802.11c).
Wi-Fi - связь доступна в радиусе действия точки доступа (access point) ~ 200-250 метров. Зона доступа Wi-Fi носит название hotspot. Типичная зона доступа – гостиница, аэропорт, вокзал, Интернет-кафе.
Wi-Fi – адаптеры встраиваются в портативные компьютеры, органайзеры (PDA), коммуникаторы.
Преимущества Wi-Fi: при наличии точки доступа в соответствующей окрестности, доступ в Интернет возможен везде.
Недостатки Wi-Fi: локальный характер связи; различие числа Wi-Fi каналов в Европе, Америке и Азии; недостаточная безопасность; на практике, недостаточная надежность при числе пользователей 1000 – 10000 и более; связь Wi-Fi не безвредна для здоровья (поэтому ограничена для использования в странах Евросоюза).
Wi-MAX – более высокоскоростной вариант Wi-Fi (со скоростью передачи данных до 1 Гбит / с) с большим радиусом действия. В настоящее время отечeственные коммуникационные фирмы активно ведут работу по покрытию территории РФ сетями Wi-MAX.
Обмен мгновенными сообщениями (Instant Messaging and Presence)
Instant Messaging and Presence (IMP) - семейство протоколов и технологий верхнего уровня (application layer) для обмена сообщениями между клиентами, использующими мобильные телефоны, коммуникаторы, лаптопы и перемещающимися из одной точки в другую.
IMP использует адреса, сходные с email-адресами, например: node@domain/work – XMPP-адрес.
Посылаемые сообщения – как правило, текстовые, но также возможно посылать и графические образы.
Основные понятия IMP: IMP client – пользователь сети; presence – информация о присутствии клиента на связи; presentity (presence server ) – сервер сети, обеспечивающий регистрацию клиентов и выдачу информации о присутствии на связи.
Основные протоколы IMP: SIMPLE / SIP; XMPP (Jabber); Wireless Village .
Лаборатория Java-технологии СПбГУ под научным руководством автора в 2003 – 2006 гг. выполнила работы для лаборатории Panasonic Research по реализации Java-библиотек для мгновенных сообщений (JSR 164 / 165 / 186 / 187) и разработке комплексов тестов для их тестирования (TCKs).
Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях - физическом и канальном, - используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.
Стек osi
Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, X.25 и ISDN, - то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы X.500, электронной почты X.400 и ряд других.
Протоколы стека OSI отличает большая сложность и неоднозначность спецификаций. Эти свойства явились результатом общей политики разработчиков стека, стремившихся учесть в своих протоколах все случаи жизни и все существующие и появляющиеся технологии. К этому нужно еще добавить и последствия большого количества политических компромиссов, неизбежных при принятии международных стандартов по такому вопросу, как построение открытых вычислительных сетей.
Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их наиболее подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.
Стек OSI - международный, независимый от производителей стандарт. Его поддерживает правительство США в своей программе GOSSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны были или непосредственно поддерживать стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Тем не менее, стек OSI более популярен в Европе, чем в США, так как в Европе осталось меньше старых сетей, работающих, по своим собственным протоколам. Большинство организаций пока только планирует переход к стеку OSI, и очень немногие приступили к созданию пилотных проектов. Из тех, кто работает в этом направлении, можно назвать Военно-морское ведомство США и сеть NFS NET. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI, является компания AT&T, ее сеть Stargroup полностью базируется на этом стеке.
Важно различать модель OSI и стек протокола OSI.
Модель – концептуальная схема взаимодействия.
Стек – набор конкретных протоколов.
В отличие от других стеков, стек OSI полностью соответствует модели, т.е. 7 уровням взаимодействия.
На физическом и канальном уровнем стек OSI поддерживает протоколы разработанные вне стека OSI (см. рис.) Сетевой уровень включает протоколы CONP и CLNP – Connected Oriented Network Protocol и Connectionless NP. CONP / CLNP – с / без установления соединения.
Протоколы маршрутизации – End-Intermidiate, itermidiate-intermidiate.
ES-IS – компьютер – маршрутизатор, IS-IS – взаимодействие между маршрутизаторами.
На сеансовом и транспортном уровне пользователи определяют классы обслуживания и получают транспортный сервис независимо от протоколов сетевого уровня (с/без установлением соединения).
На прикладном уровне обеспечивается передача файлов – эмуляция терминала, служба сетевых каталогов, электронная почта.
Стек IPX/SPX
Стек протоколов, разработанных фирмой NOVELL, одна из первых фирм, которая производила локальные сети.
Interact Pack Exchange(IPX) / Sequenced PX (SPX)
На прикладном уровне представительских сеансов работают Netware Core Protocol и Service Advertising Protocol.
Особенности стека обусловлены ориентацией ранних сетей Netware на ЛВС малого размера состоящих из рабочих станций малой мощности. На реализацию протоколов отводилось немного места в ОЗУ, поэтому несколько уровней объединены в один протокол. Семиуровневая модель просматривается слабо.
Стек NetBIOS / SMB
Разработан совместно Microsoft и IBM. Стек NetBIOS разработан как сетевое расширение BIOS, дальнейшем заменен протоколом NETBEUI. Протокол разрабатывался для ЛВС с количеством станций до 200. Недостаток стека протокола в том, что не обеспечивается маршрутизация пакетов, нельзя использовать в составных сетях. Протокол SMB – также включает в себя протокол представительского сеанса, на основе этого протокола есть сетевая FS и другие сетевые службы.
Стек TCP/IP
На прикладном уровне объединяются три уровня – прикладной, представительский, сеансовый. Функции этих уровней выполняют протоколы HTTP, SNMP, FTP, Telnet, SMTP.
Транспортный уровень может представлять прикладному уровню два типа сервиса – TCP сервис (обеспечивает гарантированную доставку с подтверждением), UDP сервис (обеспечивает доставку по возможности). TCP сервис устанавливает логическое соединение, нумерует пакеты, и получают квитанции об получении. В случае потери пакета, он может быть передан повторно. На приемном конце уничтожает дублированные пакеты и представляет верхнему уровню пакеты в той последовательности, в которой они переданы. Разрешена передача в дуплексном режиме. UDP – используется для доставки сообщений без установления логического сообщения. В этом случае задача гарантированной доставки может быть поставлена на прикладном уровне.
Сетевой уровень – получает и выполняет запрос на передачу порции данных по составной сети (основной протокол – IP). Основная задача протокола – продвижение пакетов от одного маршрутизатора к другому, до тех пор, пока он не дойдет до сети назначения и далее – хоста. Протокол IP разворачивается не только на хостах, но и коммуникационном оборудовании (шлюзах и т.д.). IP – дейтаграммный протокол, работающий без установления соединения, по так называемому принципу доставки с максимальными усилиями. К сетевому уровню также относятся RIP и OSPF – протоколы маршрутизации, строят таблицы маршрутизации, на основе которых IP передает пакеты по сети.
ICMP – протокол обмена межсетевыми управляющими сообщениями, передает источнику информацию об ошибках, при передачи пакета по сети.
IGMP – протокол передачи пакетов на несколько адресов сразу (циркулярная передача).
Канальные и физические реализуют функции доступа к среде передачи, формирование кадров, кодирование, синхронизацию и т.д., особенностью стека TCP/IP является то, что на канальном и физическом уровне требование к физической среде не регламентируются, т.е. возможно подключение любой новой среды, с учетом определенных соглашений.
Для спецификаций соглашений и их опций существуют документы их определяющие, одним из них является RFC (Request for Commentary) – все протоколы там, с рисунками кадров, с каждым определением бита.
Включение новой технологии осуществляется независимо от того, сколькими уровнями взаимодействия она описывается.
Особенности протокола TCP/IP:
1) Способность фрагментировать пакеты. Если составная сеть построена на разных принципах, то длины передаваемых кадров, понятные для сетей могут быть разными. Возможно при переходе из сети в сеть делить или объединять пакеты.
2) Гибкая система адресации, позволяющая адресоваться в сетях с различными топологиями.
3) Экономное расходование системных ресурсов (использование широковещательных пакетов).
4) Сложность администрирования и управления. Отсутствие широковещательных рассылок требует иметь в сетях специальные централизованные службы DNS, DHCP.
5) Протокол TCP/IP был разработан до модели OSI, поэтому его соответствие модели OSI условно.
Краткие выводы :
Соответствие стеков протокол модели OSI условное.
Несоответствие компонент вызвано увеличением требований по скорости работы в ущерб модульности.
Как правило, ни один стек протоколов, кроме OSI не имеет семи уровней. Межсетевое взаимодействие осуществляется на трех, четырех уровнях:
1) физический и канальный (сетевой адаптер)
2) сетевой уровень (маршрутизатор),
3) транспортный уровень(программная реализация передача данных)
4) уровень сетевой службы (сеансовое представление сетевой)
Загрузка...
