Лекция 13. Протоколы и оборудование локальных и глобальных

Лекция 13. Протоколы и оборудование локальных и глобальных сетей
Упрощенная архитектура сети Интернет
Интернет (Internet) — это глобальная информационная система, которая:



логически связана единым адресным пространством;
может поддерживать соединения с коммутацией пакетов на основе семейства
специализированных протоколов;
предоставляет услуги высокого уровня.
Типичный на сегодня доступ абонента телефонной сети общего пользования (ТФОП) в
Интернет показан на рис. 1.1. Абонент автоматической телефонной станции (АТС)
должен купить у провайдера сети Интернет (Internet Service Provider — ISP) карту с
предоплатой, в которой указан телефонный номер провайдера для доступа в Интернет,
имя пользователя (User ID) и пароль (Password). Эти данные абонент должен ввести в
персональный компьютер. При установлении модемного соединения с телефонным
номером провайдера компьютер соединится с сервером сетевого доступа (Network Access
Server, NAS), который запросит у компьютера имя и пароль. Компьютер автоматически
перешлет ему запрошенную информацию. После этого NAS запросит те же данные (имя и
пароль) у сервера аутентификации, авторизации и учета (Authentication, Authorization,
Accounting) и сравнит данные имени и пароля, полученные от абонента и от ААА-сервера.
В случае их совпадения NAS откроет домашнюю страничку провайдера и начнет
обслуживание запросов абонента. Для реализации запроса может потребоваться
соединение через магистральную сеть (Backbone Network-BN), которая использует
высокоскоростные (от 622 Мбит/с до 1.28 Гбит/с) каналы связи и
высокопроизводительные маршрутизаторы (R) для объединения зоновых сетей различных
провайдеров.
увеличить
Рис. 1.1. Схема доступа абонента ТФОП в Интернет
изображение
В настоящее время широко внедряются методы доступа по цифровой абонентской линии
(DSL — Digital Subscriber Line) и по каналам кабельного телевидения, которые
обеспечивают непосредственный доступ абонента к NAS.
Модель OSI. Понятие об интерфейсах и протоколах. Рекомендация ITU-T X.200
Организация взаимодействия между элементами сети является сложной задачей, поэтому
ее разбивают на несколько более простых задач.
Международной организацией по стандартизации (ISO) был предложен стандарт, который
покрывает все аспекты сетевой связи, — это модель взаимодействия открытых систем
(OSI). Он был введен в конце 1970-х.
Открытая система — это стандартизированный набор протоколов и спецификаций,
который гарантирует возможность взаимодействия оборудования различных
производителей. Она реализуется набором модулей, каждый из которых решает простую
задачу внутри элемента сети. Каждый из модулей связан с одним или несколькими
другими модулями. Решение сложной задачи подразумевает определенный порядок
следования решения простых задач, при котором образуется многоуровневая
иерархическая структура на рис. 1.2.. Это позволяет любым двум различным системам
связываться независимо от их основной архитектуры.
Рис. 1.2. Модель взаимодействия открытых систем OSI
Модель OSI составлена из семи упорядоченных уровней: физического (уровень 1), звена
передачи данных (уровень 2), сетевого (уровень 3), транспортного (уровень 4), сеансового
(уровень 5), представления (уровень 6) и прикладного (уровень 7).
Обмен информацией между модулями происходит на основе определенных соглашений,
которые называются интерфейсом. При передаче сообщения модуль верхнего уровня
решает свою часть задачи, а результат, понятный только ему, оформляет в виде
дополнительного поля к исходному сообщению (заголовка) и передает измененное
сообщение на дообслуживание в нижележащий уровень. Этот процесс называется
инкапсуляцией.
Заголовки добавляются к началу передаваемых данных, как это показано на рис. 1.2. в
уровнях 6, 5, 4, 3 и 2. На уровне 2 кроме заголовков добавляются конечные метки
(окончания). На уровне 1 полный комплект преобразуется к форме, которая может быть
передана к приемному устройству.
С другой стороны, при приеме сообщения нижележащий уровень после обработки своей
части сообщения удаляет его и оставшееся сообщение передает вышележащему уровню.
Например, уровень 2 удаляет данные, предназначенные для него, затем передает
остальные к уровню 3. Уровень 3 затем удаляет данные, предназначенные для него, и
передает остальные к уровню 4, и так далее.
Прохождение данных и сетевой информации вниз через уровни устройства передачи и
назад через уровни устройства приема делается возможным с помощью интерфейсов и
протоколов между каждой парой смежных уровней.
Интерфейс определяет формат, физические и электрические свойства сигналов обмена
между модулями различных уровней, а протокол описывает логические процедуры по
обработке сообщения удаленному узлу сети равного уровня.
Четкие интерфейсы и протоколы обеспечивают модульность, реализация функций
каждого уровня может быть обновлена или удалена, не требуя изменений уровней,
находящихся выше или ниже его.
Семь уровней можно рассматривать, исходя из принадлежности их к трем подгруппам.
Нижние уровни 1, 2 и 3 — физический, звена данных и сетевой — имеют дело с
физическими аспектами данных, перемещающихся от одного устройства до другого
(таких как электрические спецификации, физические подключения, физическая адресация
и синхронизация передачи и надежность). Верхние уровни 5, 6 и 7 — сеансовый,
представления и прикладной — позволяют обеспечивать способность к взаимодействию
среди несвязанных программных систем. Уровень 4 — транспортный уровень —
связывает эти две подгруппы и гарантирует, что более низкие уровни передачи находятся
в формате, который верхние уровни могут использовать. Верхние уровни OSI почти
всегда реализовывались в программном обеспечении; более низкие уровни — комбинация
аппаратных средств и программного обеспечения, исключая физический уровень,
который является главным образом аппаратным.
Наименование уровней и распределение функций между ними следующее.
Физический уровень (Physical Layer — PL) обеспечивает побитовую транспортировку
кадров (часто называемую пакетом) между узлами по требуемой физической среде
передачи (металлический кабель, оптоволоконная линия связи, радиоканал).
Физический уровень определяет следующие процедуры и функции, которые физические
устройства и интерфейсы должны выполнять в ситуациях, возникающих при передаче
информации:

Физические характеристики интерфейсов и сред передачи. На физическом уровне
задают характеристики интерфейса между устройствами и средами передачи. Он
также определяет тип среды передачи.






Представление бит. Физические данные уровня состоят из потока битов
(последовательность нулей или единиц) без любой интерпретации. Чтобы быть
переданными, биты должны кодироваться электрическими или оптическими
сигналами. Физический уровень определяет тип кодирования (каким именно
образом нули и единицы представляются в форме электрических сигналов).
Скорость данных. Скорость передачи — число бит, передаваемых каждую секунду
— также определяется физическим уровнем. Другими словами, физический
уровень задает продолжительность бита, которая определяет, как долго длится
передача блоков информации.
Синхронизация битов. Передатчик и приемник могут иметь расходящиеся по
своим значениям скорости, которые должны быть синхронизированы на уровне
разряда.
Конфигурация линии. Физический уровень определяет подключение устройств к
среде передачи. В конфигурации "точка-точка" два устройства связаны вместе
через приданную им линию связи. В многоточечной конфигурации линия связи
разделена между несколькими устройствами.
Физическая топология. Физическая топология определяет, как устройства связаны
для того, чтобы создать сеть. Устройства могут быть связаны, используя
топологию "каждый с каждым" (каждое устройство связано с каждым другим
устройством), звездную топологию (устройства связаны через центральное
устройство), кольцевую топологию (каждое устройство связано со следующим,
формируя кольцо) или топологию типа "шина" (каждое устройство на общей линии
связи).
Режим передачи. Физический уровень также определяет направление передачи
между двумя устройствами: симплекс, полудуплекс или дуплексный. В
симплексном режиме только одно устройство может передать, а другое может
только получить. Симплексный режим — однонаправленная связь. В
полудуплексном режиме два устройства могут передавать и получать, но не в одно
и то же время. В полнодуплексном (или просто дуплексном) режиме два
устройства могут передавать и получать информацию одновременно.
На канальном уровне (Data Link Layer — DLL) реализуются механизмы обнаружения и
коррекции ошибок, возникающих в канале связи между узлами.
Задачи уровня звена передачи данных состоят в следующем:




Цикловая синхронизация. Канальный уровень данных преобразует поток битов,
полученных от сетевого уровня в управляемые модули данных, которые
называются кадрами.
Физическая адресация. Если кадры должны быть распределены между
несколькими различными приемниками, уровень звена передачи данных добавляет
заголовок к кадру, чтобы определить конкретный передатчик и/или приемник
кадра. Если кадр предназначен для системы вне сети передатчика, добавляется
адрес приемника или адрес устройства, которое подключает его к другой сети.
Управление потоком. Если скорость, на которой данные поглощаются приемником,
меньше, чем скорость, порождаемая в передатчике, уровень звена передачи данных
применяет механизм управления потоком, чтобы предотвратить переполнение
приемника.
Контроль ошибок. Для этого пакет, поступающий с вышележащего (сетевого)
уровня, преобразуется в кадр, т. е. дополняется контрольной суммой и обрамляется
специальной последовательностью "Флаг", позволяющей определить начало и
конец кадра. На приеме "Флаги" отбрасываются, и снова вычисляется контрольная

сумма. Если вычисленная контрольная сумма совпадает с суммой, принятой из
кадра, то кадр считается правильным и в виде пакета передается на сетевой
уровень, а на передающую сторону высылается квитирующий кадр. В случае
искажения или пропажи кадра квитирующий кадр не высылается, и передающая
сторона через некоторый промежуток времени возобновляет повторную передачу.
Поскольку к узлу (например, маршрутизатору) обычно подключено несколько
каналов связи с различными технологиями передачи кадра, то для каждой
технологии передачи канальный уровень добавляет к пакету соответствующее
дополнительное поле. Сетевому уровню поставляются пакеты единообразного
вида.
Управление доступом. Когда два или более устройств могут использовать одну и
ту же линию связи, протоколы уровня звена передачи данных необходимы для
того, чтобы определить, какое устройство может иметь доступ к линии связи в
конкретный момент времени.
Сетевой уровень (Network Layer — NL) служит для образования сквозной транспортной
системы между оконечными устройствами пользователя через все промежуточные сети
связи — "из конца в конец".
Он выполняет следующие задачи:

Логическая адресация. Чтобы передать пакет, средства сетевого уровня собирают
информацию о топологии сетевых соединений и используют ее для выбора
наилучшего пути. Каждый пакет содержит адрес получателя, который состоит из
старшей части — номера сети и младшей — номера компьютера (узла) в этой сети.
Все компьютеры одной сети имеют один и тот же номер сети, т. е. сеть — это
совокупность компьютеров, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер
сети.
Сетевой уровень добавляет заголовок к пакету, прибывающему от верхнего уровня,
который среди других атрибутов включает логические адреса передатчика и
приемника.

Маршрутизация. Когда независимые сети или линии связи включены вместе,
чтобы создать интернет-сети (сеть сетей) или большую сеть, то используются
подключающие устройства (называемые маршрутизаторами, или коммутаторами).
Они последовательно направляют или коммутируют пакеты к конечному пункту
назначения. Одна из функций сетевого уровня должна обеспечить этот механизм.
Транспортный уровень (Transport Layer — TL) определяет правила транспортировки
пакетов по сети. Транспортный уровень наблюдает за доставкой из конца в конец
индивидуальных пакетов, он не учитывает никаких зависимостей между этими пакетами
(даже принадлежащими к одному сообщению). Он обрабатывает каждый пакет как если
бы каждая часть принадлежала отдельному сообщению, независимо от того, так это на
самом деле или нет. Транспортный уровень гарантирует, что все сообщения прибывают в
конечный пункт неповрежденными и пакеты располагаются в первоначальном порядке.
Он осуществляет контроль нарушения информации и контроль ошибок, а также
управление потоком по всему тракту "источник — пункт назначения".
Транспортный уровень выполняет следующие задачи:



Адресация точки сервиса. Компьютеры часто выполняют несколько программ в
одно и то же время. По этой причине доставка "источник — пункт назначения"
означает доставку не только от одного компьютера до следующего, но также и от
заданного процесса (функционирующей программы) на одном компьютере к
заданному процессу (функционирующей программе) на другом. Поэтому заголовок
транспортного уровня должен включать тип адреса, называемый адрес сервисной
точки (или адрес порта). Сетевой уровень доставляет каждый пакет на корректный
адрес компьютера; транспортный уровень доставляет полное сообщение к
корректному процессу на этом компьютере.
Сегментация и повторная сборка. Сообщение разделено на транспортируемые
сегменты, каждый сегмент содержит порядковый номер. Эти номера дают
возможность транспортному уровню после достижения пункта назначения
правильно повторно собрать сообщение и заменять пакеты, которые были
потеряны в передаче.
Управление подключением. Транспортный уровень может быть ориентирован на
работу без установления соединения (connectionless transfer) или ориентирован на
подключение
(connection-oriented
transfer)
—
дейтаграммный
режим.
Транспортный уровень без установления соединения (по предварительно
установленному виртуальному соединению) обрабатывает каждый сегмент как
независимый пакет и поставляет его транспортному уровню в машине пункта
назначения. Ориентированный на подключение транспортный уровень сначала
перед поставкой пакетов устанавливает соединение с транспортным уровнем в
компьютере пункта назначения. После того как все данные переданы, подключение
заканчивается.
В режиме, не ориентированном на соединение, транспортный уровень
используется для передачи одиночных дейтаграмм, не гарантируя их надежную
доставку. Режим, ориентированный на соединение, применяется для надежной
доставки данных.


Управление потоком. Подобно уровню звена передачи данных, транспортный
уровень несет ответственность за управление потоком. Однако управление
потоком на этом уровне выполняется от "конца концу".
Контроль ошибок. Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень
несет ответственность за контроль ошибок. Транспортный уровень передачи
удостоверяется, что полное сообщение достигло транспортного уровня приема без
ошибки (повреждения, потери или дублирования). Исправление ошибки обычно
происходит с помощью повторной передачи.
Уровень сеанса (Session Layer SL) — сетевой контроллер диалога. Он устанавливает,
поддерживает и синхронизирует взаимодействие между связывающимися системами.
При помощи сеансового уровня (Session Layer) организуется диалог между сторонами,
фиксируется, какая из сторон является инициатором, какая из сторон активна и каким
образом завершается диалог.
Задачи сеансового уровня следующие:

Управление диалогом. Сеансовый уровень дает возможность двум системам
вступать в диалог. Он позволяет обмен сообщениями между двумя процессами.
При этом возможны режимы: либо полудуплексный (один путь одновременно),

либо дуплексный (два пути одновременно). Например, диалог между терминалом и
универсальной ЭВМ может быть полудуплексным.
Синхронизация. Сеансовый уровень позволяет процессу добавлять контрольные
точки (точки синхронизации) в поток данных. Например, если система посылает
файл из 2 000 страниц, желательно вставить контрольные точки после каждых 100
страниц, чтобы гарантировать, что каждый модуль со 100 страницами получен и
опознается независимо. В этом случае, если случается нарушение в течение
передачи страницы 523, единственная страница, которую требуется и которая
будет снова послана после системного восстановления — страница 501 (первая
страница пятой сотни)
Уровень представления (Presentation Layer) занимается формой предоставления
информации нижележащим уровням, например, перекодировкой или шифрованием
информации.
Задачи уровня представления следующие:



Перекодировка информации. Процессы (функционирующие программы) в двух
системах обычно меняют информацию в форме символьных строк, чисел и так
далее. Информация, прежде чем быть переданной, должна быть изменена на
потоки бит. Поскольку различные компьютеры используют различные системы
кодирования, уровень представления несет ответственность за способность к
взаимодействию между этими различными методами кодирования. Уровень
представления в передатчике изменяет информацию от формы, зависящей от
передатчика, в общую форму. Уровень представления в компьютере приема
заменяет общий формат в формат его приемника.
Шифрование. Чтобы доставлять конфиденциальную информацию, система должна
обеспечить секретность. Шифрование означает, что передатчик преобразовывает
первоначальную информацию к другой форме и посылает результирующее
сообщение по сети. Расшифровка должна быть полностью противоположна
первоначальному процессу, чтобы преобразовать сообщение назад к его
первоначальной форме.
Сжатие. Сжатие данных уменьшает число битов, содержавшихся в информации.
Сжатие данных становится особенно важным в передаче мультимедиа, таких как
текст, аудио и видео.
Прикладной уровень (Application Layer — AL) — это набор протоколов, которыми
обмениваются удаленные узлы, реализующие одну и ту же задачу (программу).
Прикладной уровень дает возможность пользователю (человеку либо программному
обеспечению) обращаться к сети. Он обеспечивает интерфейсы пользователя и поддержку
услуг — электронной почты, удаленного доступа и перевода средств, общедоступного
управления базы данных и других типов распределенных информационных служб.
Примеры услуг, оказываемых прикладным уровнем:

Сетевой виртуальный терминал. Сетевой виртуальный терминал — программная
версия физического терминала, он позволяет пользователю войти в удаленный
хост. Чтобы сделать это, приложение создает программную имитацию терминала в
удаленном хосте. Компьютер пользователя общается с программным терминалом,
который, в свою очередь, общается с хостом, и наоборот. Удаленный хост
определяет эту связь как связь с одним из его собственных терминалов и позволяет
вход.



Передача файлов, доступ и управление. Это приложение позволяет пользователю
обращаться к файлам в удаленном хосте, чтобы изменять или читать данные,
извлекать файлы из удаленного компьютера для использования в местном
компьютере и администрировать или управлять файлами на удаленном
компьютере.
Услуги почты. Это приложение обеспечивает базу для передачи и хранения
электронной почты.
Услуги каталога. Это приложение обеспечивает распределенные источники базы
данных и доступ к глобальной информации о различных объектах и услугах.
Стек протоколов Интернета
Стек протоколов сети Интернет2 был разработан до модели OSI. Поэтому уровни в стеке
протоколов Интернета не соответствуют аналогичным уровням в модели OSI. Стек
протоколов Интернета состоит из пяти уровней: физического, звена передачи данных,
сети, транспортного и прикладного. Первые четыре уровня обеспечивают физические
стандарты, сетевой интерфейс, межсетевое взаимодействие и транспортные функции,
которые соответствуют первым четырем уровням модели OSI. Три самых верхних уровня
в модели OSI представлены в стеке протоколов Интернета единственным уровнем,
называемым прикладным уровнем рис. 1.3.
Рис. 1.3.
ARP
ATM
BGP
DNS
Ethernet
FDDI
HTTP
FTP
ICMP
IGMP
IP
NFS
OSPF
PDH
PPP
RARP
RIP
RPC
SMTP
SDH
SNMP
TCP
TFTP
TR
UDP
WWW
Стек протоколов Интернета по сравнению с OSI
Address Resolution Protocol
Протокол нахождения адреса
Asynchronous Transfer Mode
Режим асинхронной передачи
Border Gateway Protocol
Протокол пограничной маршрутизации
Domain Name System
Система доменных имен
Ethernet Network
Сеть Ethernet
Fiber Distributed Data Interface Волоконно-оптический
распределенный
интерфейс данных
Hyper Text Transfer Protocol
Протокол передачи гипертекста
File transfer Protocol
Протокол передачи файлов
Internet
Control
Message Протокол управляющих сообщений
Protocol
Internet Group Management Протокол
управления
группами
Protocol
(пользователей) в Интернете
Interworking Protocol
Межсетевой протокол
Network File System
Протокол сетевого доступа к файловым
системам
Open Shortest Path First
Открытый протокол предпочтения кратчайшего
канала
Plesiochronous
Digital Плезиохронная цифровая иерархия
Hierarchy
Point-to- Point Protocol
Протокол связи "точка-точка"
Reverse Address Resolution Протокол обратной конвертации адресов
Protocol
Routing Information Protocol
Протокол обмена маршрутной информацией
Remote Procedure Call
Дистанционный вызов процедур
Simple Mail Transfer Protocol
Простой протокол передачи почты
Synchronous Digital Hierarchy Синхронная цифровая иерархия
Simple Network Management Простой протокол управления сетью
Protocol
Transmission Control Protocol
Протокол управления передачей
Trivial File Transfer Protocol
Простейший протокол передачи данных
Token Ring
Маркерное кольцо
User Datagram Protocol
Дейтаграммный протокол пользователя
World Wide Web
Мировая паутина
Стек базовых протоколов Интернета — иерархический, составленный из диалоговых
модулей, каждый из которых обеспечивает заданные функциональные возможности; но
эти модули не обязательно взаимозависимые. В отличие от модели OSI, где определяется
строго, какие функции принадлежат каждому из ее уровней, уровни набора протокола
TCP/IP содержат относительно независимые протоколы, которые могут быть смешаны и
согласованы в зависимости от потребностей системы. Термин иерархический означает,
что каждый верхний протокол уровня поддерживается соответственно одним или более
протоколами нижнего уровня.
На транспортном уровне стек определяет два протокола: протокол управления передачей
(TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP). На сетевом уровне — главный
протокол межсетевого взаимодействия (IP), хотя на этом уровне используются некоторые
другие протоколы, о которых будет сказано ниже.
поддержка
курса
Основные
протоколы
интернет
информация [+] Автор: А.Н. Берлин
Уровень: для специалистов || Статус: бесплатный || Опубликован: 11.08.2008
? Рейтинг: 4.15 || Популярность: 36 || Студентов: 731/35
Студентам: электронная книга | литература | учебники | форум | мнения | однокурсники |
рейтинг
экзамен
экстернат
диплом
Лекции:

















1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Дополнительные материалы:


1
2
1. Лекция: Описание стека протоколов OSI и TCP/IP
Страницы: « | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | вопросы | »
для печати и PDA
Если Вы заметили ошибку - сообщите нам или выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
<a
href="http://mb.osp.ru/cgi-bin/href/intuit-240x90?22850"
src="http://mb.osp.ru/cgi-bin/banner/intuit-240x90?22850&options=T"
width="240"
height="90"
border="0"
target="_top"><img
alt="MadBanner"
ismap="ismap"></a>
<a
href="http://mb.osp.ru/cgi-bin/href/intuit-240x400?93568"
src="http://mb.osp.ru/cgi-bin/banner/intuit-240x400?93568&options=T"
width="240"
height="400"
border="0"
target="_top"><img
alt="MadBanner"
ismap="ismap"></a>
Физический уровень
На физическом уровне и уровне звена передачи данных стек протоколов TCP/IP не отдает
предпочтения ни одному протоколу. Он поддерживает все стандартные и частные
протоколы передачи по кабелю, оптоволоконному кабелю и радиоканалам, которые
определяются сетевыми технологиям на этом уровне (PDH — Plesiochronous Digital
Hierarchy, SDH — Synchronous Digital Hierarchy, ATM — Asynchronous Transfer Mode и
другими).
Канальный уровень (звена передачи данных)
На этом уровне коммутационные устройства используют различные технологии: Ethernet,
Token Ring, FDDI, PPP и другие.
Интернет предназначен для транспортировки любого вида информации от источника к
получателю. В транспортировке информации участвуют различные элементы сети (см.
рис. 1.1) – оконечные устройства, коммутационные устройства и серверы. Группы узлов
при помощи коммутационных устройств объединяются в локальную сеть, локальные сети
соединяются между собой шлюзами (маршрутизаторами).
Узлы, с точки зрения сети, представляют собой источники и получатели информации.
Четыре нижних уровня в совокупности независимы от вида передаваемой информации.
Каждое приложение, связывающееся с четвертым уровнем, идентифицируется своим
уникальным номером порта. Номера портов занимают диапазон от 0 до 65535. В этом
диапазоне номера портов 0-1023 выделены под общесетевые приложения (well-known
ports), номера портов 1024-49151 используются разработчиками специализированного
программного обеспечения, номера портов 49152-65535 динамически закрепляются за
приложениями пользователей на время сеанса связи. Численные значения номеров портов
стека приведены в [38].
Транспортный уровень
На транспортном уровне TCP/IP определяет два протокола: протокол управления
передачей (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP).
UDP и TCP — транспортные протоколы уровня, которые отвечают за доставку сообщения
от процесса (функционирующей программы) к другому процессу.
Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP – User Datagram Protocol) — наиболее
простой из двух стандартных транспортных протоколов TCP/IP. Он выполняет функции
передачи между прикладными уровнями разных рабочих станций, по адресу порта,
контролирует ошибки по контрольной сумме и передает информацию верхним уровням.
Протокол управления передачей (TCP – Transmission Control Protocol) обеспечивает
полные услуги транспортного уровня к приложениям. TCP — достоверный транспортный
протокол потока, ориентированный на дуплексный режим связи с установлением
логического соединения. Для этого каждый передаваемый пакет снабжается порядковым
номером, и правильный его прием должен быть подтвержден приемной стороной. В этом
контексте термин поток означает передачу данных, рассчитанную на то, что соединение
должно быть установлено между обоими концами передачи прежде, чем начнется
передача данных. Протокол TCP имеет код протокола 6 (в шестнадцатеричном коде –
0x06) и используется для гарантированной транспортировки информации.
В конце каждой передачи TCP делит поток данных в меньшие модули, называемые
сегментами. Каждый сегмент включает порядковый номер, необходимый, чтобы
переупорядочить информацию после приема, и номер подтверждения для полученных
сегментов. Сегменты переносятся через сеть в дейтаграммах IP. В конце получения TCP
собирает каждую дейтаграмму в том виде, как она поступила, и переупорядочивает,
основываясь на порядковых номерах.
Сетевой уровень
На сетевом уровне (или, более точно, межсетевом уровне) TCP/IP поддерживает протокол
межсетевого взаимодействия (IP). IP, в свою очередь, содержит четыре протокола
поддержки: протокол определения адреса (ARP — Address Resolution Protocol), протокол
определения сетевого адреса по местоположению (RARP – Reserve Address Resolution
Protocol), протокол управляющих сообщений Internet – (ICMP — Internet Control Message
Protocol) и межсетевой протокол управления группами (IGMP – Internet Group Message
Protocol). На этом же уровне применяются протоколы маршрутизации: протокол обмена
маршрутной информацией (RIP — Routing Information Protocol), "открыть кратчайший
путь первым" (OSPF — Open Shortest Path First), протокол пограничной маршрутизации
(BGP — Border Gateway Protocol).
Протокол межсетевого взаимодействия (IP)
Протокол межсетевого взаимодействия (IP) — механизм передачи, используемый
протоколами TCP/IP. Это ненадежная служба доставки дейтаграммы без установления
соединения, но с "максимальными усилиями" (best-effort).
Термин с "максимальными усилиями" означает, что делается все возможное
(максимальные усилия), чтобы передать информацию к ее пункту назначения, но IP не
обеспечивает никакой проверки ошибок или их отслеживания. IP предполагает
ненадежность основных уровней, без гарантий требуемого уровня сервиса.
IP транспортирует данные в пакетах, называемые дейтаграммами, каждая из которых
транспортируется отдельно. Дейтаграммы могут перемещаться по различным маршрутам
и могут прибыть не в исходной последовательности или быть дублированы. IP не
сохраняет копию маршрутов и не имеет никаких средств для того, чтобы переупорядочить
дейтаграммы, как только они достигают пункта назначения.
Ограниченные функциональные возможности IP, однако, нельзя считать слабостью. IP
обеспечивает "чистые" функции передачи, которые освобождены от пользовательских
особенностей, и предполагает, что на других уровнях будут добавлены те средства,
которые необходимы для данного приложения, и таким образом будет достигнута
максимальная эффективность.
Протокол определения адресов (ARP – Address Resolution Protocol) используется, чтобы
связать адрес IP с физическим адресом. На типичной физической сети, типа локальной
сети LAN (Local Area Network), каждое устройство на линии связи идентифицировано
физическим адресом или адресом станции, обычно закрепленным в сетевой карте
интерфейса (NIC – Network Interface Card). ARP используются, чтобы найти физический
адрес узла, когда известен его адрес в сети Интернет.
Обратный протокол определения адресов (RARP — протокол определения сетевого
адреса по местоположению) позволяет хосту обнаруживать его адрес в сети Интернет,
когда хост знает только свой физический адрес. Он используется, когда компьютер
связывается с сетью впервые или когда компьютер загружается без диска.
Протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP – Internet Control Message Protocol)
— механизм, используемый хостами и шлюзами, чтобы передать извещение о
дейтаграммных проблемах назад к передатчику.
Межсетевой протокол управления группами (IGMP – Internet Group Message Protocol) –
обслуживает одновременную передачу сообщения к группе получателей.
Протокол пограничной маршрутизации (BGP — Border Gateway Protocol) — протокол
маршрутизации между автономными системами, основанный на применении вектора
пути.
Протокол обмена маршрутной информацией (RIP — Routing Information Protocol) —
протокол маршрутизации, основанный на использовании алгоритма вектора расстояний.
"Открыть кратчайший путь первым" (OSPF — Open Shortest Path First) — внутрисетевой
протокол маршрутизации, основанный на анализе состояния линий связи.
Прикладной уровень TCP/IP
Прикладной уровень в стеке протоколов Интернета эквивалентен объединению
сеансового, представительского и прикладного уровня в модели OSI. На рис. 1.3 показаны
следующие протоколы прикладного уровня:
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой почтовый протокол. Он поддерживает
передачу почтовых электронных сообщений по сети Интернет. Протокол называется
простым, потому что обеспечивает передачу информации пользователям, готовым к
немедленной доставке. Передача осуществляется в режиме 7-битовых слов. Он требует
наличия программ перехода от принятого в большинстве программ формата с 8разрядными словами к формату с 7-разрядными словами.
Система поддерживает:


посылку одиночных сообщений одному или более получателям;
посылку сообщений, включающих в себя текст, голосовые сообщения, видео или
графические материалы.
Протокол передачи файлов (FTP — File Transfer Protocol) используется для передачи
файлов от одного компьютера к другому. Обеспечивает просмотр каталогов удаленного
компьютера, копирование, удаление и пересылку файлов. FTP отличается от других
протоколов тем, что устанавливает два соединения между хостами. Одно используется
для передачи информации, а другое — для управления передачей.
DNS (Domain Name System) – служба доменных имен. Она осуществляет присвоение
уникальных имен всем пользователям и узлам сети Интернет и устанавливает логическую
связь с их сетевыми адресами. Доменное имя представляется иерархической структурой,
имеющей несколько уровней. Типовые имена доменов верхнего уровня закреплены
следующим образом:
.com – коммерческие организации;
.gov – правительственные учреждения;
.org – некоммерческие организации;
.net — центры поддержки сети;
.int – международные организации;
.mil – военные структуры.
SNMP (Simple Network Management Protocol) — простой протокол управления сетью. Он
обеспечивает набор фундаментальных действий по наблюдению и обслуживанию
Интернета.
Протокол разработан так, чтобы он мог контролировать устройства, созданные
различными изготовителями и установленные на различных физических сетях. Другими
словами, SNMP освобождает задачи управления от учета физических характеристик
управляемых устройств и от основной технологии организации сети.
Сетевая файловая система (NFS — Network File System). Это один из многих протоколов
(например, на рисунке показан еще один протокол RPC –Remote Procedure Call – вызов
удаленной процедуры), который позволяет использование файлов, содержащих
процедуры управления и периферии в другом компьютере.
Тривиальный (простейший) протокол передачи файлов TFTP (Trivial File Transfer
Protocol). Используется в простых случаях при начальной загрузке рабочих станций или
загрузке маршрутизаторов, не имеющих внешней памяти.
Протокол передачи гипертекста (HTTP — Hyper Text Transfer Protocol) — транспортный
протокол, который применяется в Интернете при обмене документами, представленными
на языке описания гипертекстовых документов.
Язык разметки гипертекста (HTML — Hyper Text Markup Language). Является одним из
главных языков, используемых в сети WWW.
Мировая паутина (WWW — World Wide Web) – глобальная гипертекстовая
информационная система. Она объединяет огромное количество документов, хранящихся
во многих странах мира и доступных через сеть узлов в сети Интернет, которые связаны
между собой каналами связи.
Связь между уровнями стека протоколов сети Интернет и адресацией
В сети Интернет используются три различных уровня адресов: физический адрес (линия
связи), интернет-адрес (IP) и адрес порта (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Адреса TCP/IP
Каждый адрес принадлежит заданному уровню TCP/IP-архитектуры, как это показано на
(рис. 1.5).
Рис. 1.5. Отношения уровней стека протоколов Интернет и адресов
Физический адрес
Физический адрес (Media Access Control — MAC-адрес) используется для установления
соединения в локальной сети (подсети). Этот адрес совпадает с номером сетевого
адаптера (сетевой карты) компьютера и жестко устанавливается заводом-изготовителем из
пула (диапазона) отведенных ему адресов. Записывается в виде шестнадцатеричных
чисел, разделенных двоеточием, например, 08:00:06:3F:D4:E1, где первые три значения
определяют фирму-производителя (00:10:5a:xx:xx:xx – 3Com, 00:03:ba:xx:xx:xx – Sun,
00:01:e3:xx:xx:xx – Siemens), а последующие – порядковый номер узла.
Компьютер может иметь несколько сетевых карт и, соответственно, несколько МАСадресов. При замене аппаратуры изменяется и MAC-адрес, поэтому их использование в
качестве сетевых адресов неудобно.
Физический адрес индивидуальной передачи, при групповой рассылке и при
широковещательной передаче
Физические адреса могут быть либо индивидуальные (один единственный получатель) и
групповые (группа получателей), либо широковещательные (для получения всеми
системами в сети). Некоторые сети поддерживают все три типа адресов. Например,
Локальная сеть Ethernet поддерживает однонаправленные физические адреса (6 байт),
адреса групповой рассылки и широковещательные адреса. Некоторые сети не
поддерживают групповую рассылку или широковещательно передают физические адреса.
Если кадр нужно передать группе получателей или системе для всей системы, адрес
групповой рассылки или широковещательный адрес должен моделироваться, используя
однонаправленные адреса. Это означает, что множество пакетов рассылаются, используя
однонаправленные адреса.
Пример 1
На рис. 1.6. узел с физическим адресом 20 передает кадр узлу с физическим адресом 90.
Эти два узла соединены линией связи. На канальном уровне этот кадр в заголовке
содержит физические адреса (линии связи). Они — единственно необходимые адреса.
Остальная часть заголовка включает в себя другую информацию, необходимую на этом
уровне. Конечная информация обычно содержит дополнительные биты, необходимые для
обнаружения ошибок.
Рис. 1.6. Физические адреса
Интернет-адрес
Адреса Интернета необходимы для универсальных служб связи, которые не зависят от
основных физических сетей. Физические адреса не адекватны в межсетевой среде, где
различные сети могут иметь различные форматы адреса. Необходима универсальная
система адресации, в которой каждый хост может быть идентифицирован уникально,
независимо от основной физической сети.
Для этой цели применяются IP-адреса. Интернет(IP)-адрес в настоящее время состоит из
32 бит. Он может уникально определить хост, подключенный к сети Интернет. Никакие
два хоста на сети Интернет не могут иметь один и тот же самый IP-адрес.
Пример 2
На (рис. 1.7). данные передаются от узла с сетевым адресом A и физическим адресом 20,
расположенного в одной локальной сети (LAN), к узлу с сетевым адресом P и физическим
адресом 95, расположенному в другой локальной сети (LAN). Поскольку эти два
устройства находятся на различных сетях, мы не можем использовать только адреса связи:
адреса связи имеют локальное применение. Поэтому нужны универсальные адреса,
которые могут пройти через границы LAN. Сетевые (логические) адреса гарантируют
такое прохождение. Пакет на сетевом уровне содержит логические адреса, которые
остаются теми же самыми от первоначального источника до конечного пункта назначения
(на рис. 1.7 – это адрес P соответственно). Они не будут изменяться, когда мы переходим
от сети к сети. Однако физические адреса будут изменяться при передвижении пакета от
одной сети к другой. Блок R – это маршрутизатор.
Рис. 1.7. IP адреса
Адрес порта
Адрес IP и физический адрес необходимы для порции данных, перемещающихся от
источника до хоста пункта назначения. Однако прибытие в хост пункта назначения — не
конечная цель обмена сообщениями данных в Интернете. Система, которая передает
только данные от одного компьютера до другого, не может считаться законченной.
Сегодня компьютеры — устройства, которые могут выполнить множество процессов в
одно и то же время. Конечная цель сети Интернет — коммутация процесса, работающего
с другим процессом. Например, компьютер A общается с компьютером C, используя
TELNET. В то же самое время компьютер A общается с компьютером с использованием
протокола передачи файлов FTP. Для этих процессов, возникающих одновременно, нам
надо иметь метод, позволяющий маркировать различные процессы.
Другими словами, процессы нуждаются в адресах. В архитектуре TCP/IP метка,
назначаемая процессу, названа адресом порта. Адрес порта в TCP/IP — 16 битов длиной.
Пример 3
Рис. 1.8. показывает пример обмена сообщениями транспортного уровня. Данные,
прибывающие от верхних уровней, имеют адреса порта j и k (j — адрес процесса
передачи, k — адрес процесса приема). В примере предполагается, что размер данных
является большим, чем может обработать сетевой уровень, данные разбиты на два пакета,
каждый пакет сохраняет адреса сервисной точки (j и k). Затем, на сетевом уровне, сетевые
адреса (A и P) добавляются к каждому пакету. Пакеты могут перемещаться различными
путями и достигнуть пункта назначения либо в том же порядке, либо в другом. Эти два
пакета доставляются транспортному уровню пункта назначения, который отвечает за
удаление заголовка сетевого уровня и объединение двух частей данных для доставки к
верхним уровням.
Рис. 1.8. Адреса портов
Символьные (доменные) адреса
Символьные (доменные) адреса предназначены для людей. Для работы в больших сетях
символьные адреса имеют сложную иерархическую структуру, содержащую имя
пользователя, имя подсети (поддомена), символьное имя страны или организации
(домена). Например, адрес Ivan.Sidorov@sk.sut.ru обозначает, что адресат (Иван Сидоров)
находится в подсети sk сети sut в России - ru (впрочем, возможно и не в России), а адрес
www.protocols.com
коммерческой).
–
адрес
домена
коммерческой
организации
(как
правило
Подробнее принципы адресации рассмотрены в следующей лекции.
Версии TCP/IP
TCP/IP стал официальным протоколом для Интернета в 1983-м и развивался вместе с
развитием Интернета. Исторически существовало шесть версий TCP/IP. Здесь мы
рассмотрим последние три версии.
Версия 4
Большинство сетей в Интернете в настоящее время использует версию 4. Однако она
имеет существенные недостатки. Главный из них — это проблема с адресом Интернета:
только 32 бита длины в адресном пространстве, разделенном на различные классы. С
быстрым ростом Интернета 32 бит уже не достаточно, чтобы оснастить проектируемое
число пользователей. Также и разделение места в различных классах ограничивает в
дальнейшем доступные адреса.
Версия 5
Версия 5 была предложением, основанным на модели OSI. Она никогда так и не вышла из
рамок предложения из-за обширного уровня изменений и проектируемых расходов.
Версия 6
Набор протоколов сетевого уровня TCP/IP — IPv4 (Internet Protocols, version 4) имеет
недостатки, которые делают его неподходящим для быстрого роста. Некоторые из них
перечислены ниже.
1. IPv4 имеет двухуровневую структуру адреса (netid – сетевой идентификатор и
hostid – идентификатор хоста), разделенную на пять классов (A, B, C, D и E). Это
приводит к неэффективному использованию адресного пространства. Например,
организации, которая имеет класс адресов A, предоставляется 16 миллионов
адресов из адресного пространства для эксклюзивных пользователей. Если
организации это много, то следующая градация — класс B — предоставляет
адресное пространство 32000 адресов, а это уже может оказаться мало. Поэтому
приходится использовать адресное пространство с избыточным числом адресов.
Также миллионы адресов нерационально используются в классах D и E. Этот метод
адресации исчерпал адресное пространство IPv4, и скоро не будет адресов, которые
могут быть назначены новым системам для подключения к Интернету. Методы,
облегчающие некоторые проблемы адресации, как это показано в предыдущих
разделах, осложняют создание новых маршрутов.
2. Интернет должен обеспечивать аудио- и видеопередачу в реальном масштабе
времени. Этот тип передачи требует стратегии минимальных задержек и
резервирования ресурсов, не обеспечиваемых проектом IPv4.
3. Интернет должен обеспечивать шифрование и распознавание данных для
некоторых приложений. В настоящее время IPv4 не предоставляет этих услуг.
Для того чтобы преодолеть эти недостатки, IETF разработал новую версию, названную
версией 6. Был предложен IPv6 (IPNG — Internet Protocol next generation), который стал
стандартом. В IPv6 протоколы Интернета были в значительной степени модифицированы,
чтобы приспособиться к росту числа пользователей Интернета. Формат и длина IPадресов были изменены вместе с форматом пакета.
В этой версии IPv4 (версия 4 IP) становится IPv6 (версия 6 IP), ICMPv4 становится
ICMPv6, IGMP (межсетевой протокол управления группами) и ARP объединены в
ICMPv6, RARP (протокол определения сетевого адреса по местоположению) удален.
IPv6, также известный как IPng (IP next generation — следующее поколение IP),
использует 16-байтовые адреса (128 битов) взамен 4-байтовых адресов (32 бита),
применяемых в настоящее время в версии 4. IPv6 может таким образом разместить
большее число пользователей. В версии 6 формат пакета был упрощен, и в то же самое
время в него внесены изменения, более гибко учитывающие будущее развитие услуг
Интернета.
Родственные протоколы, такие как ICMP, были также модифицированы. Другие
протоколы на сетевом уровне, такие как ARP, RARP и IGMP, были либо изъяты, либо
включены в протокол ICMPv6. Протоколы маршрутизации, такие как RIP и OSPF, были
также слегка модифицированы, чтобы приспособиться к этим изменениям.
Новая версия поддерживает идентификацию, целостность данных и конфиденциальность
на сетевом уровне. Она разработана, чтобы обрабатывать передачу данных в реальном
масштабе времени, – по принципу аудио и видео, и может доставить данные из других
протоколов. IPng может также обрабатывать перегрузку и переадресовывать нагрузку
лучше, чем IPv4.
Эксперты по связи предсказывают, что IPv6 и связанные с ними протоколы скоро
полностью заместят текущие версии IP.
IPv6 имеет преимущества перед IPv4, некоторые из которых приведены ниже.
1. Большое адресное пространство. IPv6-адрес имеет 128 бит длины. По сравнению с
32-битовым адресом IPv4 это громадное (296) увеличение адресного пространства.
2. Лучший формат заголовка. IPv6 использует новый формат заголовка, в котором
опции отделены от основного заголовка и вставлены, когда это нужно, между
основным заголовком и данными более высокого уровня. Это упрощает и ускоряет
процесс маршрутизации, потому что большинство опций не нужны для обработки
маршрутизатором.
3. Новые опции. IPv6 имеет новое поле опций, дающее новые функциональные
возможности.
4. Возможности для расширения. IPv6 разработан так, чтобы позволить расширить
возможности протоколов, если потребуются новые технологии и применения.
5. Поддержка для размещения ресурсов. В IPv6 поле "тип услуги" не переменное, но
дополнено механизмом (названным таблица потока) для обеспечения возможности
источника запросить специальную обработку пакета. Этот механизм может быть
использован для поддержки увеличенного или чувствительного к задержкам
трафика, такого как аудио и видео, в реальном масштабе времени.
6. Поддержка большой безопасности. Опции шифрования и опознавания IPv6
обеспечивают конфиденциальность и неприкосновенность пакета.
Краткие итоги



















Международная организация по стандартизации (ISO) создала модель, называемую
взаимодействием открытых систем (OSI), которая позволяет связываться между
собой разнообразным системам.
Модель OSI с семью уровнями обеспечивает рекомендации для развития
универсально совместимых протоколов организации сети.
Физический, канальный и сетевой уровни – это уровни поддержки сети.
Сеансовый, представительский и прикладной уровни — пользовательские уровни
поддержки.
Транспортный уровень связывает уровни поддержки сети и пользовательские
уровни поддержки.
Физический уровень координирует функции, для того чтобы передать битовый
поток по физической среде.
Канальный уровень предназначен для того, чтобы доставлять модули данных от
одной станции до следующей без ошибок.
Сетевой уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения" пакета через
множество сетевых линий связи.
Транспортный уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения"
полного сообщения.
Сеансовый уровень устанавливает, обслуживает и синхронизирует взаимодействие
между средствами связи.
Уровень представления гарантирует способность к взаимодействию между
средствами связи с помощью преобразования данных во взаимно согласованные
форматы.
Прикладной уровень дает возможность пользователям обратиться к сети.
TCP/IP — иерархический набор протокола с пятью уровнями, разработанный до
модели OSI.
Прикладной
уровень
TCP/IP
эквивалентен
объединению
сеансового,
представительного и прикладного уровней модели OSI.
Три типа адресов используются системами, применяющими протокол TCP/IP:
физический адрес, межсетевой адрес (адрес IP) и адрес порта.
Физический адрес, также известный как адрес связи, является адресом узла,
определяемым его LAN или WAN.
Адрес IP уникально определяет хост в Интернете.
Адрес порта идентифицирует процесс.
IPv6, как предполагается, в ближайшем будущем заменит IPv4.
Задачи и упражнения
1. Как OSI и ISO (Международная организация по стандартизации) связаны друг с
другом?
2. Отнесите следующее к одному из семи OSI-уровней:
а) определение маршрута,
б) управление потоком,
в) связь с помощью интерфейса с внешним миром,
г) обеспечение доступа к сети для конечного пользователя,
д) замена ASCII расширенным двоично-десятичным кодом,
е) пакетная коммутация.
3. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:
а) достоверная доставка сообщения процесс-процесс,
б) выбор сети,
в) определение кадра,
г) обеспечение пользовательских услуг, таких как посылка по электронной почте,
д) передача файлов,
е) передача битового потока через физическую среду.
4. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:
а) обмен сообщениями непосредственно с прикладной программой пользователя,
б) исправление ошибки и повторная передача,
в) механический, электрический и функциональный интерфейс,
г) ответственность за информацию между смежными узлами,
д) повторная сборка пакетов данных.
5. Сопоставьте следующее одному из семи OSI-уровней:
а) формат и услуги преобразования кода,
б) установка, управление и завершение сеанса,
в) гарантия достоверной передачи данных,
г) процедуры входа в систему и выхода из системы,
д) обеспечение независимости от разницы в представлении данных,
е) синхронизация пользователей.
6. Доменная система имен, или DNS — прикладная программа в наборе протокола
TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в модели OSI.
Сравните и сопоставьте эти два понятия.
7. Протокол передачи файлов, или FTP — прикладная программа в наборе протокола
TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в модели OSI.
Сравните и сопоставьте эти два понятия.
8. Тривиальный протокол передачи файлов, или TFTP — прикладная программа в
наборе протокола TCP/IP. Сделайте анализ и найдите эквивалент этого протокола в
модели OSI. Сравните и противопоставьте эти два понятия.
9. Есть несколько моделей транспортного уровня, предложенных в модели OSI.
Сделайте анализ и найдите все из них. Объясните разницу между ними.
10. Есть несколько моделей сетевого уровня, предложенных в модели OSI. Сделайте
анализ и найдите все из них. Объясните разницу между ними.