Компьютерные сети и их виды

1. Классификация сетей ЭВМ

По технологии передачи данных сети можно разделить на два основных типа.

– вещание (от одного ко многим), имеющий режим, каскада сообщение, отправленное одной машиной, получают все машины в сети. В определенном поле сообщения указан адрес получателя. Будет ли обработан пакет на данной машине (т. е. передан операционной системе), зависит от ряда факторов.

– точка-точка (один к одному), соединяет каждую пару машин индивидуальным каналом.

Классификация сетей по сетевым топологиям. Сетевая топология - геометрическая форма (физическая связность) сети. Наиболее распространенные топологии: шина, кольцо, звезда, иерархия и ячеистая (рис. 6.17).

Чаще всего сети принято делить по территориальному признаку.

Локальные сети (Local Area Networks - LAN) - рассредоточены на небольшой территории. В общем случае представляют собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний имеется возможность применения дорогих высококачественных линий связи, позволяющих получать большие скорости передачи данных (порядка 100 Мб/с). Предоставляют пользователю множество сервисов в режиме on-line.

Глобальные сети (Wide Area Networks - WAN) - объединяют территориально рассредоточенные компьютеры. Из-за больших расстояний часто приходится использовать каналы связи, предназначенные изначально для других целей, не позволяющих достигать больших скоростей. Для устойчивой передачи и контроля/восстановления данных используется специфическое оборудование, не применяющееся в локальных сетях. Примером является сеть Internet.

Городские сети (сети мегаполисов, Metropolitan Area Networks - MAN) - охватывают несколько зданий в пределах одного города или весь город целиком. Предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные.

Сети участков, кампусов и корпораций.

Сети отделов - используются сравнительно небольшой группой пользователей, решающих некоторые общие задачи. Главная цель сети отдела - разделение локальных ресурсов - приложений, данных, принтеров, модемов и т.д. Обычно имеют 1-2 файловых сервера и не более 30 пользователей. Как правило, не разделяются на подсети. Создаются на какой-либо одной технологии - Ethernet, Token Ring. Используется 1, максимум 2 типа ОС. Сети отделов бывают как с выделенным сервером, так и одноранговые.

Сети кампусов объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах здания или ограниченной территории. В таких сетях решается проблема интеграции неоднородного программно-аппаратного обеспечения, т.к. могут сильно отличаться типы компьютеров, ОС, сетевого оборудования. Глобальные связи не используются.

Корпоративные сети (сети масштаба предприятия) могут быть сложно организованы и покрывать территории вплоть до континента. Число пользователей может измеряться тысячами, а число серверов - сотнями. Часто применяются глобальные связи и используются самые разнородные каналы: телефонные линии, спутниковые, радио и т. д. Корпоративную сеть часто представляют в виде островков локальных сетей в телекоммуникационной среде.

2. Архитектура локальных вычислительных сетей (LAN)

Архитектура сети - реализованная структура сети передачи данных, определяющая ее топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети. Архитектура сети описывает не только физическое расположение сетевых устройств, но и тип используемых адаптеров и кабелей. Кроме того, сетевая архитектура определяет методы передачи данных по кабелю.

Топологией называют способ организации физических связей между компьютерами. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (или другое оборудование), а рёбрами - физические связи между ними. Компьютеры, подключённые к сети, часто называют станциями или узлами сети. Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компонентов между собой, и может отличаться от логических связей. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети, и она образуется путём соответствующей настройки коммутационного оборудования.

Наиболее часто встречающиеся топологии:

1. Полносвязаная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Преимущества полносвязной топологии заключаются в логической простоте. Недостатки этой связи:

1) каждый компьютер должен иметь большое число портов;

2) для каждой пары компьютеров нужна отдельная линия связи.

2. Ячеистая топология: в этой сети непосредственно связаны только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными. Преимущества: простота разводки и возможность мгновенного широковещательного обращения. Недостатки: низкая надежность и невысокая производительность.

3. Общая шина является очень распространённой для локальной сети. При использовании шинной топологии компьютеры соединяются в одну линию, по концам которой устанавливают терминаторы. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети и низкой стоимости. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям - при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен.

4. Топология звезда. В этом случае каждый компьютер подключён отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором (хабом), которое находится в центре сети. Преимуществом этой топологии является ее устойчивость к повреждениям кабеля - при обрыве перестает работать только один из узлов сети и поиск повреждения значительно упрощается. Недостатком является более высокая стоимость и ограниченная возможность наращивания количества узлов сети.

5. Кольцевая конфигурация. При такой топологии узлы сети образуют виртуальное кольцо (концы кабеля соединены друг с другом). Каждый узел сети соединен с двумя соседними. Преимуществом кольцевой топологии является ее высокая надежность (за счет избыточности), однако стоимость такой сети достаточно высока за счет расходов на адаптеры, кабели и дополнительные приспособления. Данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознаёт данные как «свои», то он копирует их к себе во внутренний буфер.

6. Смешанная топология. Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию.

3. Модель OSI. Характеристика уровней модели. Понятие интерфейса и протокола

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Набор сервисов, предоставляемых одним уровнем другому, называют интерфейсом. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем - модель OSI. Она разработана Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO). Она описывает различные уровни взаимодействия систем, даёт им стандартные имена и указывает какие функции должен выполнять каждый уровень. OSI делится на 7 уровней: 1)физический; 2)канальный; 3)сетевой; 4)транспортный; 5)сеансовый; 6)представительный; 7)прикладной.

Уровни моделей OSI.

1. Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи. К этому уровню имеют отношение характеристики физической среды передачи данных (полоса пропускания, помехозащищённость, волновое сопротивление и др.). Определяются характеристики электрических сигналов и физические топологии сети, кроме того, здесь стандартизируются типы разъёмов и назначение каждого контакта. На физическом уровне работает сетевое оборудование.

2. Канальный уровень - определяет логическую топологию сети, правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами, реализация механизмов, обнаружение и коррекция ошибок. Тут биты группируются в наборы - кадры. Обеспечивает коррекцию передачи каждого кадра, помещает специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определённым способом, и добавляя контрольную сумму к кадру.

3. Сетевой уровень. Определяет правила доставки данных между логическими сетями, формирование логических адресов сетевых устройств, определение, выбор и поддержание маршрутной информации, функционирование шлюзов. Цель - решение задачи доставки данных в заданные точки сети. Управляет адресацией сообщений. Определяется маршрут передачи информации, решаются различные вопросы, связанные с сетевым трафиком: перегрузки, коммутация пакетов, маршрутизация, разбиение информации на блоки, размер которых согласуется с возможностями сетевых адаптеров. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. Здесь происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса (255.255.45.7).

4. Транспортный уровень позволяет спрятать физическую и логическую структуры сети от приложений верхних уровней OSI. Гарантирует передачу данных с той степенью надёжности, которая им требуется. На передающей стороне длинное сообщение разбивается на короткие пакеты или объединяются в один пакет. На приёмной стороне сообщение распаковывается, восстанавливается в исходном виде и компьютеру-отправителю посылается сигнал подтверждения приёма.

Компенсирует отсутствие надежного или ориентированного на соединение сервиса соединений на нижних уровнях. Оперирует с дейтаграммами, т.е. ожидает отклика-подтверждения приема из пункта назначения, проверяет правильность доставки. Имеет способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

5. Сеансовый уровень обеспечивает установку и завершение сеанса связи между компьютерами сети, выполняя при этом распознавание имён этих компьютеров и защиту данных. Важной функцией сеансового уровня является расстановка в потоке данных контрольных точек, разделяющих информацию на сегменты так, что в случае сетевой ошибки заново предаются данные только одного сегмента, следующего за последней фиксированной точкой, т.е. восстанавливает аварийно оконченные сеансы. Регулируется обмен между взаимодействующими процессами, определяется передающая, приёмная сторона, время начала и продолжительности сеанса и прочее.

6. Представительный уровень. Осуществляется преобразование данных во взаимно согласованные форматы. Обеспечивает преобразование протоколов, кодирование, и декодирование данных. Специальная утилита этого уровня - редиректор - при необходимости переадресовывает операции ввода-вывода к ресурсам сервера.

7.Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является передача файлов, удаленный терминальный доступ, электронная передача сообщений, служба справочника и управление сетью. Этот уровень является управляющим для общего доступа к сети, потока данных и процесса обработки ошибок.

Физический, канальный и сетевой уровни являются сетезависимыми, т.е. связанными с конкретной технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Прикладной, представительный и сеансовый уровни ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети - они сетенезависимы. Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает детали функционирования нижних уровней от верхних, что позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от применяемых технических средств.

4. Уровни работы коммуникационного оборудования согласно модели OSI

С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение следующего сетевого оборудования:

– концентраторы, хабы и повторители, регенерирующие электрические сигналы;

– соединительные разъемы среды передачи, обеспечивающие механический интерфейс для связи устройства со средой передачи;

– модемы и различные преобразующие устройства, выполняющие цифровые и аналоговые преобразования;

– сетевые адаптеры (приемом и передачей сигналов по линии связи) и др. сетевое оборудование.

С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

– мосты; Для них сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной пакет. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети;

– интеллектуальные концентраторы;

– коммутаторы;

– сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.) (получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера).

С сетевым уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

– маршрутизаторы; Для маршрутизаторов сеть - это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Маршрутизаторы анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый короткий из них. При выборе могут приниматься во внимание и другие факторы, например, состояние промежуточных узлов и линий связи, пропускная способность линий или стоимость передачи данных. Для того, чтобы маршрутизатор мог выполнять возложенные на него функции ему должна быть доступна более развернутая информация о сети, нежели та, которая доступна мосту. В заголовке пакета сетевого уровня кроме сетевого адреса имеются данные, например, о критерии, который должен быть использован при выборе маршрута, о времени жизни пакета в сети, о том, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет. Благодаря использованию дополнительной информации, маршрутизатор может осуществлять больше операций с пакетами, чем мост/коммутатор. Поэтому программное обеспечение, необходимое для работы маршрутизатора, является более сложным.

– некоторые из коммутаторов.

Шлюз может работать на любом уровне модели OSI. Шлюз (gateway) - это устройство, выполняющее трансляцию протоколов. Шлюз размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообщения, поступающие из одной сети, в формат другой сети. Шлюз может быть реализован как чисто программными средствами, установленными на обычном компьютере, так и на базе специализированного компьютера. Трансляция одного стека протоколов в другой представляет собой сложную интеллектуальную задачу, требующую максимально полной информации о сети, поэтому шлюз использует заголовки всех транслируемых протоколов.

5. Линии связи. Характеристика линий связи

Линия связи (канал связи) состоит из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, аппаратуры передачи данных (модемы) и промежуточной аппаратуры (усилители, мультиплексоры, коммутаторы и т.д.).

Физическая среда передачи данных (medium) может быть представлена кабелем, атмосферой, космическим пространством.

В зависимости от среды передачи линии связи бывают:

- проводные (воздушные);

- кабельные (волоконно-оптические);

- радиоканалы.

Проводные линии традиционно используют для передачи телефонных, телеграфных и при необходимости, компьютерных данных. Имеют низкие скоростные и помехозащищенные характеристики.

Кабельные линии для передачи компьютерных данных используются в основном 3-х типов: коаксиальные, на основе витой пары и оптоволоконные.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Различаются частотными диапазонами и дальностью связи}Диапазоны КВ, СВ и ДВ называются диапазонами амплитудной модуляции (АМ). Обеспечивают максимальную дальность связи, но с небольшой скоростью передачи. Более скоростными являются УКВ (FМ) каналы и каналы СВЧ (microwaves). В диапазонах свыше 4 ГГц сигналы не отражаются ионосферой и требуется прямая видимость между приемником и передатчиком (спутниковая связь и радиорелейные линии).

(Наиболее популярная среда из-за лучшего соотношения цена/характеристики и простоты монтажа - витая пара. Наиболее перспективная среда - оптоволокно. Спутниковые и радиоканалы используют, если кабельную связь применить невозможно.

6. Методы передачи данных в сетях ЭВM. Коммутация каналов, сообщений, пакетов

Методы коммутации связей и соединений.

Три схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, пакетов, сообщений.

1) сети с динамической коммутацией. Сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователей сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем связь разрывается.

2) сети с постоянной коммутацией. Сеть разрешает паре пользователей заказать соединения на длительный период времени. Соединения устанавливаются обслуживающим протоколом сети.

Коммутация каналов - образование непрерывного составного физического канала из последовательных соединений отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Соединены коммутаторами или другими устройствами.

1) техника частотного мультиплексирования FDM.

Для разделения абонентских каналов по частоте используют модуляцию высокочастотного несущего синусоидального сигналов низкочастотным сигналом. На входе коммутатора поступают данные от абонентов телефонной сети. Чтобы низкочастотная составляющая сигналов разных каналов не смешивалась между собой: ширина полос - 4 кГц, ширина страхового промежутка - 900 Гц.

2) техника мультиплексирования с разделением времени TDM.

Аппаратура - мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры. Поочерёдно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры - тайм-слот.

Коммутация пакетов - сообщения разбиваются в исходном узле на части (пакеты, от 46 до 1500 байт). Каждый пакет снабжается заголовком, где указывается адресная информация, для доставки пакета и сбора сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки.

Коммутация сообщений. Сообщение - логически завершённая порция данных (от нескольких байтов до нескольких мегабайтов). Коммутация сообщений - передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Транзитные компьютеры соединяться сетью с коммутацией пакетов или каналов. Сообщения хранятся в транзитном компьютере на диске. Такой режим передачи называется режимом «хранение-передача».

Способы передачи данных:

1)Симплексный - по линии только в одном направлении.

2)Полудуплексный - в обоих направлениях, но попеременно во времени.

3)Дуплексный - в обоих направлениях одновременно.

7. Физический уровень передачи данных. Аналоговая и дискретная модуляции. Асинхронная и синхронная передачи

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования:

– на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция); кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала;

– на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Аналоговая модуляция. Применяется для передачи дискретных данных с узкой полосой частот. Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала. В связи с этим имеется три способа аналоговой модуляции:

1. амплитудная (АМ); 2. частотная (ЧМ); 3. фазовая (ФМ).

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических 1 и 0 используют только значение потенциалов сигналов, его перепады во внимание не принимаются.

Импульсные коды представляют двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени. Импулъсно-кодовая модуляция, один из примеров дискретной модуляции, широко применяется в цифровой телефонии.

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям функции - непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений. Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется АЦП. После этого замеры передаются по каналам связи в виде последовательности единиц и нулей.

Существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный.

Асинхронная (а) и синхронная (б) передачи на уровне байт

Асинхронная передача - используется для пересылки байтов (символов), при этом промежутки между передачей отдельных символов могут быть неравными (т.е. генерация байтов данных производится в случайные моменты времени). Каждому символу предшествуют стартовые биты, а окончание передачи кадра обозначается стоп-битами. Иногда этот метод передачи называют старт-стоповым.

Синхронная передача - режим передачи, при котором биты данных пересылаются с фиксированной скоростью, а приемник и передатчик синхронизированы. При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные объединяются в кадр, который сопровождается байтом синхронизации. Байт синхронизации содержит заранее определенный код, оповещающий о приходе кадра.

8. Архитектура Ethernet

Под сетевой архитектурой понимаем комбинацию стандартов топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети. Самая популярная в настоящее время сетевая архитектура Ethernet (стандарт IEEE 802.3). Она описывает широковещательную сеть с шинной топологией с децентрализованным управлением, использующую узкополосную передачу на скоростях от 10 до 100 Мбит/с и для регулирования трафика в основном сегменте кабеля использует метод доступа CSMA/CD. Компьютеры в сети Ethernet могут выполнять передачу в любое время, если кабель свободен. При столкновении 2х или более пакетов каждый ПК просто ждет в течение случайного интервала времени, после которого снова пытается передать пакет.

Среда передачи (кабель) Ethernet является пассивной, получающей питание от компьютера.

Широко применяются следующие четыре стандарта топологии Ethernet.

10Base-T - витая пара. Большинство сетей этого типа строятся в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину. Максимальная длина сегмента - 100м, узлов на 1 сегмент - 1024, а минимальная дина кабеля - 2.5 м. Скорость передачи 10Мбит/с с использованием неэкранированной витой пары UTP.

10Base2 - тонкий коаксиальный кабель (thin Ethernet). Максимальная длина сегмента 200м, и один сегмент кабеля может соединять не более 30 ПК. Мин. Длина кабеля - 0,5м. Скорость передачи 10Мбит/с Для соединения используют BNC (British Naval Connector) коннекторы, образующие Т-образные ответвления и BNC-терминаторы..

10Base5 - толстый коаксиальный кабель (thick Ethernet). Эта топология предполагает 500-метровые сегменты. Поддерживает до 100 узлов/ Скорость передачи 10Мбит/с

10Base-F - оптоволоконный кабель. Его применение дает возможность реализовать соединения на больших расстояниях, например, между зданиями. Максимальная длина сегмента - 2000м. Узлов в сегменте - 1024.

Стандарты IEEE на 100 Мбит/сек.

100VG-AnyLAN (IEEE 802.12) - новая сетевая технология, сочетающая в себе элементы Ethernet и Token Ring. Длина кабеля не должна превышать 250м.

100BaseX Ethernet (Fast (быстрый) Ethernet). Он строится на UTP категории 5, использует метод доступа CSMA/CD и топологию «звезда-шина», при реализации которой все кабели подключены к концентратору.

Ethernet может использовать несколько протоколов связи, в том числе и TCP/IP. Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, используемых в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемой как единое целое. Один кадр может иметь от 64 до 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD), из них 18 байт предназначены для служебной информации (структуры кадра).

9. Адресация компьютеров

Для однозначной идентификации компьютера в сети выработана система адресации. К адресу узла сети и схеме его назначения предъявляются следующие требования:

адрес должен быть уникальным в сети любого масштаба;

схема назначения адресов должна быть по возможности автоматизирована;

адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей;

адрес должен быть удобен с точки зрения пользователя;

адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры.

Наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов.

Аппаратные (hardware) адреса. Такой адрес используется преимущественно аппаратурой, поэтому его стараются сделать как можно более компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатиричного значения, например, 0081005e24a8. Аппаратный адрес обычно встраивается в устройство.

Символьные адреса или имена. Предназначены для запоминания людьми поэтому несут смысловую нагрузку. Имеют иерерхическую структуру, например, ftp-arch1.ucl.ac.uk (ftp-архив одного из колледжей Лондонского университета - University College London, сеть относится к академической ветви - ac - Internet Великобритании - uk).

Числовые составные адреса..Типичные представители - IP и IPX-адреса. Поддерживают двухуровневую иерархию: адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. В последнее время применяется более сложная иерархия - три и более составляющие (IPv6). (127.123.345.040)

Установлением соответствия между адресами разных типов занимается служба разрешения имен. Она может быть организована централизованными или распределенными средствами. В первом случае в сети выделяется один компьютер (сервер имен), хранящий таблицы соответствия имен различных типов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен, чтобы, например, по символьному имени найти числовой номер компьютера, с которым нужно обменяться данными. (Так, например, работает служба Domain Name System - DNS сети Internet). При использовании распределенного подхода компьютер-отправитель перед началом передачи посылает широковещательное сообщение с просьбой опознать нужное имя. Остальные компьютеры, получив это сообщение сравнивают запрашиваемый адрес со своим собственным и при обнаружении соответствия посылают ответ, содержащий аппаратный адрес, после чего связь может быть установлена.

10. Семейство протоколов TCP/IP и их характеристика. Соответствие уровней стеку протоколов TCP/IP модели OSI

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей. Стек 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. Основными протоколами стека являются протоколы IP и TCP. Эти протоколы в терминологии модели OSI относятся к сетевому и транспортному уровням. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надежность его доставки. Стек TCP/IP использует большое количество протоколов прикладного уровня: FTP, telnet, SMTP; гипертекстовые сервисы службы WWW и многие другие.

Структура стека TCP/IP

Стек TCP/IP имеет многоуровневую структуру, но разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI. В стеке TCP/IP определены 4 уровня: Прикладной, Основной (транспортный), Уровень межсетевого взаимодействия, Уровень сетевых интерфейсов.

Соответствие модели OSI: в модели ТСР/IР отсутствует уровень представления и сеансовый уровень из модели OSI.

Стек TCP/IP

Нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay.

Уровень III - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

Уровень II называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol).

Уровень I называется прикладным. Протоколы и сервисы прикладного уровня: FTP; telnet; SMTP; гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации (WWW) и т.д.

11. Назначение протокола IP. Его местонахождение в стеке TCP/IP и в модели OSI. Формат заголовка IP-дейтаграмы и характеристика полей заголовка

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP). В модели TCP/IP он расположен на межсетевом уровне, а в модели OSI - на сетевом уровне. Он обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей. Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол IP. Дейтаграмму протокола IP также называют пакетом.

К основным функциям протокола IP относятся:

· перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме;

· сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Формат заголовка дейтаграммы

Версия	IHL	Тип службы	Полная длина
Идентификатор		DF	MF	Смещение фрагмента
Время жизни	Протокол	Контрольная сумма заголовка
Адрес отправителя
Адрес получателя
Необязательная часть (0 или более слов)

Рис. 5.39. Заголовок IP-дейтаграммы

Поле Версия содержит версию протокола.

IHL содержит длину заголовка в 32-разрядных словах. Минимальное значение длины (при отсутствии необязательного поля) равно 5. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 5, что соответствует заголовку длиной 60 байт, таким образом, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам.

Поле Тип службы позволяет хосту указать подсети, какой вид сервиса ему нужен.

Поле Полная длина включает всю дейтаграмму, заголовок плюс данные. Максимальная длина дейтаграммы 65535 байт.

Поле Идентификатор позволяет хосту-получателю определить, какой дейтаграмме принадлежат полученные им фрагменты. Все фрагменты дейтаграммы содержат то же самое значение идентификатора.

Следом идет неиспользуемый бит и два однобитовых поля. Бит DF означает Don't Fragment (не фрагментировать), Бит MF означает More Fragments (продолжение следует). Он устанавливается у всех фрагментов, кроме последнего. По этому биту получатель узнает, получил ли он все фрагменты дейтаграммы.

Поле Смещение фрагмента указывает положение фрагмента в оригинальной дейтаграмме. Поле Время жизни представляет собой счетчик, ограничивающий время жизни пакета, т.е. он просто считает количество маршрутизаторов.

Собрав дейтаграмму из фрагментов, сетевой уровень должен решить, что с ней делать. Поле Протокол сообщит ему, какому процессу транспортного уровня ее передать. Это может быть TCP, UDP или какой-нибудь другой процесс.

Поле Контрольная сумма заголовка защищает от ошибок только заголовок.

Поля Адрес отправителя и Адрес получателя указывают номер сети и номер хоста. Размер поля Необязательная часть должен быть кратен 4 байтам.

12. Принципы адресации в IP сетях. Понятия адреса сети и адреса хоста. Формат IP адреса. Форматы классов А, В и С ІР адресов. Формат и назначение маски подсети

Любой IP-адрес состоит из четырех чисел в интервале от 1 до 254, разделенных точками. Пример IP-адреса: 10.18.49.102. В схемах IP-адресации также могут использоваться числа 0 и 255, но они зарезервированы. Число 255 используется для направления дейтаграммы всем компьютерам сети IP. Число 0 используется для более точного указания адреса. В таком случае 10.18.49.0 будет обозначать адрес сети, а 0.0.0.102 будет обозначать адрес хоста.

IP-адрес можно использовать для построения как сетей с несколькими узлами, так и сетей, содержащих миллионы узлов. Для этого Союз Internet определил три класса сетей, отличающихся друг от друга по размеру.

Класс А: Большие сети с миллионами узлов. Формат класса А позволяет задавать адреса до 126 сетей с 16 млн хостов в каждой. Первый октет (самый левый) обозначает адрес сети. Оставшиеся три - обозначают номер узла. Формат IP адреса для класса А: 0 -- Сеть (1 октет) -- Хост (3 октета). Диапазон адресов хостов от 1.0.0.0 до 127.255.255.255

Класс В: Сети средних размеров с тысячами узлов. Формат класса В -- до 16 382 сетей с 64 Кбайт хостами. Первые два октета (слева) обозначают адрес сети. Остальные два (справа) - обозначают номер узла. Формат IP адреса для класса B: 10 -- Сеть (2 октета) -- Хост (2 октета). Диапазон адресов хостов от 128.0.0.0 до 191.255.255.255

Класс С: Небольшие сети с несколькими сотнями узлов. Формат класса С -- 2 млн сетей (например, локальных) с 254 хостами в каждой. Первые три октета обозначают адрес сети. Последний октет - адрес узла. Формат IP адреса для класса С: 110 -- Сеть (3 октета) -- Хост (1 октет). Диапазон адресов хостов от 192.0.0.0 до 223.255.255.255

Число 0 означает эту сеть или этот хост. Значение -1 используется для широковещания и означает все хосты указанной сети. IP-адрес 0.0.0.0 используется хостом только при загрузке. IP-адреса с нулевым номером сети обозначают текущую сеть. Эти адреса позволяют машинам обращаться к хостам собственной сети, не зная ее номера (но они должны знать ее класс и сколько нулей использовать). Маска также как и IP-адрес имеет 32 разряда (бита). Биты, которые соответствуют адресу сети или подсети, установлены в 1, а остальные - в 0. Так, маска сети класса А будет 255.0.0.0, для сети класса В - 255.255.0.0, и для сети класса С - 255.255.255.0 соответственно. Маска подсети необходима для вычисления маршрутизаторами номера подсети. Маска подсети накладывается на IP адрес хоста, при этом получается номер подсети.

13. Принципы маршрутизации в IP сетях. Структура и назначение полей таблицы маршрутизации. Источники и типы записей в таблице маршрутизации. Маршрутизация без использования масок. Маршрутизация с использованием масок бесклассовая междоменная маршрутизация

Чтобы понять, как функционируют подсети, следует рассмотреть процесс обработки IP-пакетов маршрутизатором. У каждого маршрутизатора есть таблица, содержащая IP-адреса сетей и IP-адреса хостов. Адреса сетей позволяют получать доступ к удаленным сетям, а адреса хостов -- обращаться к локальным хостам. С каждой таблицей связан сетевой интерфейс, применяющийся для получения доступа к пункту назначения, а также другая информация.

Когда IP-пакет прибывает на маршрутизатор, адрес получателя, указанный в пакете, ищется в таблице маршрутизатора. Если пакет отправляется в удаленную сеть, он пересылается следующему маршрутизатору по интерфейсу, указанному в таблице. Если пакет предназначается локальному хосту (то есть в локальной сети маршрутизатора), он посылается напрямую адресату. Если номера сети, в которую посылается пакет, в таблице маршрутизатора нет, пакет пересылается маршрутизатору по умолчанию, с более подробными таблицами. Такой алгоритм означает, что каждый маршрутизатор должен учитывать только другие сети и локальные хосты, а не пары (сеть, хост), что значительно уменьшает размер таблиц маршрутизатора.

При разбиении сети на подсети таблицы маршрутизаторов изменяются. При этом к ним добавляются новые строки вида (эта сеть, подсеть, 0) и (эта сеть, эта подсеть, хост). Таким образом, маршрутизатор в каждой подсети знает, как получить доступ ко всем остальным подсетям и ко всем хостам своей подсети. Подробности о хостах других подсетей ему знать не нужно. Все, что нужно маршрутизатору, -- это, определив класс сети, наложить маску подсети на IP-адрес пакета, чтобы, удалив номер хоста, получить номер подсети, который затем ищется в таблице. Например, пакет, направляющийся по адресу 130.50.15.6, прибывает на маршрутизатор подсети 5.

После наложения маски, его адрес превращается в 130.50.12.0, что означает подсеть 3. Этот адрес подсети находится в таблице маршрутизатора. Таким образом, маршрутизатор в подсети 5 избавлен от обязанности знать все хосты других подсетей.

Разбиение сети на подсети уменьшает размер таблиц маршрутизаторов, создавая трехуровневую иерархию.

14. Назначение протокола TCP. Его положение в стеке TCP/IP и в модели OSI. Формат заголовка TCP сегмента и характеристика его полей

Уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм, поэтому именно TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) приходится следить за истекшими интервалами ожидания и заниматься повторной передачей пакетов, восстанавливать сообщения из прибывших не в том порядке дейтаграмм.

Таким образом, протокол TCP должен обеспечить надежность не предоставляемую протоколом IP.

Он разбивает входной поток байт на отдельные сообщения и передает их межсетевому уровню. На пункте назначения получающий TCP-процесс восстанавливает из полученных сообщений выходной поток. Кроме того, TCP осуществляет управление потоком, чтобы быстрый отправитель не завалил информацией медленного получателя.

В модели TCP/IP протокол TCP реализован на транспортном уровне, как и в модели OSI.

Две TCP-сущности обмениваются данными в виде сегментов. Каждый сегмент начинается с 20-байтового заголовка фиксированного формата.

Порт отправителя	Порт получателя
Порядковый номер
Номер подтверждения
Длина TCP-заголовка		U R G	A C K	P S H	R S T	S Y N	F I N	Размер окна
Контрольная сумма	Указатель на срочные данные
Параметры (0 или более 32-разрядных слов)
Данные (необязательное поле)

Рис. 6.19. TCP-заголовок

Поля Порт получателя и Порт отправителя являются идентификаторами локальных конечных точек соединения.

Поля Порядковый номер и Номер подтверждения выполняют свою обычную функцию. Обратите внимание, что поле Номер подтверждения означает следующий ожидаемый байт, а не последний полученный байт. Оба 32-разрядные, так как в TCP-потоке нумеруется каждый байт данных.

Поле Длина TCP-заголовка означает размер TCP-заголовка в 32-разрядных словах. Эта информация нужна, так как поле Параметры может быть переменной длины, а вместе с ним и весь заголовок. Это поле можно рассматривать, как смещение от начала сегмента до начала данных в 32-битовых словах.

Следом идет неиспользуемое 6-битовое поле.

Затем следуют шесть 1-битовых флагов.

Бит URG устанавливается в 1 в случае использования поля Указатель на срочные данные, содержащего смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных.

Бит АСК, будучи установлен в 1, означает, что поле Номер подтверждения содержит осмысленные данные. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения и поле Номер подтверждения просто игнорируется.

Бит PSH является флагом PUSH, с помощью которого отправитель просит получателя доставить данные приложению сразу по получении пакета, а не хранить его в буфере, пока буфер не наполнится, что получатель может делать ради большей эффективности.

Бит RST используется для сброса состояния соединения, которое из-за сбоя хоста или по другой причине попало в тупиковую ситуацию. Если вы получили сегмент с установленным битом RST, это означает наличие какой-то проблемы.

Бит SYN применяется для установки соединения.

Бит FIN используется для разрыва соединения. Он указывает, что у отправителя больше нет данных для передачи.

Управление потоком в протоколе TCP осуществляется при помощи скользящего окна переменного размера. Поле Размер окна сообщает, сколько байтов может быть послано после получившего подтверждения байта. Значение поля Размер окна может быть равно нулю, это означает, что все байты вплоть до Номер подтверждения-1 получены, но у получателя в данный момент какие-то проблемы, и остальные байты он пока принять не может.

Поле Контрольная сумма содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка.

Поле Параметры предоставляет дополнительные возможности, не покрываемые стандартным заголовком.

15. Принципы надежной передачи данных в протоколе TCP. Понятие протокола TCP, как протокола с положительным подтверждением и повторной передачей (PAR). Управление потоком передачи данных в протоколе TCP

Протокол TCP (протокол управления передачей) был специально разработан для предоставления надежного сквозного байтового потока в ненадежной сети.

Поток данных, посылаемый на TCP соединение, принимается получателем надежно и в соответствующей очередности. Передача осуществляется надежно благодаря использованию подтверждений и номеров очереди. Концептуально каждому октету данных присваивается номер очереди. Номер очереди для первого октета данных в сегменте передается вместе с этим сегментом и называется номером очереди для сегмента. Сегменты также несут номер подтверждения, который является номером для следующего ожидаемого октета данных, передаваемого в обратном направлении. Когда протокол TCP передает сегмент с данными, он помещает его копию в очередь повторной передачи и запускает таймер. Когда приходит подтверждение для этих данных, соответствующий сегмент удаляется из очереди. Если подтверждение не приходит до истечения срока, то сегмент посылается повторно.

Базовая передача данных. Протокол TCP способен передавать непрерывные потоки октетов между своими клиентами в обоих направлениях, пакуя некое количество октетов в сегменты для передачи через системы Internet. В общем случае протоколы TCP решают по своему усмотрению, когда производить блокировку и передачу данных. Иногда пользователям бывает необходимо убедиться в том, что все данные, переданные ими протоколу TCP, уже отправлены. Для этой цели определена функция проталкивания (push). Чтобы убедиться в том, что данные, отправленные протоколу TCP, действительно переданы, отправитель указывает, что их следует протолкнуть к получателю. Проталкивание приводит к тому, что программы протокола TCP сразу осуществляют отправление и, соответственно, получение остающихся данных. Правильно осуществленное проталкивание может быть невидимо для получателя, а сама функция проталкивания может не иметь маркера границы записи.

Достоверность. Протокол TCP должен иметь защиту от разрушения данных, потери, дублирования и нарушения очередности получения, вызываемых коммуникационной системой Internet. Это достигается присвоением очередного номера каждому передаваемому октету, а также требованием подтверждения (ACK) от программы TCP, принимающей данные. Если подтверждения не получено в течении контрольного интервала времени, то данные посылаются повторно. Протоколы, в которых отправитель ожидает положительного подтверждения, прежде чем перейти к пересылке следующего кадра, часто называются PAR (положительное подтверждение с повторной передачей). Со стороны получателя номера очереди используются для восстановления очередности сегментов, которые могут быть получены в неправильном порядке, а также для ограничения возможности появления дубликатов. Повреждения фиксируются посредством добавления к каждому передаваемому сегменту контрольной суммы, проверки ее при получении и последующей ликвидации дефектных сегментов.

Протокол TCP защищает от ошибок коммуникационной системы Internet.

Управление потоком. В рамках установленного соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя (квитирование). В протоколе TCP используется частный случай квитирования - алгоритм скользящего окна. Протокол TCP дает средства получателю управлять количеством данных, посылаемых ему отправителем. Это достигается возвратом так называемого "окна" вместе с каждым подтверждением, которое указывает диапазон приемлемых номеров, следующих за номером последнего успешно принятого сегмента. Окно представляет собой фрагмент сообщения, которые адресат готов принять. При установлении соединения отправителю сообщается размер окна (кратен размеру сегмента). После того, как отправитель передал количество байтов, соответствующее размеру окна, он должен ждать квитанции. Как только будет получена квитанция на переданные сегменты, окно сдвигается вправо на соответствующее число байтов, и новые сегменты могут быть переданы. Отправитель может передать без получения квитанций в сеть максимально столько сегментов, сколько их укладывается в скользящем окне. В процессе обмена данными получатель может присылать квитанции, в которых будет указан новый размер скользящего окна.

16. Протокол Х25

Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий.

- Наличие в структуре сети специального устройства -- PAD (Packet Assembler Disassembler), предназначенного для сборки нескольких низкоскоростных старт-стопных потоков байтов от алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. Эти устройства имеют также русскоязычное название сборщик-разборщик пакетов, СРП

- Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.

- Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети -- сетевой уровень рассчитан на работу только с одним протоколом канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные сети.

Стандарты сетей X.25 описывают три уровня протоколов

? на физическом уровне определены синхронные интерфейсы X.21 X.21 bis к оборудования передачи данных - либо DSU/CSU, если выделенный канал является цифровым, либо к синхронному модему, если канал аналоговый.

? на канальном уровне используется подмножество протокола HDLC, обеспечивающее возможность автоматической передачи в случае возникновения ошибок в линии. Предусмотрен выбор из двух процедур доступа к каналу: LAP или LAP-B.

? на сетевом уровне определен протокол Х.25/3 обмена пакетами между оконечным оборудованием и сетью передачи данных.

Транспортный уровень может быть реализован в конечных узлах, но он стандартом не определяется.

Протокол физического уровня канала связи не оговорен, и это дает возможность использовать каналы разных стандартов.

На канальном уровне обычно используется протокол LAP-B. Этот протокол обеспечивает сбалансированный режим работы, то есть оба узла, участвующих в соединении, равноправны. По протоколу LAP-B устанавливается соединение между пользовательским оборудованием DTE(компьютером, IP- или IPX-маршрутизатором) и коммутатором сети. Хотя стандарт это и не оговаривает, но по протоколу LAP-B возможно также установление соединения на канальном уровне внутри сети между непосредственно связанными коммутаторами. Протокол LAP-B почти во всех отношениях идентичен протоколу LLC2, кроме адресации. Кадр LAP-B содержит одно однобайтовое адресное поле (а не два -- DSAP и SSAP), в котором указывается не адрес службы верхнего уровня, а направление передачи кадра -- 0x01 для направления команд от DTE к DCE (в сеть) или ответов от DCE к DTE (из сети) и 0x03 для направления ответов от DTE к DCE или команд от DCE к DTE. Поддерживается как нормальный режим (с максимальным окном в 8 кадров и однобайтовым полем управления), так и расширенный режим (с максимальным окном в 128 кадров и двухбайтовым полем управления).

Сетевой уровень Х.25/3 (в стандарте он назвал не сетевым, а пакетным уровнем) реализуется с использованием 14 различных типов пакетов, по назначению аналогичных типам кадров протокола LAP-B. Так как надежную передачу данных обеспечивает протокол LAP-B, протокол Х.25/3 выполняет функции маршрутизации пакетов, установления и разрыва виртуального канала между конечными абонентами сети и управления потоком пакетов.

17 Принципы объединения локальных сетей

Существующие сети часто используют различное оборудование и программное обеспечение. Люди, связанные с одной сетью, хотят общаться с людьми, подключенными к другой сети. Для выполнения этого желания необходимо объединить вместе различные и часто несовместимые сети. С этой целью иногда используются машины, называемые шлюзами, обеспечивающие соединение и необходимое преобразование как в терминах аппаратуры, так и программного обеспечения. Набор соединенных сетей называется объединенной сетью. Обычной формой объединенных сетей является набор локальных сетей, объединенных при помощи глобальной сети. Если система внутри овала содержит только маршрутизаторы, то это подсеть. Если же она содержит как маршрутизаторы, так и хосты, то это глобальная сеть.

Интернет можно определить как множество локальных сетей, объединенных между собой. С точки зрения физических соединений, они могут иметь самую разную природу. Начиная от модемных соединений по телефонной линии (до 50 кбит/с) и заканчивая связью через спутники. В пределах одного здания для создания сети обычно используют широко известные спецификации локальных сетей (Ethernet, FDDI, Token Ring). Между географически удаленными машинами проще всего использовать выделенную телефонную линию, либо радиорелейную связь.