Компьютерные сети и телекоммуникации

Протокол(Protocol)

Строго определенная процедура и формат сообщений, допустимые для коммуникаций между двумя или более системами через общую среду передачи данных.

Формализованный набор правил, используемый ПК для коммуникаций. Из-за сложности коммуникаций между системами и необходимости соблюдения различных коммуникационных требований протоколы разделяются на модульные уровни. Каждый уровень выполняет конкретную функцию для расположенного выше уровня.

В настоящее время используется достаточно большое количество сетевых протоколов, причем в рамках одной и той же сети определяется сразу несколько из них. Стремление к максимальному упорядочению и упрощению процессов разработки, модернизации и расширения сетей определило необходимость введения стандартов, регламентирующих принципы и процедуры организации взаимодействия абонентов компьютерных сетей. С этой целью была разработана так называемая Эталонная модель взаимодействия открытых систем, состоящая из семи уровней. (OSI, Open Systems Interconnection), разработана международной организацией стандартизации (ISO, International Standards Organization). Модель OSI напоминает разные "уровни" обычного почтового адреса - от страны и штата (округа) до улицы, дома (места назначения) и фамилии получателя. Для доставки информации соответствующему получателю устройства на маршруте передачи используют разные уровни детализации. Каждый из уровней представляет определенную группу функций, необходимых для работы компьютерной сети.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI, Open Systems Interconnection)

Основным, с точки зрения пользователя, является прикладной уровень. Этот уровень обеспечивает выполнение прикладных процессов пользователей. Наряду с прикладными протоколами, он определяет протоколы передачи файлов, виртуального терминала, электронной почты.

Следующий (шестой) уровень называется представительным (уровень представления данных). Он определяет единый для всех систем синтаксис передаваемой информации. Необходимость данного уровня обусловлена различной формой представления информации в сети передачи данных и компьютерах. Этот уровень играет важную роль в обеспечении «открытости» систем, позволяя им общаться между собой независимо от их внутреннего языка.

Пятый уровень называют сеансовым, так как основным его назначением является организация сеансов связи между прикладными процессами различных рабочих станций. На этом уровне создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения -- логические каналы между процессами. Необходимость протоколов этого уровня определяется относительной сложностью сети передачи данных и стремлением обеспечить достаточно высокую надежность передачи информации.

Четвертый, транспортный уровень (уровень сквозной передачи) служит для передачи данных между двумя взаимодействующими открытыми системами и организации процедуры сопряжения абонентов сети с системой передачи данных. На этом уровне определяется взаимодействие рабочих станций -- источника и адресата данных, организуется и поддерживается логический канал (транспортное соединение) между абонентами.

Третий, сетевой уровень, предназначен для маршрутизации информации и управления сетью передачи данных. В отличие от предыдущих, этот уровень в большей степени ориентирован на сеть передачи данных. Здесь решаются вопросы управления сетью передачи данных, в том числе маршрутизация и управление информационными потоками.

Канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и расторжения соединений на уровне каналов передачи данных. Процедуры канального уровня обеспечивают обнаружение и, возможно, исправление ошибок, возникающих на физическом уровне.

Физический уровень обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства организации физических соединений при передаче бит данных между физическими объектами.

Четыре нижних уровня образуют транспортную службу компьютерной сети, которая обеспечивает передачу («транспортировку») информации между рабочими станциями, освобождая более высокие уровни от решения этих задач.

В свою очередь, три верхних уровня, обеспечивающие логическое взаимодействие прикладных процессов, функционально объединяются в абонентскую службу.

В рамках эталонной модели также определяются услуги, которые должны обеспечивать ее уровни. Услуги, по сути дела, представляют собой функции, выполняемые на соответствующем уровне эталонной модели.

В частности, физический уровень должен обеспечивать такие виды услуг, как установление и идентификация физических соединений, организация последовательностей передачи бит информации, оповещение об окончании связи.

Канальный уровень обеспечивает организацию нужной последовательности блоков данных и их передачу, управление потоками между смежными узлами, идентификацию конечных пунктов канальных соединений, обнаружение и исправления ошибок, оповещение об ошибках, которые не исправлены на канальном уровне.

Сетевой уровень в числе основных услуг осуществляет идентификацию конечных точек сетевых соединений, организацию сетевых соединений, управление потоками блоков данных, обеспечение последовательностей доставки блоков данных, обнаружение ошибок и формирование сообщений о них, разъединение сетевых соединений.

Транспортный уровень обеспечивает установление и разъединение транспортных соединений, формирование блоков данных, обеспечение взаимодействия сеансовых соединении с транспортными соединениями, управление последовательностью передачи блоков данных, обеспечение целостности блоков данных во время передачи, обнаружение и устранение ошибок, сообщение о неисправленных ошибках, предоставление приоритетов в передаче блоков, передачу подтверждений о принятых блоках, ликвидацию тупиковых ситуаций.

На сеансовом уровне предоставляются услуги, связанные с обслуживанием сеансов и обеспечением передачи данных в диалоговом режиме, установлением сеансового соединения, обменом данными; управлением обменом; синхронизацией сеансового соединения, сообщениями об исключительных ситуациях, отображением сеансового соединения на транспортный уровень, завершением сеансового соединения.

Представительный уровень обеспечивает выбор вида представления данных, интерпретацию и преобразование передаваемой информации к виду, удобному для прикладных процессов, преобразование синтаксиса данных, формирование блоков данных.

Прикладной уровень обеспечивает широкий набор услуг, в том числе:

управление терминалами, управление файлами, управление диалогом, управление задачами, управление сетью в целом.

К дополнительным услугам уровня относятся услуги по организации электронной почты, передачи массивов сообщений и т.п.

Услуги различных уровней определяются с помощью протоколов эталонной модели взаимодействия открытых систем. В соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем вводятся семь типов протоколов, которые именуются так же, как уровни.

Протоколы локальных сетей

Под протоколами локальных сетей подразумевается набор протоколов первого и второго уровней эталонной модели, определяющих архитектуру локальной сети, в том числе ее топологию, передающую среду, технические средства и протоколы. Основополагающими для локальных сетей являются стандарты серии IEEE. С помощью этих стандартов были определены: основная терминология, архитектура и протоколы двух нижних уровней Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Структура стандартов IEEE представлена на рисунке.

Структура стандарта IEEE

Стандарт IEEE 802.1 является общим документом, который определяет архитектуру и прикладные процессы системного управления сетью, методы объединения сетей на подуровне управления доступом к передающей среде. В соответствии с данным стандартом канальный уровень разбит на два подуровня: УЛК -- управления логическим каналом и УДС -- управления доступом к физической среде.

Стандарт IEEE 802.2 определяет протоколы управления логическим каналом, в том числе специфицирует интерфейсы с сетевым уровнем и подуровнем управления доступом к передающей среде. Каждый из остальных стандартов, начиная с IEEE 802.3, определяет метод доступа и специфику физического уровня для конкретного типа локальной компьютерной сети. Так, стандарт IEEE 802.3 описывает характеристики и процедуры множественного доступа с контролем передачи и обнаружением столкновений. Стандарт IEEE 802.4 определяет протокол маркерного доступа к моноканалу. Процедуры и характеристики маркерного метода доступа к кольцевой сети определяется стандартом IEEE 802.5. Для локальных сетей, охватывающих площадь радиусом до 25 км и использующих технические средства кабельного телевидения, разработан стандарт IEEE 802.6. Этот стандарт предусматривает передачу данных, речи, изображений и позволяет создавать так называемые городские локальные сети. В настоящее время продолжаются работы по стандартизации локальных компьютерных сетей. Так, в подкомитете IEEE 802.11 разрабатывается стандарт на радиосети для мобильных компьютеров, а в комитете IEEE 802.12 рассматривается стандарт на высокоскоростные компьютерные сети “lOOVG-AnyLAN.

В 1985 году серия стандартов IEEE 802 была принята Международной организацией стандартов за основу международных стандартов физического и канального уровней ISO/DIS 8802/2.2 -- ISO/DIS 8802/5. Кроме того, эти стандарты были дополнены стандартом ISO/DIS 8802/7 на сети с тактируемым методом доступа к кольцу, разработанным на основе протоколов сети Cambridge Ring.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы предназначены для обеспечения надежной связи в процессе обмена информацией между абонентами компьютерной сети. Как известно, качество передачи информации во многом определяется используемой линией связи. Например, коммутируемые телефонные каналы сетей общего пользования характеризуются относительно высоким уровнем помех. При использовании подобных каналов в компьютерных сетях необходимо принимать дополнительные меры по повышению надежности передачи данных. В свою очередь, оптоволоконные линии связи характеризуются низким уровнем помех. В данном случае достаточно использовать минимальный набор транспортных услуг и простейший протокол обмена информацией. Особое значение транспортные протоколы приобретают в компьютерных сетях, передающая среда которых характеризуется относительно высоким уровнем ошибок и низкой надежностью передачи данных.

Одним из первых протоколов транспортного уровня является протокол АННР (ARPA Host-to-Host Protocol), разработанный для сети ARPA. Основное внимание в протоколе АННР уделялось управлению потоком данных, адресации пользователей, а также взаимодействию с программами, реализующими протоколы верхних уровней. Развитие сети ARPA в направлении использования сетей передачи данных общего пользования привело к появлению нового, более надежного протокола, известного в настоящее время под названием «протокол управления передачей» или TCP (сокращение от Transmission Control Protocol). Протокол TCP оказался достаточно удачным и был положен в основу стандартного международного протокола транспортного уровня. Соответственно, МККТТ определил рекомендацию Х.224 для данного транспортного протокола, а также рекомендацию Х.214 для транспортной службы.

С целью выбора оптимального набора транспортных услуг стандартным протоколом определено три типа (А, В, С) сетевых соединений и пять классов (О, 1, 2, 3, 4) транспортного протокола. В зависимости от характеристик конкретной сети передачи данных определяется тип сетевого соединения, которому она удовлетворяет. Затем, с учетом требуемого уровня качества передачи, выбирается необходимый класс транспортного протокола.

Межсетевые протоколы

Согласование компьютерных сетей между собой осуществляется в основном на сетевом и транспортном уровнях. В настоящее время используются два основных подхода к формированию межсетевого взаимодействия:

объединение сетей в рамках сети Internet в соответствии с межсетевым протоколом IP;

объединение сетей коммутации пакетов (Х.25) в соответствии с Рекомендацией МККТТХ.75.

Основное различие этих подходов заключается в следующем: протокол IP относится к протоколам без установления логического соединения (дейтаграммным), а Рекомендация Х.75 предполагает организацию виртуального соединения (канала).

Становление корпоративных компьютерных сетей тесно связано с сетью Internet, в рамках которой были реализованы основные принципы и протоколы межсетевых соединений. С сетью Internet связано появление новой группы протоколов -- так называемых межсетевых протоколов, или IP-протоколов (сокращение от Internet Protokol). Территориально располагаясь на сетевом уровне Эталонной модели, межсетевой протокол согласовывает транспортную и сетевую службы различных компьютерных сетей.

По мере развития различных компьютерных сетей стала очевидной потребность в их объединении. В связи с этим, начиная с 1973г., агентство ARPA начало осуществлять программу Internetting Project. Следовало определить, как связать сети между собой с учетом того, что каждая из них использует различные протоколы передачи информации. Для этой цели был предложен протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). Собственно протокол TCP/IP состоит из двух протоколов: TCP и IP. Протокол TCP является стандартным транспортным протоколом и предоставляет сервис для надежной передачи информации между клиентами сети. Протокол IP обеспечивает сервис доставки пакетов между узлами сети Internet отвечает за адресацию сетевых узлов. В процессе своего функционирования протокол IP постоянно взаимодействует с протоколом межсетевых управляющих сообщений (1СМР -- сокращение от Internet Control Message Protokol), образуя с ним, так называемый межсетевой модуль (IP-модуль).

Протоколы TCP и !Р располагаются в середине Эталонной модели взаимодействия открытых систем и тесно связаны с протоколами других уровней. В связи с этим термин “TCP/IP” обычно охватывает все, что связано с протоколами TCP и IP. Сюда входит целое семейство протоколов, прикладные программы и даже сама сеть. На рис. 4.3 приведены основные протоколы этого семейства и их соотношение с Эталонной моделью взаимодействия открытых систем.

Уровни Эталонной Протоколы TCP/IP модели

Уровни и межсетевые протоколы компьютерных сетей

Протокол UDP (User Datagram Protokol) -- протокол пользовательских дейтаграмм является одним из двух основных протоколов, расположенных непосредственно над протоколом IP. Он предоставляет прикладным процессам ограниченный набор транспортных услуг, обеспечивая ненадежную доставку дейтаграмм. Протокол UDP использует такие сетевые приложения, как NFS (Network File System -- сетевая файловая система) и SNMP (Simple Network Management Protokol -- простой протокол управления сетью).

В отличие от UDP, протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений в виде потоков байт.

Протокол Telnet является протоколом эмуляции терминала и позволяет рассматривать все удаленные терминалы как стандартные «сетевые виртуальные терминалы». Протокол FTP (File Transfer Protocol -- протокол передачи файлов) позволяет пользователю просмотреть каталог удаленного компьютера, скопировать один или нескольких файлов.

Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protokol -- простой протокол передачи почты) поддерживает передачу электронной почты между произвольными узлами сети Internet.

Протокол ARP (Address Resolution Protokol -- протокол разрешения адресов), осуществляет преобразование (отображение) IP-адресов в Ethernet адреса. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RARP (Reverse Address Resolution Protokol -- обратный протокол разрешения адресов).

Последовательность протоколов, непосредственно участвующих в передаче информации, называется стеком протоколов или протокольным стеком. Так, например, при передаче файлов через сеть Ethernet протокольный стек содержит протоколы: FTP/TCP/IP/IEEE 802.4.

В корпоративной сети важную роль играют механизмы преобразования физических адресов конкретной сети в межсетевые (Internet) адреса и обратно. В рамках каждой отдельной сети рабочие станции взаимодействуют между собой на канальном уровне, используя для этого свою систему адресации. Так, физический адрес в сети Ethernet задается шестибайтовым числовым значением, каждый байт записывается в шестнадцатеричной системе и отделяется двоеточием, например: 07:01:АО:47:54:С4.

Для обеспечения условия «открытости» систем межсетевые адреса, называемые IP-адресами, являются логическими и не зависят от аппаратуры или конфигурации сети. IP-адрес состоит из четырех десятичных цифр (каждый по величине не больше 255), отделенных друг от друга точками, например 10.18.57.10. Крайнее слева число обозначает базовую сеть, последующие числа указывают на более мелкие участки внутри этой сети -- до адреса конкретного компьютера. Для облегчения запоминания адресов широко используется их именное обозначение, называемое доменным. Преобразование домена в цифровой адрес осуществляется автоматически при маршрутизации сообщения. Доменные имена обладают постоянной структурой, опираясь на которую можно понять, к чему они относятся. Система доменных имен (DNS), описывающая компьютеры и организации, в которых они установлены, устроена зеркально по отношению к цифровой IP-адресации. Если в IP-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она находится справа. IP-пакет помещается в физический кадр той сети, по которой он в настоящий момент передается. IP-пакет содержит межсетевой адрес узла-получателя, сетевой кадр данных, в свою очередь должен, содержать физический адрес узла-получателя. Особую актуальность приобретает механизм преобразования (отображения) адресов для широковещательных сетей, таких как Ethernet, Token Ring и им подобные. Эта процедура реализуется с помощью протокола ARP. Перед началом передачи IP-пакета узел должен определить, какой физический адрес в сети соответствует адресу получателя, заданному в IP-пакете. Для этого узел посылает широковещательный пакет ARP, содержащий IP-адрес получателя. После этого он ожидает ответ от узла с данным IP-адресом. Получатель посылает информационный кадр с указанием своего физического адреса. С целью сокращения времени передачи пакетов и уменьшения числа широковещательных запросов, каждый узел содержит кэш-память, в которой хранится таблица разрешения адресов. С помощью этой таблицы задается соответствие между физическими и IP-адресами. Сначала физический адрес ищется в таблице разрешения адресов. Если узел находит соответствующий физический адрес для IP-пакета, то он использует его для обращения к получателю. В противном случае узел запускает процедуру ARP, по завершении которой осуществляется соответствующая коррекция таблицы разрешения адресов.

Протоколы прикладного уровня

Три верхних уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем -- сеансовый, представительный и прикладной уровень определяют протоколы, ориентированные на приложения. Протоколы верхних уровней устанавливают стандартные для компьютерной сети процедуры выполнения прикладных функций.

Так, протокол передачи, доступа и управления файлом (File, Transfer, Access and Management -- FTAM) и соответствующая ему прикладная служба определяется стандартом ISO 8571 Международной организации стандартов. Стандартизация обеспечивает взаимодействие пользователей файловых систем в процессе передачи, доступа или управления хранящейся информацией таким образом, как если бы файлы хранились в самих этих системах. В качестве пользователя файловых систем выступает прикладной процесс, называемый процесс-клиент. Процесс, с помощью которого организуется доступ к удаленному накопителю файлов (файл-серверу), получил название процесс файл-сервер. В качестве поставщика средств, с помощью которых процесс-клиент получает доступ к удаленному накопителю файлов, выступает специальный элемент прикладной службы передачи, доступа и управления файлом.

С целью предоставления возможности подключения различных терминалов к компьютерной сети была разработана концепция виртуального терминала. Виртуальный терминал представляет собой некоторый гипотетический терминал, обобщающий в себе характерные свойства заданного класса устройств (терминалов). Виртуальный терминал реализуется с помощью специального элемента прикладной службы, определенного в документе ISO/DIS 9040.2 Международной организации стандартов. При этом оконечная сторона (пользователь сети) преобразовывает информацию своего терминала в формат виртуального терминала для передачи в компьютерную сеть. Правила преобразования задаются с помощью протокола виртуального терминала (Virtual Terminal Protocol -- VTP), изложенного в документе ISO/DIS 9041.2. Целью этого стандарта является определение алгоритмов взаимодействия протокольных модулей для обеспечения базисного класса службы виртуального терминала. Стандарт определяет следующие основные функции протокола виртуального терминала: установление и завершение ассоциации виртуального терминала, согласование, управление диалогом, передача данных, управление доставкой, обработка ошибок. Кроме того, стандарт специфицирует: наборы процедур для ориентированной на соединение передачи данных и управляющей информации, синхронный и асинхронный режимы работы, средства согласования процедур и параметров службы, а также форматы и правила формирования блоков данных.

Особое место среди служб прикладного уровня занимает система обработки сообщений (Massage Handling Systems -- MHS), предназначенная для обеспечения надежной передачи информации между абонентами компьютерной сети. Особенностью этой системы является асинхрон-ность, то есть передача информации с промежуточным накоплением. В этом смысле функционирование системы обработки сообщений напоминает работу почтовой службы. Поэтому такую систему называют также службой электронной почты. Модель и элементы службы электронной почты определены рекомендациями серии Х.400 МККТТ, которая и принята Международной организацией стандартов за основу системы обработки сообщений. Рекомендация Х.400 определяет правила взаимодействия абонента (пользователя) с системой при подготовке и редактировании, а также приеме сообщений. Следующая рекомендация серии -- Х.401; она определяет услуги базовых служб, обеспечивающих передачу сообщений и поддержку работы системы обработки сообщений. Рекомендация Х.408 описывает правила преобразования кодов и форматов, а Х.409 определяет синтаксис и систему обозначений передаваемых данных. Самой объемной рекомендацией этой серии является рекомендация Х.410, которая содержит описание общих методов системы обработки сообщений. Рекомендация Х.411 содержит описание протоколов служб передачи сообщений.

Пользователь может являться отправителем или получателем сообщений. Прежде чем послать сообщение, пользователь оформляет его, придавая соответствующий вид и используя нужный синтаксис. (Для этого в большинстве современных компьютерных сетей имеются почтовые программы). Сообщение, сформированное с помощью специальной прикладной программы процесса, называемой агентом пользователя, пересылается подключенному к нему агенту передачи сообщений, при этом используются стандартные примитивы службы обработки сообщений. Агент передачи сообщений представляет собой виртуальный почтовый сервер. Используя стандартные протоколы обмена, агенты передачи сообщений обеспечивают передачу информации между агентами пользователя. Основная структура передаваемых сообщений состоит из так называемого конверта и содержимого сообщения. Конверт содержит необходимую для передачи адресную и управляющую информацию. Содержимое сообщения фактически является той информацией, которую отправитель хочет передать получателю.

Совокупность всех агентов пользователя и агентов передачи сообщений представляет собой систему обработки сообщений. В свою очередь, система обработки сообщений совместно с пользователями образует среду обработки сообщений. Функционирование системы обработки сообщений поддерживается службой передачи сообщений. Различают пять категорий услуг, предоставляемых службой передачи сообщений. Прежде всего, это базовая служба передачи сообщений, предоставляющая услуги по индикации и управлению передачей сообщений. Следующая категория услуг определяет услуги подачи и доставки, предоставляя пользователю возможность выбора категории доставки и ряд сервисных услуг. Категория услуг преобразования предоставляет возможность преобразования или запрета преобразования для конкретных сообщений. Услуги запросов позволяют агенту пользователя запрашивать информацию, относящуюся к управлению работой системы передачи сообщений. Категория услуг статусов и информирования позволяет переназначать получателя, а также изменять продолжительность отсрочки доставки сообщений. Это позволяет передавать и обрабатывать информацию в наиболее удобное время как для компьютерной сети, так и ее абонентов, существенно снижая стоимость передачи сообщений.

Рассмотренные выше протоколы прикладного уровня являются базовыми и позволяют организовать взаимодействие компьютерной сети практически с любыми пользовательскими системами.

3. Технология клиент-сервер