Протоколы Internet

Размещено на http://www.allbest.ru/

Протоколы Internet

СОДЕРЖАНИЕ

• 1. Уровни протоколов
• 2. Протоколы канального уровня
• 2.1 Протокол Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet)
• 2.2 Протокол 100VG-AnyLan
• 2.3 Протокол Token Ring (High Speed Token Ring)
• 2.4 Протокол FDDI
• 2.5 Протоколы SLIP и PPP
• 3. Протоколы сетевого и транспортного уровня
• 3.1 Стек протоколов IPX/SPX
• 3.2 Стек протоколов NetBEUI/SMB
• 3.3 Стек протоколов TCP/IP
• 4. Протоколы прикладного уровня
• 4.1 Протоколы HTTP, FTP
• 4.2 Протоколы передачи электронной почты
• 5. Взаимодействие компьютеров в сети и инкапсуляция пакетов
• Список использованных источников
• 1. Уровни протоколов
• В начале 80-х годов двадцатого столетия ряд международных организаций (ISO (International Organization of Standardization) и др.), разработали стандартную модель сетевого взаимодействия, которую назвали моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection). В соответствии с которой существует семь уровней протоколов:
• 1. Физический уровень - побитовая передача сигналов в кабелях: типы кодирования и физические характеристики сигналов, скорость передачи сигналов и т.д.
• 2. Канальный уровень - передача кадров данных между сетевыми картами компьютеров. В самом общем виде кадр данных - это группа битов, состоящая из заголовка кадра и поля данных. В заголовке указывается адрес отправителя, адрес получателя, контрольная сумма и т.п. Канальный уровень обеспечивает получение доступа к общей среде передачи данных, обнаружение ошибок в кадрах данных, их повторную передачу и др. Канальный уровень - это аппаратное взаимодействие сетевая карта - сетевая карта.
• 3. Сетевой уровень - сетевая логическая адресация сетевая карта - сетевая карта. Протоколы сетевого уровня позволяют использовать в одной сети сегменты, построенные на различных протоколах канального уровня. Кроме того, сетевой уровень отвечает за маршрутизацию (доставку) пакетов данных вне зависимости от сложности топологии сети.
• 4. Транспортный уровень. Обеспечивает надежность доставки пакетов данных: установка виртуального канала передачи данных между сетевыми картами, контроль искажения или утери пакетов данных, повторная передача пакетов данных при необходимости.
• 5. Сеансовый уровень. Управляет диалогом между двумя компьютерами. На этом уровне устанавливаются правила начала и завершения взаимодействия. На сеансовом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, а какая принимает данные.
• 6. Представительный уровень выполняет преобразование данных между устройствами с различными форматами данных, не меняя при этом содержания. Благодаря этому уровню информация, передаваемая прикладным уровнем одного компьютера всегда понятна прикладному уровню другого компьютера. На этом уровне, как правило, происходит шифрование и дешифрование данных, благодаря которому обеспечивается секретность предаваемого сообщения.
• 7. Прикладной уровень - набор разнообразных протоколов, при помощи которых взаимодействуют между собой прикладные программы. Каждая программа по желанию программиста может иметь свой собственный протокол или использовать один из широко известных прикладных протоколов.
• 2. Протоколы канального уровня
• Протоколы канального уровня характеризуются пропускной способностью. Пропускная способность - это количество информации передаваемой по сети за единицу времени. Различают полезную пропускную способность и максимальную. Полезная пропускная способность - это скорость передачи данных без учёта передаваемой служебной информации.
• Кроме того, протоколы канального уровня характеризуются кадром данных - группа бит, передающаяся по сети за один цикл, порядком и скоростью его передачи, а также, межкадровым интервалом - паузой между пересылаемой группой кадров.
• 2.1 Протокол Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet)
• Основным принципом работы Ethernet является использование общей среды передачи данных разделяемой по времени, когда кадры данных передаются всеми компьютерами по общему кабелю. Каждый кадр данных, переданный в сеть получают все компьютеры, но только один из них распознает свой адрес и обрабатывает кадр. В каждый отдельный момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Компьютер, который хочет передать кадр данных, прослушивает сеть и, если там отсутствует несущая частота (сигнал с частотой 5-10 Мгц), то он решает, что сеть свободна и начинает передавать кадр данных. Однако, может случится, что другой компьютер, не обнаружив несущей, тоже начнет передачу данных одновременно с первым. В таком случае, возникает столкновение (коллизия). После обнаружения коллизии оба компьютеры ждут (каждый - случайное время) и повторяют передачу.
• При большой загрузке сети (начиная с 40 - 50%), слишком большая доля времени тратится на устранение коллизий и полезная пропускная способность падает.
• Протоколы Fast Ethernet и Gigabit Ethernet отличаются от протокола Ethernet в основном только скоростью передачи данных: Ethernet - 10 Мбит/с, Fast Ethernet - 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet - 1000 Мбит/с.
• 2.2 Протокол 100VG-AnyLan
• Доступ к разделяемой среде в данном протоколе реализуется по принципу Demand Priority (приоритетный доступ по требованию). При доступе Demand Priority концентратору (hub-у) передаются функции арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального (корневого) концентратора, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов (рис. 1.4, где в качестве узлов выступают концентраторы).
• Концентратор циклически выполняет опрос портов, к которым подключены компьютеры. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Компьютер, желающий передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет: низкий (для обычных данных) или высокий (для данных, которые чувствительны к задержкам, например видеоизображение). Компьютер с низким уровнем приоритета, долго не имевший доступа к сети, получает высокий приоритет. Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. Анализируется адрес назначения в пакете, и он передается на тот порт, к которому подключен соответствующий компьютер. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь. В очередь ставятся именно не сами кадры данных, а лишь запросы на их передачу. Запросы удовлетворяются в соответствии с порядком их поступления и с учетом приоритетов. Допускаются три уровня каскадирования.
• 2.3 Протокол Token Ring (High Speed Token Ring)
• Сеть Token Ring представляет собой кольцо: каждый компьютер соединен кабелем только с предыдущим и последующим компьютером в кольце. Физически это реализуется при помощи специальных концентраторов, которые обеспечивают целостность кольца даже при выключении или отказе одного из компьютеров, за счет обхода порта выключенного компьютера.
• Принцип доступа к разделяемой среде - доступ с передачей маркера (token). Компьютер может начать передавать данные в сеть, только если получит от предыдущего компьютера в кольце "маркер" - специальный короткий пакет, свидетельствующий о том, что сеть свободна.
• Если компьютеру нечего передавать в сеть, то он передает маркер следующему компьютеру в кольце.
• Если компьютеру есть что передавать, то он уничтожает маркер и передает свой пакет в сеть.
• Пакет по битам ретранслируется по кольцу от компьютера к компьютеру, адресат получает пакет, устанавливает в пакете биты, подтверждающие, что пакет достиг адресата и передает пакет дальше по кольцу. Наконец, пакет возвращается к отправителю, который уничтожает его и передает в сеть новый маркер.
• В процессе работы сети, из-за сбоев, возможна потеря маркера. За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает один из компьютеров- активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени, то он порождает новый маркер. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца, как станция с максимальным значением МАС-адреса сетевой карты.
• 2.4 Протокол FDDI
• Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец необходимо для повышения отказоустойчивости сети FDDI. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца. Данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении, а по вторичному -- в обратном. Передача пакетов в сетях FDDI аналогична, как и в сетях Token Ring.
• 2.5 Протоколы SLIP и PPP
• Протоколы SLIP и PPP организуют связь типа "точка-точка", когда сетевой кабель используется для передачи информации только между двумя компьютерами (или другим сетевым оборудованием), соединенным этим кабелем. Такое соединение характерно при подключении к Internet по телефонной линии, при соединении локальных сетей между собой по выделенным или коммутируемым линиям, а также в сетях X.25, Frame Relay и ATM.
• SLIP (Serial Line IP) - протокол канального уровня, который позволяет использовать последовательную линию передачи данных (телефонную линию) для связи с другими компьютерами по протоколу IP (протокол сетевого уровня). Однако данный протокол не обеспечивает достаточного уровня безопасности передачи данных и в настоящее время практически используется только для передачи данных между двумя изолированными компьютерами.
• PPP (Point to Point Protocol) - это протокол канального уровня, который позволяет использовать не только протокол IP, но также и другие протоколы сетевого уровня (IPX, AppleTalk и др.). Достигается это за счет того, что в каждом кадре сообщения хранится не только 16-битная контрольная сумма, но и поле, задающее тип сетевого протокола. При передачи данных применяются механизмы аутентификации, что позволяет обеспечить безопасность соединения (PPP является основным протоколом для доступа в Интернет по коммутируемым линиям).
• 3. Протоколы сетевого и транспортного уровня
• Как правило, протокол сетевого уровня чаще всего разрабатывается и используется в паре с соответствующими протоколами транспортного, а иногда и прикладного уровня, образуя стек протоколов.
• 3.1 Стек протоколов IPX/SPX
• Данный стек протоколов был разработан фирмой Novell для сетевой операционной системы NetWare и оптимизирован для использования в небольших локальных сетях, однако не удобен для глобальных сетей. Включает в себя протоколы IPX, SPX, SAP, NCP.
• Протокол IPX (Internetwork Packet Exchange - межсетевой обмен пакетами)- протокол сетевого уровня, поддерживает обмен пакетами (дейтаграммами) без установления канала связи и гарантии доставки пакета.
• Протокол IPX также отвечает за адресацию в сетях NetWare. Адрес имеет формат: номер сети (задается администратором сети), адрес сетевой карты (определяется автоматически), номер сокета (идентифицирует приложение, пославшее пакет).
• Протокол IPX самый быстрый и экономит память, однако не дает гарантии доставки сообщения. За восстановлением утерянных или испорченных пакетов должен следить сам программист. Использование протокола SPX избавляет программиста от этой необходимости.
• Протокол SPX (Sequenced Packet Exchange - последовательный обмен пакетами) - протокол транспортного уровня, поддерживает установление логического канала связи между компьютерами для обмена данными, коррекцию ошибок и, при необходимости, повторную передачу пакетов.
• Прикладной уровень стека IPX/SPX составляют два протокола: NCP и SAP.
• Протокол NCP (NetWare Core Protocol - протокол ядра NetWare) поддерживает все основные службы операционной системы Novell NetWare: файловую службу, службу печати и т. д.
• Протокол SAP (Service Advertising Protocol - протокол объявлений о сервисах) выполняет вспомогательную роль. С помощью протокола SAP каждый компьютер, который готов предоставить какую-либо службу для клиентов сети, объявляет об этом широковещательно по сети, указывая в SAP-пакетах тип службы (например, файловая), а также свой сетевой адрес.
• Протоколы RIP (Routing Information Protocol) и NLSP (NetWare Link Service Protocol) отвечают за управление маршрутизацией (выбор маршрута доставки) пакетов.
• 3.2 Стек протоколов NetBEUI/SMB
• протокол канальный сетевой инкапсуляция пакет
• Применяется фирмой Microsoft в своих сетевых ОС. NetBEUI включает в себя протоколы сетевого и транспортного уровня. Обеспечивает поддержку имен: каждая из рабочих станций в ЛВС может иметь одно или несколько имен (эти имена хранятся NetBEUI в таблице, в формате адрес сетевого адаптера - имя NetBEUI). Обеспечивает как обмен датаграммами, без установления канала связи и гарантии доставки сообщений, так и передачу пакетов с установление логического канала
• 3.3 Стек протоколов TCP/IP
• Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - протокол контроля передачи данных / протокол передачи данных между сетями, Internet) является основным протоколом, применяющимся в Internet. В состав стека протоколов TCP/IP входят протоколы: IP и ICMP - сетевой уровень, TCP и UDP - транспортный уровень.
• Протокол IP отвечает за адресацию в сети и доставку пакетов между компьютерами сети, без установления соединения и гарантий доставки пакета. При использовании протокола IP, каждый компьютер в рамках сети должен иметь уникальный IP - адрес, представляющий собой 32-битное число. Для удобства чтения, IP адрес разбивают на четыре 8 битовых числа, называемых октетами, например 192.168.0.1. В локальной сети, которая не подключена к Internet или другим сетям можно назначать IP-адреса произвольно (главное, чтобы они не совпадали). Однако в Internet, IP-адреса выделяются централизовано в целом на локальную сеть.
• В IP-адресе выделяют две части: сетевую часть (адрес локальной сети) и адрес компьютера в сети. Сетевая часть адреса может иметь переменную длину, которая зависит от класса IP-адреса и маски подсети (табл. 2.1).
• Таблица 2.1 Классы IP-адресов

Класс сети	Диапазон IP-адресов	Стандартная маска	Кол-во сетей	Кол-во компьютеров в сети
	с	по
A	1.0.0.0	127.0.0.0	255.0.0.0	126	1.6 млн.
B	128.0.0.0	191.255.0.0	255.255.0.0	16320	65024
C	192.0.0.0	223.255.255.0	255.255.255.0	?2 млн.	254
D	224.0.0.0	239.255.255.0	зарезервированы для организации Интернет видео конференций
E, F	240.0.0.0	254.0.0.0	зарезервированы

• Стандартная маска подсети - маска полностью соответствует классу адреса и определяющаяся автоматически, на основании анализа диапазона, в котором находится адрес. На практике зачастую применяют "нестандартные" маски, как правило, не заканчивающиеся на границе байта. Маска всегда рассматривается в двоичном выражении, где единицы в октетах соответствуют полю адреса сети, а нули - полю адреса компьютера.
• Помимо адресов из классов A, B, C, D, E, F, существует несколько зарезервированных адресов: IP-адрес в котором все биты октеты адреса компьютера равны 0 относится ко всей сети, а где все биты октеты адреса компьютера равны 1 назван широковещательным (broadcast) адресом; адрес 0.0.0.0 - путь пакетов по умолчанию (default route), 127.0.0.0 - кольцевой (loopback) адрес. Любой IP пакет переданный на адрес 127.0.0.0 будет возвращен на этот же компьютер так, как если бы пакет пришел откуда-то из сети.
• Кроме того, имеется ряд "серых" IP-адресов, которые зарезервированы для использования только в локальных сетях. Пакеты с "серыми" адресами не передаются маршрутизаторами Internet. К таким адресам относятся: 10.0.0.0, от 172.16.0.0 до 172.31.0.0, от 192.168.0.0 до 192.168.255.0. По соображениям безопасности, рекомендуется использовать в локальных сетях только "серые" адреса. В таком случае прямой доступ из Internet к компьютерам ЛВС, в обход прокси-сервера, будет невозможен.
• Кроме адресации компьютеров в сети, протокол IP также отвечает за маршрутизацию (выбор маршрута доставки) пакетов данных в сетях с произвольной топологией. Маршрутизация происходит на основании специальных таблиц маршрутизации либо программно (сетевой операционной системой), либо при помощи маршрутизаторов (специального коммуникационного оборудования).
• При доставке пакета по протоколу IP используется протокол ARP (Address Resolution Protocol), позволяющий преобразовывать IP-адреса (сетевой уровень) в 6 байтные MAC-адреса сетевых карт Ethernet (канальный уровень).
• Протокол ICMP используется для передачи сообщений в случае возникновения ошибки доставки пакета. Кроме того, протокол ICMP позволяет посылать короткие служебные пакеты, предоставляющие возможность протестировать работоспособность сети.
• Протокол TCP - протокол транспортного уровня - позволяет устанавливать виртуальный канал передачи данных между компьютерами.
• Протокол UDP более быстр, чем протокол TCP, однако менее надежен. Данные передаются без установления виртуального канала, в предположении, что принимающая сторона ждет данные. Программа должна сама позаботиться о разбитии передаваемых данных на пакеты, протокол не содержит средств подтверждения факта доставки сообщения и средств коррекции ошибок - все эти задачи должна решать программа.
• Для протоколов транспортного уровня вводятся понятия: "порт" и "сокет".
• Порт в протоколах транспортного уровня - это виртуальный порт, который программно изолирует данные передаваемые по одному порту, от данных передаваемых по другому порту. Порты нумеруются от 0 до 65535. Порты TCP и порты UDP не зависят друг от друга.
• Сокет (socket) - это описатель сетевого соединения между двумя сетевыми приложениями, которое включает в себя IP-адрес и номер порта локальной машины, IP-адрес и номер порта удаленной машины. Сокет однозначно описывает сетевое соединение.
• 4. Протоколы прикладного уровня
• На практике нередко протоколы сеансового, представительского и прикладного уровня объединяются и рассматриваются совместно.
• В соответствии с архитектурой клиент-сервер, программа делится на две части (одна работает на сервере, вторая - на компьютере пользователя), функционирующие как единое целое. Протоколы прикладного уровня описывают взаимодействие клиентской и серверной частью программы.
• 4.1 Протоколы HTTP, FTP
• HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) - протокол передачи гипертекста, работает на 80^ом порту. Используется в Интернете для передачи гипертекстовых HTML страниц. При работе по этому протоколу, каждый элемент HTML - страницы загружается отдельно, причем соединение между загрузками прерывается и никакой информации о соединении не сохраняется. Это сделано для того, чтобы пользователя Web-страниц каждый получал по чуть-чуть, в порядке общей очереди.
• FTP (File Transfer Protocol.) - протокол передачи файлов, работает на 20^ом и 21^ом порту. Предназначен для копирование файлов между компьютерами. Полностью занимает канал, пока не будет получен файл, сохраняет информацию о соединении. При сбое возможна докачка с того места, где произошел сбой.
• 4.2 Протоколы передачи электронной почты
• SMTP, IMAP-4, POP3 - почтовые протоколы (электронная почта). SMTP - 25^ый порт, IMAP-4 - 143^ий порт, POP3 - 110^ый порт. Отличие:
• SMTP - почтовый протокол, рассчитанный на доставку почты до конкретного получателя.
• POP3 и IMAP-4 - протоколы взаимодействия пользователя со своим почтовым ящиком на сервере. Протокол POP3 требует полностью скачать себе всю почту, а протокол IMAP-4 позволяет просматривать на сервере заголовки писем и скачивать с сервера только необходимые письма или даже часть некоторого письма.
• При использовании SMTP предполагается, что почтовый адрес указывает на компьютер конечного получателя, и на этом компьютере запущена специальная программа, которая принимает и обрабатывает почту. Однако чаще всего бывает, что почта не доставляется на компьютер каждого отдельного пользователя, а обрабатывается централизованно, на отдельном почтовом сервере. В таком случае, каждый пользователь имеет на почтовом сервере свой почтовый ящик. Почта доставляется до сервера по протоколу SMTP (конечный получатель - сервер) и помещается в почтовые ящики пользователей. Затем пользователи подключаются к своим почтовым ящикам по протоколу POP3 или IMAP-4 и забирают почту.
• 5. Взаимодействие компьютеров в сети и инкапсуляция пакетов
• Взаимодействие компьютеров в сети начинается с того, что приложение (программа пользователя) одного компьютера обращается к прикладному уровню другого компьютера, например, к файловой системе. Приложение первого компьютера формирует с помощью операционной системы сообщение стандартного формата, состоящее из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо предать через сеть прикладному уровню другого компьютера, чтобы сообщить ему, какую работу необходимо выполнить. Кроме этого в заголовке имеется информация для следующего нижнего уровня, чтобы он "знал", что делать с этим сообщением. В поле данных находится информация, которую необходимо поместить в найденный файл. Сформировав сообщение, прикладной уровень направляет его вниз представительному уровню. Прочитав заголовок, представительный уровень выполняет требуемые действия над сообщением и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержаться указания для протоколов представительного уровня второго компьютера. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. При достижении сообщением нижнего, физического уровня, у него имеется множество заголовков, добавленных на каждом предыдущем уровне. В таком виде оно и передается по сети.
• Второй компьютер принимает его на физическом уровне и последовательно перемещает его вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие этому уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение дальше вышележащему уровню. В результате взаимодействия протоколов всех уровней и их единому стандарту на прикладном уровне второго компьютера получаются данные, переданные первым компьютером.
• Таким образом, при отправке, пакет более высокого уровня помещается в пакет (кадр) более низкого уровня (инкапсулируется), и так до физического уровня, который и обеспечивает аппаратное взаимодействие сетевых карт, снимая эту задачу с протокола сетевого уровня. При получении выполняется обратная операция (деинкапсуляция), в итоге которой на прикладном уровне восстанавливается переданный пакет.
• Одним из следствий инкапсуляции является то, что при одном и том же протоколе канального уровня, может существовать несколько протоколов сетевого (транспортного, прикладного) уровня.
• В стандарте OSI для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы различных уровней, используются специальные названия: кадр (frame) - канальный уровень, пакет (packet) - сетевой уровень, дейтаграмма (datagram) - транспортный уровень, сегмент (segment) - сеансовый уровень.
• Список использованных источников
• 1. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003
• 2. Информатика: Учебник / Под ред. проф. Н.В. Макаровой. - 2-е изд. - М.: Финансы и статистика, 1998
• 3. Таненбаум Э. Компьютерные сети / Таненбаум Э. - М. "Вильямс", 2003
• 4. Стахнов А. Сетевое администрирование Linux. - СПб.: Питер-пресс, 2004
• 5. Зотов С. Протоколы Internet / Зотов С. - Спб: BHV - Санкт-Петербург, 1998.
• Размещено на Allbest.ru