Архитектура и принципы работы сети Интернет

Архитектура и принципы работы сети Интернет

  Глобальные сети, охватывая миллионы людей, полностью изменили процесс распространения и восприятия информации.

  Глобальные сети (Wide Area Network, WAN) – это сети, предназначенные для объединения отдельных компьютеров и локальных сетей, расположенных на значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга. Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, используя при этом самые разнообразные каналы связи.

Современный Интернет — весьма сложная и высокотехнологичная система, позволяющая пользователю общаться с людьми, находящимися в любой точке земного шара, быстро и комфортно отыскивать любую необходимую информацию, публиковать для всеобщего сведения данные, которые он хотел бы сообщить всему миру. 

В действительности Internet не просто сеть, — это структура, объединяющая обычные сети.Internet — это «сеть сетей».

Чтобы описать сегодняшний Internet, полезно воспользоваться строгим определением.

В своей книге «The Matrix: Computer Networks and Conferencing Systems Worldwide» Джон Квотерман описывает Internet как «метасеть, состоящую из многих сетей, которые работают согласно протоколам семейства TCP/IP, объединены через шлюзы и используют единое адресное пространство и пространство имен».

В Internet нет единого пункта подписки или регистрации, вместо этого вы контактируете с поставщиком услуг, который предоставляет вам доступ к сети через местный компьютер. Последствия такой децентрализации с точки зрения доступности сетевых ресурсов также весьма значительны. Среду передачи данных в Internet нельзя рассматривать только как паутину проводов или оптоволоконных линий. Оцифрованные данные пересылаются через маршрутизаторы, которые соединяют сети и с помощью сложных алгоритмов выбирают наилучшие маршруты для информационных потоков (рис.1).

В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, как правило, корпоративная) сеть включает подсеть связи (иначе: территориальную сеть связи, систему передачи информации), к которой подключаются локальные сети, отдельные компоненты и терминалы (средства ввода и отображения информации) (рис. 2).

Подсеть связи состоит из каналов передачи информации и коммуникационных узлов, которые предназначены для передачи данных по сети, выбора оптимального маршрута передачи информации, коммутации пакетов и реализации ряда других функций с помощью компьютера (одного или нескольких) и соответствующего программного обеспечения, имеющихся в коммуникационном узле. Компьютеры, за которыми работают пользователи-клиенты, называются рабочими станциями, а компьютеры, являющиеся источниками ресурсов сети, предоставляемых пользователям, называютсясерверами. Такая структура сети получила название узловой. 

Рис.1 Схема взаимодействия в сети Интернет 

Интернет – это глобальная информационная система, которая:

·        логически взаимосвязана пространством глобальных уникальных адресов, основанных на Интернет-протоколе (IP);

·        способна поддерживать коммуникации с использованием семейства протокола управления передачей - TCP/IP или его последующих расширений/преемников и/или других IP-совместимых протоколов;

·         обеспечивает, использует или делает доступными на общественной или частной основе высокоуровневые услуги, надстроенные над описанной здесь коммуникационной и иной связанной с ней инфраструктурой.  

Инфраструктура Интернет (рис.2):

1.     магистральный уровень (система связанных высокоскоростных телекоммуникационных серверов).

2.   уровень сетей и точек доступа (крупные телекоммуникационные сети), подключенных к магистрали.

3.      уровень региональных и других сетей.

4.      ISP – интернет-провайдеры.

5.      пользователи. 

К техническим ресурсам сети Интернет относятся компьютерные узлы, маршрутизаторы, шлюзы, каналы связи и др. 

Рис.2 Инфраструктура сети Интернет 

В основу архитектуры сетей положен многоуровневый принцип передачи сообщений. Формирование сообщения осуществляется на самом верхнем уровне модели ISO/OSI.. Затем (при передаче) оно последовательно проходит все уровни системы до самого нижнего, где и передается по каналу связи адресату. По мере прохождения каждого из уровней системы сообщение трансформируется, разбивается на сравнительно короткие части, которые снабжаются дополнительными заголовками, обеспечивающими информацией аналогичные уровни на узле адресата. В этом узле сообщение проходит от нижнего уровня к верхнему, снимая с себя заголовки. В результате адресат принимает сообщение в первоначальном виде.

В территориальных сетях управление обменом данных осуществляется протоколами верхнего уровня модели ISO/OSI. Независимо от внутренней конструкции каждого конкретного протокола верхнего уровня для них характерно наличие общих функций: инициализация связи, передача и прием данных, завершение обмена. Каждый протокол имеет средства для идентификации любой рабочей станции сети по имени, сетевому адресу или по обоим этим атрибутам. Активизация обмена информацией между взаимодействующими узлами начинается после идентификации узла адресата узлом, инициирующим обмен данными. Инициирующая станция устанавливает один из методов организации обмена данными: метод дейтаграмм или метод сеансов связи. Протокол предоставляет средства для приема/передачи сообщений адресатом и источником. При этом обычно накладываются ограничения на длину сообщений. 

TCP/IP — технология межсетевого взаимодействия  

Наиболее распространенным протоколом управления обменом данных является протокол TCP/IP. Главное отличие сети Internet от других сетей заключается именно в ее протоколах TCP/IP, охватывающих целое семейство протоколов взаимодействия между компьютерами сети. TCP/IP — это технология межсетевого взаимодействия, технология Internet. Поэтому глобальная сеть, объединяющая множество сетей с технологией TCP/IP,  называется Internet. 

Протокол TCP/IP — это семейство программно реализованных протоколов старшего уровня, не работающих с аппаратными прерываниями. Технически протокол TCP/IP состоит из двух частей — IP иTCP.

Протокол IP (Internet Protocol — межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение информации в IP-сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ISO/OSI. Протокол IP обеспечивает дейтаграммную доставку пакетов, его основная задача — маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохранение порядка потока пакетов. Сети, в которых используется протокол IP, называются IP-сетями. Они работают в основном по аналоговым каналам (т.е. для подключения компьютера к сети требуется IP-модем) и являются сетями с коммутацией пакетов. Пакет здесь называется дейтаграммой.

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично — на сеансовом уровне. Это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов.

Для компьютеров протокол TCP/IP — это то же, что правила разговора для людей. Он принят в качестве официального стандарта в сети Internet, т.е. сетевая технология TCP/IP де-факто стала технологией всемирной сети Интернет.

Ключевую часть протокола составляет схема маршрутизации пакетов, основанная на уникальных адресах сети Internet. Каждая рабочая станция, входящая в состав локальной или глобальной сети, имеет уникальный адрес, который включает две части, определяющие адрес сети и адрес станции внутри сети. Такая схема позволяет передавать сообщения как внутри данной сети, так и во внешние сети.

АДРЕСАЦИЯ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ 

Основные протоколы сети Интернет 

Работа сети Internet основана на использовании семейств коммуникационных протоколов TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol). TCP/IP используется для передачи данных как в глобальной сети Internet, так и во многих локальных сетях.

Название TCP/IP определяет семейство протоколов передачи данных сети. Протокол — это набор правил, которых должны придерживаться все компании, чтобы обеспечить совместимость производимого аппаратного и программного обеспечения. Эти правила гарантируют совместимость производимого аппаратного и программного обеспечения. Кроме того, TCP/IP – это гарантия того, что ваш персональный компьютер сможет связаться по сети Internet с любым компьютером в мире, также работающим с TCP/IP. При соблюдении определенных стандартов для функционирования всей системы не имеет значения, кто является производителем программного обеспечения или аппаратных средств. Идеология открытых систем предполагает использование стандартных аппаратных средств и программного обеспечения.TCP/IP — открытый протокол и вся специальная информация издана и может быть свободно использована.

Различный сервис, включаемый в TCP/IP, и функции этого семейства протоколов могут быть классифицированы по типу выполняемых задач. Упомянем лишь основные протоколы, так как общее их число насчитывает не один десяток:

·        транспортные протоколы — управляют передачей данных между двумя машинами:

·        TCP/IP (Transmission Control Protocol),

·        UDP (User Datagram Protocol);

·        протоколы маршрутизации — обрабатывают адресацию данных, обеспечивают фактическую передачу данных и определяют наилучшие пути передвижения пакета:

·        IP (Internet Protocol),

·        ICMP (Internet Control Message Protocol),

·        RIP (Routing Information Protocol)

·        и другие;

·        протоколы поддержки сетевого адреса — обрабатывают адресацию данных, обеспечивают идентификацию машины с уникальным номером и именем:

·        DNS (Domain Name System),

·        ARP (Address Resolution Protocol)

·        и другие;

·        протоколы прикладных сервисов — это программы, которые пользователь (или компьютер) использует для получения доступа к различным услугам:

·        FTP (File Transfer Protocol),

·        TELNET,

·        HTTP (HyperText Transfer Protocol)

·        NNTP (NetNewsTransfer Protocol)

·        и другие

Сюда включается передача файлов между компьютерами, удаленный терминальный доступ к системе, передача гипермедийной информации и т.д.;

·        шлюзовые протоколы помогают передавать по сети сообщения о маршругазации и информацию о состоянии сети, а так же обрабатывать данные для локальных сетей:

·        EGP (Exterior Gateway Protocol),

·        GGP (Gateway-to-Gateway Protocol),

·        IGP (Interior Gateway Protocol);

·        другие протоколы – используются для передачи сообщений электронной почты, при работе с каталогами и файлами удаленного компьютера и так далее:

·        SMTP (Simple Mail Transfer Protocol),

·        NFS (Network File System). 

IP-адресация 

Теперь подробнее остановимся на понятии IP-адреса.

Каждый компьютер в Internet (включая любой ПК, когда он устанавливает сеансовое соединение с провайдером по телефонной линии) имеет уникальный адрес, называемый IP-адрес.

IP-адрес имеет длину 32 бита и состоит из четырех частей по 8 бит, именуемых в соответствии с сетевой терминологией октетами (octets). Это значит, что каждая часть IP-адреса может принимать значение в пределах от 0 до 255. Четыре части объединяют в запись, в которой каждое восьмибитовое значение отделяется точкой. Когда речь идет о сетевом адресе, то обычно имеется в виду IP-адрес.

Если бы использовались все 32 бита в IP-адресе, то получилось бы свыше четырех миллиардов возможных адресов — более чем достаточно для будущего расширения Internet. Однако некоторые комбинации битов зарезервированы для специальных целей, что уменьшает число потенциальных адресов. Кроме того, 8-битные четверки сгруппированы специальными способами в зависимости от типа сети, так что фактическое число адресов еще меньше.

С понятием IP-адреса тесно связано понятие хоста (host). Некоторые просто отождествляют понятие хоста с понятием компьютера, подключенного к Internet. В принципе, это так, но в общем случаепод хостом понимается любое устройство, использующее протокол TCP/IP для общения с другим оборудованием. То есть кроме компьютеров, это могут быть специальные сетевые устройства — маршрутизаторы (routers), концентраторы (habs) и другие. Эти устройства так же обладают своими уникальными IР-адресами,— как и компьютеры узлов сети пользователей.  

Любой IP-адрес состоит из двух частей: адреса сети (идентификатора сети, Network ID) и адреса хоста (идентификатора хоста, Host ID) в этой сети. Благодаря такой структуре IP-адреса компьютеров в разных сетях могут иметь одинаковые номера. Но так как адреса сетей различны, то эти компьютеры идентифицируются однозначно и не могут быть перепутаны друг с другом.

IP-адреса выделяются в  зависимости от размеров организации  и типа ее деятельности. Если  это небольшая организация, то, скорее  всего в ее сети немного  компьютеров (и, следовательно, IP-адресов). Напротив, у большой корпорации могут быть тысячи (а то и больше) компьютеров, объединенных во множество соединенных между собой локальных сетей. Для обеспечения максимальной гибкости IP-адреса разделяются на классы: А, В и С. Еще существуют классы D и Е, но они используются для специфических служебных целей. 

Итак, три класса IP-адресов позволяют распределять их в зависимости от размера сети организации. Поскольку 32 бита — допустимый полный размер IP-адреса, то классы разбивают четыре 8-битные части адреса на адрес сети и адрес хоста в зависимости от класса. 

Адрес сети класса A определяется первым октетом IP-адреса (считается слева направо). Значение первого октета, находящееся в пределах 1-126, зарезервировано для гигантских транснациональных корпорации и крупнейших провайдеров. Таким образом, в классе А в мире может существовать всего лишь 126 крупных компаний, каждая из которых может содержать почти 17 миллионов компьютеров.  

Класс B использует 2 первых октета в качестве адреса сети, значение первого октета может принимать значение в пределах 128—191. В каждой сети класса В может быть около 65 тысяч компьютеров, и такие сети имеют крупнейшие университеты и другие большие организации. 

Соответственно, в классе C под адрес сети отводится уже три первых октета, а значение первого октета может быть в пределах 192-223. Это самые распространенные сети, их число может превышать более двух миллионов, а число компьютеров (хостов) в каждой сети — до 254. Следует отметить, что «разрывы» в допустимых значениях первого октета между классами сетей появляются из-за того, что один или несколько битов зарезервированы в начале IP-адреса для идентификации класса.  

Если любой IP-адрес символически обозначить как набор октетов w.x.y.z, то структуру для сетей различных классов можно представить в таблице 1.

Всякий раз, когда посылается сообщение какому-либо хост-компьютеру в Internet, IP-адрес используется для указания адреса отправителя и получателя. Конечно, пользователям не придется самим запоминать все IP-адреса, так как для этого существует специальный сервис TCP/IP, называемыйDomain Name System (Доменная система имен)

Таблица 1. Структура IP-адресов в сетях различных классов 

Понятие маски подсети  

Для того чтобы отделить идентификатор сети от идентификатора хоста, применяется специальное 32-битное число, называемое маской подсети (subnet mask). Чисто внешне маска подсети представляет собой точно такой же набор из четырех октетов, разделенных между собой точками, как и любой IP-адрес. В таблице 2 приведены значения маски подсети для сетей класса A, B, C, используемые по умолчанию. 

Таблица 2. Значение маски подсети (по умолчанию) 

Маска применяется также для логического разделения больших IP-сетей на ряд подсетей меньшего масштаба. Представим, к примеру, что в Сибирском Федеральном Университете, обладающего сетью класса B, имеется 10 факультетов и в каждом из них установлено по 200 компьютеров (хостов). Применив маску подсети 255.255.0.0, эту сеть можно разделить на 254 отдельных подсетей с числом хостов до 254 в каждой.

Значения маски подсети, применяемые по умолчанию, не являются единственно возможными. К примеру, системный администратор конкретной IP-сети может использовать и другое значение маски подсети для выделения лишь некоторых бит в октете идентификатора хоста. 

Как зарегистрировать IP-сеть своей организации?

На самом деле, конечные пользователи не имеют отношения к этой задаче, которая ложиться на плечи системного администратора данной организации. В свою очередь, в этом ему оказывают содействие провайдеры Internet, обычно беря на себя все регистрационные процедуры в соответствующей международной организации, называемой InterNIC (Network Information Center).Например, Сибирский федеральный университет желает получить адрес электронной почты в Internet, содержащий строку sfu-kras.ru. Такой идентификатор, включающий название фирмы, позволяет отправителю электронной почты определить компанию адресата.

Чтобы получить один из этих уникальных идентификаторов, называемых доменным именем, компания или провайдер посылает запрос в орган, который контролирует подключение к Internet —InterNIC. Если InterNIC (или орган, уполномоченный им для такой регистрации в данной стране) утверждает имя компании, то оно добавляется в базу данных Internet. Доменные имена должны быть уникальны, чтобы предотвратить ошибки. Понятие домена и его роль в адресации сообщений, пересылаемых по Internet, будут рассмотрены ниже. Дополнительную информацию о работе InterNICможно узнать, посетив в Internet страницу http://rs.internic.ru.

ДОМЕННАЯ СИСТЕМА ИМЕН 

Доменные имена 

Кроме IP-адресов, для идентификации конкретных хостов в Сети используется так называемоедоменное имя хоста (Domain host name). Так же, как и IP-адрес, это имя является уникальным для каждого компьютера (хоста), подключенного к Internet, — только здесь вместо цифровых значений адреса применяются слова.

В данном случае понятие домена означает совокупность хостов Internet, объединенных по какому-то признаку (например, по территориальному, когда речь идет о домене государства).

Разумеется, использование доменного имени хоста было введено только для того, чтобы облегчить пользователям задачу запоминания имен нужных им компьютеров. Сами компьютеры, по понятным причинам, в таком сервисе не нуждаются и вполне обходятся IP-адресами. Но вы только представьте, что вместо таких звучных имен как, www.microsoft.com или www.ibm.com вам пришлось бы запоминать наборы цифр, — 207.46.19.190 или 129.42.60.216 соответственно.  

Если говорить о правилах составления доменных имен, то здесь нет столь жестких ограничений по количеству составных частей имени и их значениям, как в случае IP-адресов. Например, если в ХТИ – Филиале СФУ существует хост с именем khti, входящий в домен республики Хакасия khakassia, а тот, в свою очередь входит в домен России ru, то доменное имя такого компьютера будет khti.khakassia.ru. В общем случае число составляющих доменного имени может быть различным и содержать от одной и более частей, например, rage.mp3.apple.sda.org или www.ru. 

Чаще всего доменное имя компании состоит из трех составляющих, первая часть — имя хоста, вторая — имя домена компании, и последняя — имя домена страны или имя одного из семи специальных доменов, обозначающих принадлежность хоста, организации определенного профиля деятельности (см. табл. 1). Так, если ваша компания называется «KomLinc», то чаще всего Web-сервер компании будет назван www.komlinc.ru (если это российская компания), или, к примеру,www.komlinc.com, если вы попросили провайдера зарегистрировать вас в основном международном домене коммерческих организаций. 

Последняя часть доменного имени называется идентификатором домена верхнего уровня (например, .ru или .com). Существует семь доменов верхнего уровня, установленных InterNIC. 

Таблица 1. Международные домены верхнего уровня 

Исторически сложилось так, что эти семь доменов верхнего уровня по умолчанию обозначают факт географического расположения (принадлежащего к ним) хоста на территории США. Поэтому международный комитет InterNIC наряду с вышеперечисленными доменами верхнего уровня допускает применение доменов (специальных сочетаний символов) для идентификации иных стран, в которой находится организация-владелец данного хоста.

Итак, домены верхнего уровня подразделяются на организационные (см. табл.1) итерриториальные.  Имеются двухбуквенные обозначения для всех стран мира: .ru — для России (пока в ходу и домен .su, объединяющий хосты на территории республик бывшего СССР), .са — для Канады,.uk — для Великобритании и т.д. Они обычно используются вместо одного из семи идентификаторов, перечисленных выше в таблице 1. 

Территориальные домены верхнего уровня: 

.ru (Russia)— Россия;

.su (Soviet Union) — страны бывшего СССР, ныне ряд государств СНГ;

.uk (United Kingdom) — Великобритания;

.ua (Ukraine) — Украина;

.bg (Bulgaria) — Болгария;

.hu (Hungary) — Венгрия;

.de (Deutchland) — Германия, и др. 

C полным списком всех доменных имен государств можно познакомиться на различных серверах в Internet. 

Не все компании за пределами США имеют идентификаторы страны. В какой-то мере использование идентификатора страны или одного из семи идентификаторов, принятых в США, зависит от того, когда проводилась регистрация доменного имени компании. Так, компаниям, которые достаточно давно подключились к Internet (когда число зарегистрированных организаций было сравнительно невелико), был дан трехбуквенный идентификатор. Некоторые корпорации, работающие за пределами США, но регистрирующие доменное имя через американскую компанию, сами выбирают, использовать ли им идентификатор страны пребывания. Сегодня в России можно получить доменный идентификатор .com, для чего следует оговорить этот вопрос со своим провайдером Internet. 

Как работают серверы DNS  

Теперь поговорим о том, каким образом доменные имена преобразуются в понятные для компьютера IP-адреса.

Занимается этим Domain Name System (DNS, Доменная система имен) сервис, обеспечиваемый TCP/IP, который помогает в адресации сообщений. Именно благодаря работе DNS вы можете не запоминать IP-адрес, а использовать намного более простой доменный адрес. Система DNSтранслирует символическое доменное имя компьютера в IP-адрес, находя запись в распределенной базе данных (хранящейся на тысячах компьютерах), соответствующую этому доменному имени. Стоит также отметить, что серверы DNS в русскоязычной компьютерной литературе часто называют«серверами имен». 

Серверы имен корневой зоны 

Хотя в мире насчитываются тысячи серверов имен, во главе всей системы DNS стоят девять серверов, названных серверами корневой зоны (root zone servers). Серверы корневой зоны получили имена a.root_server.net, b.root_server.net и так далее вплоть до i.root_server.net. Первый из них — a.root_server.net — выступает в роли первичного сервера имен Internet, управляемого из информационного центра InterNIC, который регистрирует все домены, входящие в несколько доменов высшего уровня. Остальные серверы имен по отношению к нему вторичны, однако все хранят копии одних и тех же файлов. Благодаря этому любой из серверов корневой зоны может заменять и подстраховывать остальные.

На этих компьютерах размещена информация о хост-компьютерах серверов имен, обслуживающих семь доменов высшего уровня: .com, .edu, .mil, .gov, .net, .org и специального .arpa(рис.1). Любой из этих девяти серверов несет так же файл высшего уровня, как .uk (Великобритания), .de (Германия), .jp (Япония) и так далее. 

Рис. 1. Иерархическая структура имен доменов Internet 

В файлах корневой зоны содержатся все имена хост-компьютеров и IP-адреса серверов имен для каждого поддомена, входящего в домен высшего уровня. Другими словами, каждый корневой сервер располагает информацией обо всех доменах высшего уровня, а так же знает имя хост-компьютера и IP-адрес, по меньшей мере, одного сервера имен, обслуживающего каждый из вторичных доменов, входящих в любой домен высшего уровня. Для доменов иностранных государств в базе данных хранятся сведения по серверам имен для каждой страны. Например, в неком домене company.com файлы корневой зоны для домена содержат данные о сервере имен для любого адреса, заканчивающегося наcompany.com.

Кроме серверов имен корневой зоны существуют локальные серверы имен, установленные в доменах более низкого уровня. Локальный сервер имен кэширует список хост-компьютеров, поиск которых он производил в последнее время. Это устраняет необходимость постоянно обращаться в систему DNS с запросами о часто используемых хост-компьютерах. Кроме того, локальные серверы имен являются итерционными, а серверы корневой зоны — рекурсивными. Это значит, что локальный сервер имен будет повторять процедуру запроса информации о других серверах имен до тех пор, пока не получит ответа.

Корневые же серверы Internet, находящиеся на вершине структуры DNS, напротив, лишь выдают указатели на домены следующего уровня. Добраться до конца цепочки и получить требуемый IP-адрес — задача локального сервера имен. Чтобы решить ее, он должен спуститься по иерархической структуре, последовательно запрашивая у локальных серверов имен указатели на ее низшие уровни.