История возникновения и развития компьютерных сетей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Принципы взаимодействия сетевых устройств

 

Главная цель, которая преследуется при соединении компьютеров в  сеть - это возможность использования  ресурсов каждого компьютера всеми  пользователями сети. Для того, чтобы реализовать эту возможность, компьютеры, подсоединенные к сети, должны иметь необходимые для этого средства взаимодействия с другими компьютерами сети. Задача разделения сетевых ресурсов является сложной, она включает в себя решение множества проблем - выбор способа адресации компьютеров и согласование электрических сигналов при установление электрической связи, обеспечение надежной передачи данных и обработка сообщений об ошибках, формирование отправляемых и интерпретация полученных сообщений, а также много других не менее важных задач.

 

Обычным подходом при решении сложной  проблемы является ее декомпозиция на несколько частных проблем - подзадач. Для решения каждой подзадачи  назначается некоторый модуль. При  этом четко определяются функции каждого модуля и правила их взаимодействия.

Для каждого уровня определяется набор  функций-запросов, с которыми к модулям  данного уровня могут обращаться модули выше лежащего уровня для решения  своих задач. Такой формально  определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом.

Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем  выше лежащему уровню. Соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов, до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации  межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов.

Программные средства, реализующие  некоторый протокол, также называют протоколом. При этом соотношение  между протоколом - формально определенной процедурой взаимодействия, и протоколом - средством, реализующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу. Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно также и протокол может иметь несколько программных реализаций, например, протокол IPX, реализованный компанией Microsoft для Windows NT в виде программного продукта NWLink, имеет характеристики, отличающиеся от реализации этого же протокола компанией Novell. Именно поэтому, при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, то есть, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

 

 

 

 

 

 

 

 

Эталонная сетевая модель взаимодействия открытых систем (модель OSI, Open Systems Interconnection Reference Mode) — абстрактная модель, характеризующая  взаимодействие систем в процессе сетевых коммуникаций, использует уровневый подход к сети. Модель OSI является базисом для разработки сетевых протоколов.

 

В модель входит семь уровней, которые  располагаются друг над другом. Каждый уровень выполняет только строго отведенные для него задачи, взаимодействуя лишь исключительно с вышестоящим и нижестоящим «соседом»:

 

Уровень 1, физический

 

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включаютя:

Тип кабелей и разъемов

Разводку контактов в разъемах

Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

 

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические  характеристики несбалансированного  последовательного интерфейса.

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса.

IEEE 802.3 -- Ethernet

IEEE 802.5 -- Token ring

 

 

 

 

 

 

Уровень 2, канальный

 

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

 

Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:

HDLC для последовательных соединений 

IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x

Ethernet

Token ring

FDDI

X.25

Frame relay

 

Уровень 3, сетевой

 

Сетевой уровень отвечает за деление  пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов  на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

 

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP - протокол Internet

IPX - протокол межсетевого обмена 

X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)

CLNP - сетевой протокол без организации  соединений 

 

Уровень 4, транспортный

 

Транспортный уровень делит  потоки информации на достаточно малые  фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

 

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

TCP - протокол управления передачей 

NCP - Netware Core Protocol

SPX - упорядоченный обмен пакетами 

TP4 - протокол передачи класса 4

 

Уровень 5, сеансовый

 

Сеансовый уровень отвечает за организацию  сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

 

Уровень 6, уровень представления

 

Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

 

Уровень 7, прикладной

 

Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями  и управление сетью.

 

К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

FTP - протокол переноса файлов

TFTP - упрощенный протокол переноса  файлов 

X.400 - электронная почта 

Telnet

SMTP - простой протокол почтового  обмена 

CMIP - общий протокол управления  информацией 

SNMP - простой протокол управления  сетью 

NFS - сетевая файловая система

FTAM - метод доступа для переноса  файлов

 

С точки зрения практического применения, для организации межсетевого  взаимодействия необходимы только процессы, соответствующие первым трем уровням  эталонной модели OSI (физического, канального и сетевого). Именно они связаны с сетевым оборудованием - адаптерами, хабами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Функции более высокого уровня реализуются операционными системами и приложениями конечных узлов. Особо можно выделить транспортный уровень, который играет роль посредника между этими двумя группами протоколов.

 

Однако, для описания локальных  сетей оказалась более удобной  четырехуровневая модель TCP/IP. Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это стандарт стека  протоколов, разработанный более 20 лет назад по инициативе Министерства обороны США для связи нескольких сетей между собой. Существуют они в виде спецификаций RFC (Request for Comment) - последовательной серии документов, описывающих функционирование сети Internet.

 

1.Уровень IV. Соответствует физическому и канальному уровням модели OSI, и определяет метод инкапсуляции пакетов IP в кадры сетевой технологии. Не регламентируется, но поддерживает Ethernet и большинство известных стандартов (PPP, Frame Relay, X.25, и др.).

2. Уровень III, межсетевого взаимодействия, по значению соостветствующий сетевому уровню модели OSI. В качестве основного используется дейтаграмный (без гарантии доставки) протокол IP, изначально предназначенный для передачи информации в глобальной сети. Так же применяются протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol), и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).

3. Уровень II. Носит название основного,  и соответствует транспортному и сеансовому уровню модели OSI. Определяет функционирование протокола управления передачей TCP, и протокола дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). TCP образует виртуальное соединение (сессию) между прикладными процессами, и обеспечивает надежную передачу сообщений. Протокол UDP обеспечивает передачу пакетов дейтаграммным способом, и выполняет только функции связующего звена между III и I уровнями.

4. Уровень I, или прикладной. К  этим протоколам и сервисам  относятся такие широко используемые, как FTP (копирования файлов), эмуляции терминала telnet, почтовый SMTP, гипертекстовые сервисы доступа WWW и многие другие.

 

Связь между моделью OSI и стеком TCP/IP можно показать следующим образом.

Модель  OSI	Протоколы информационного обмена	Стек  TCP/IP
7	HTTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, и много других	I
6
5	TCP, UDP, DNS, NetBios	II
4
3	IP, ARP(RARP), ICMP, RIP, DHCP	II
2	Ethernet, ATM, Frame Relay, SDH (Для стека TCP/IP не регламентируется)	IV
1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распространенные протоколы

 

Среди множества протоколов наиболее популярны следующие: TCP/IP; NetBEUI; Х.25;

Xerox Network System (XNS™); IPX/SPXHNWLink; APPC; AplleTalk; набор протоколов OSI; DECnet.

 

TCP/IP

 

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) — промышленный стандартный набор протоколов, которые обеспечивают связь в гетерогенной (неоднородной) среде, т.е. обеспечивают совместимость между компьютерами разных типов. Совместимость — одно из основных преимуществ TCP/IP, поэтому большинство ЛВС поддерживает его. Кроме того, TCP/IP предоставляет доступ к ресурсам Интернета, а также маршрутизируемый протокол для сетей масштаба предприятия. Поскольку TCP/IP поддерживает маршрутизацию, он обычно используется в качестве межсетевого протокола. Благодаря своей популярности TCP/IP стал стандартом де-факто для межсетевого взаимодействия. К другим специально созданным для набора TCP/IP протоколам относятся:

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — электронная  почта; 

FTP (File Transfer Protocol) — обмен файлами между компьютерами, поддерживающими TCP/IP;

SNMP (Simple Network Management Protocol) — управление  сетью.

 

TCP/IP имеет два главных недостатка: размер и недостаточная скорость работы. TCP/IP — относительно большой стек протоколов, который может вызвать проблемы у MS-DOS-клиентов. Однако для таких операционных систем, как Windows NT или Windows 95, размер не является проблемой, а скорость работы сравнима со скоростью протокола IPX.

 

NetBEUI

 

NetBEUI — расширенный интерфейс NetBIOS. Первоначально NetBIOS и NetBEUI были тесно связаны и рассматривались как один протокол. Затем некоторые производители ЛВС так обособили NetBIOS, протокол Сеансового уровня, что он уже не мог использоваться наряду с другими маршрутизируемыми транспортными протоколами. NetBIOS (Network Basic Input/Output System — сетевая базовая система ввода/вывода) -это IBM-интерфейс Сеансового уровня с ЛВС, который выступает в качестве прикладного интерфейса с сетью. Этот протокол предоставляет программам средства для осуществления сеансов связи с другими сетевыми программами. Он очень популярен, так как поддерживается многими приложениями.

 

NetBEUI — небольшой, быстрый и эффективный протокол Транспортного уровня, который поставляется со всеми сетевыми продуктами фирмы Microsoft. Он появился в середине 80-х годов в первом сетевом продукте Microsoft — MS®-NET.

 

К преимуществам NetBEUI относятся небольшой размер стека (важно для MS-DOS-компьютеров), высокая скорость передачи данных по сети и совместимость со всеми сетями Microsoft. Основной недостаток NetBEUI — он не поддерживает маршрутизацию. Это ограничение относится ко всем сетям Microsoft.