Модели и протоколы компьютерных сетей

13.6.1. Общее представление

Протокол в общем смысле представляет собой правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. То же самое представляют собой сетевые протоколы: правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. Что, в какой момент, в ответ на какое сообщение нужно сделать, какие данные

Для планомерного развития и стандартизации сетевых соединений, служб, технологии и устройств, необходимо некоторое всеобщее рамочное соглашение, определяющее основные принципы, параметры и термины, на основе которых можно будет разрабатывать конкретные решения. Такое рамочное соглашение, в общих чертах определяющее порядок приема и передачи информации на всех уровнях сетевого взаимодействия, получило название сетевой модели.

Известно несколько стеков протоколов, самыми широко распространенны­ми из которых являются TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB. Мы ограничимся рассмотрением стека TCP/IP, поскольку на протоколах этого стека построен весь Интернет.

13.6.2. Стек протоколов TCP/IP

Уровень сетевых интерфейсов

Уровню сетевых интерфейсов не сопоставлен ни один протокол, но на нем реа­лизована поддержка практически всех известных сегодня технологий и протоколов объединения компьютеров в сеть.

Уровень межсетевого взаимодействия

На уровне межсетевого взаимодействия решаются задачи маршрутизации дан­ных. На этом уровне работают несколько протоколов.

□ IP (Internet Protocol - протокол межсетевого взаимодействия). Решает задачу передачи данных между сетями.

□ RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым). Про­токолы сбора и конфигурирования маршрутной информации, отвечающие за выбор оптимального маршрута передачи данных.

□ ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений). При помощи этого протокола собирается информация об ошибках доставки и длительности жизни пакетов, а также передаются тестирующие со­общения, подтверждающие наличие запрошенного узла в сети.

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет механизмы доставки данных.

□ TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей). Описы­вает правила создания логического соединения между удаленными процессами и механизм обработки ошибок доставки пакетов (механизм повторной передачи «сбойных» пакетов).

□ UDP (User Datagramm Protocol - протокол пользовательских датаграмм). Упрощенный вариант протокола доставки данных без установления логического соединения и проверки ошибок доставки пакетов.

Прикладной уровень

К прикладному уровню относятся протоколы, носящие прикладной характер. Большинство этих протоколов связано с соответствующими прикладными про­граммами, работающими на их основе.

□ FTP (File Trancfer Protocol - протокол передачи файлов). В качестве транс­портного протокола этот протокол использует TCP, что повышает надежность передачи файлов через большое количество промежуточных узлов.

□ TFTP (Trivial File Trancfer Protocol - простейший протокол передачи файлов). Этот протокол базируется на UDP и используется в локальных сетях.

□ SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).

□ Telnet - протокол, используемый для эмуляции терминала удаленной станции.

□ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи сообщений). Передает сообщения электронной почты при помощи транспортного протокола TCP.

□ HTTP (Hiper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). Базовый протокол Всемирной паутины, без которой сегодня невозможно представить себе Интернет. Именно он обеспечивает передачу страниц сайтов на наши компьютеры.

Кроме перечисленных базовых протоколов, в состав стека TCP/IP на приклад­ном уровне входит еще множество протоколов.

13.6.3. Сетевая модель OSI

Когда стек протоколов TCP/IP уже в полную силу обеспечивал функциониро­вание самых разнообразных сетей, международная организация по стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) разработала концептуальную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель оказалась настолько удачной, что в настоящее время многие сетевые процессы и проблемы принято описывать именно в терминах модели OSI. В модели OSI три базовых понятия: уровень, интерфейс и протокол.

Уровни пронумерованы от 7-го (верхний уровень) до 1-го (нижний уровень). Чем выше уровень, тем более глобальны решаемые им задачи. Каждый вышесто­ящий уровень реализует свою функциональность, получая услуги от нижележа­щего уровня и управляя им. Управление и передача услуг осуществляются через стандартные интерфейсы, благодаря которым вышестоящий уровень изолируется от детализации того, как именно реализует услуги нижележащий уровень. Вза­имодействие протоколов смежных уровней в одном узле осуществляется через интерфейсы.

Стек протоколов TCP / IP - это набор протоколов, его название происходит от двух наиболее важных протоколов, являющиеся основой связи в сети Интернет . Протокол TCP разбивает передаваемую информацию на порции (пакеты) и нумерует их. С помощью протокола IP все пакеты передаются получателю. Далее с помощью протокола TCP проверяется, все ли пакеты получены. При получении всех порций TCP располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое. В сети Интернет используются две версии этого протокола:

• Маршрутизируемый сетевой протокол IPv4. В протоколе этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 32 бита (т.е. 4 октета или 4 байта).
• IPv6 позволяет адресовать значительно большее количество узлов, чем IPv4. Протокол Интернета версии 6 использует 128-разрядные адреса, и может определить значительно больше адресов.

Примечание

IP-адреса стандарта IPv6 имеют длину 128 бит и поэтому в четыре раза длиннее, чем IP-адреса четвертой версии. IP-адреса версии v6 записываются в следующем виде:X:X:X:X:X:X:X:X, где X является шестнадцатеричным числом, состоящим из 4-х знаков(16 бит), а каждое число имеет размер 4 бит. Каждое число располагается в диапазоне от 0 до F. Вот пример IP-адреса шестой версии: 1080:0:0:0:7:800:300C:427A. В подобной записи незначащие нули можно опускать, поэтому фрагмент адреса: 0800: записывается, как 800:.

ARP

Для взаимодействия сетевых устройств друг с другом необходимо, чтобы у передающего устройства был IP - и MAC -адреса получателя. Набор протоколов TCP / IP имеет в своем составе специальный протокол, называемый ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов), который позволяет автоматически получить MAC - адрес по известным IP -адресам

DHCP-протокол

Распределением IP -адресов для подключения к сети Интернет занимаются провайдеры, а в локальных сетях – сисадмины. Назначение IP -адресов узлам сети при большом размере сети представляет для администратора очень утомительную процедуру. Поэтому для автоматизации процесса разработан протокол Dynamic Host Configuration Protocol ( DHCP ) , который освобождает администратора от этих проблем, автоматизируя процесс назначения IP -адресов всем узлам сети.

HTTP протокол

HTTP протокол служит для передачи гипертекста, т.е. для пересылки Web-страниц с одного компьютера на другой. Основой HTTP является технология "клиент- сервер ", то есть предполагается существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и посылают запрос , и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом.

FTP протокол

FTP протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может скопировать файл с удаленного компьютера на свой или скопировать файл со своего компьютера на удаленный.

POP протокол

POP стандартный протокол получения почтового соединения. Серверы POP обрабатывают входящую почту, а протокол POP предназначен для обработки запросов на получение почты от клиентских почтовых программ.

SMTP протокол

SMTP -протокол, который задает набор правил для отправки почты. Сервер SMTP возвращает либо подтверждение о приеме, либо сообщение об ошибке , либо запрашивает дополнительную информацию.

IP адрес по протоколу IPv4

Одной из самых важных тем при рассмотрении TCP / IP является адресация IP . Адрес IP - числовой идентификатор , приписанный каждому компьютеру в сети IP и обозначающий местонахождение в сети устройства, которому он приписан. Адрес IP - это адрес программного, а не аппаратного обеспечения. IP - адрес узла идентифицирует точку доступа модуля IP к сетевому интерфейсу, а не всю машину.

IP - адрес - сетевой (программный) адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP .

Каждый из 4х октет десятичной записи IP адреса может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 и в теории такой адрес в десятичной форме записи может быть в диапазоне от 0.0.0.0 до 255.255.255.255. IP адрес - двоичное число, но для человека вместо записи в 32

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Стек протоколов - иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов сети.

Протокол - формальный набор правил и соглашений, регламентирующий обмен информацией между компьютерами по сети. Реализует функции одного или нескольких уровней.

Технология ЛВС организует, как правило, только функции двух нижних уровней модели OSI. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канальных. Эти протоколы также работают, но они относятся к технологиям локальных сетей.

Стандарт IEEE разделяют канальный уровень на 2 подуровня: управление логическим каналом и управление доступом к среде.

Функции уровня LLC реализуются программным соответствующим модулем ОС, а функции уровня MAC реализуются программно-аппаратным (связка сетевой драйвер и сетевой адаптер).

Уровень MAC

Основные функции:

1. обеспечение доступа к разделяемой среде;

2. передача кадров между конечными узлами, используются функции устройства физического уровня.

3. Транспортировка кадров осуществляется уровнем MAC в несколько этапов:

3.1. формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на основе информации, получаемой от верхних уровней.(Адрес источника и назначения, пользовательские данные, признак протокола верхнего уровня). После того как кадр был сформирован, уровень MAC подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле;

3.2. передача кадра через среду. Когда кадр сформирован и доступ к разделяемой среде получен, уровень MAC передает данные на физический уровень, который побитно передает данные в среду;

3.3. прием кадров. Уровень MAC каждого узла проверяет адрес назначения поступившего кадра и если он совпадает с его собственным, то продолжает его обработку. Осуществляется проверка контрольной суммы кадров. Если она прошла успешно, то кадр передается на уровень LLC.

Уровень LLC

Выполняет 2 функции :

1. организует интерфейс и прилегающим к нему сетевым уровнем;

2. обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности.

1) Интерфейсные функции LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем. При передаче данных сверху вниз LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет, в котором уже содержатся пользовательские данные. Помимо пакетов сверху передается адрес узла назначения в формате той технологии локальной сети, в пределах которой она функционирует. При передаче данных снизу вверх происходит процесс демультиплексирования, при передаче сверху вниз – мультиплексирование. Задачи мультиплексирования и демультиплексирования свойственны любому протоколу, над которым могут функционировать несколько протоколов. Для демультиплексирования данных LLC использует в своем заголовке специальные поля DSAP (точка входа службы приемника). Используется для хранения кода протокола, которому адресовано поле данных. SSAP (точка входа службы источника) используется для указания кода протокола, от которого посылаются данные.

2) Доставка кадров с заданной степенью надежности. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения. Уровень LLC представляет 3 типа транспортных узлов:

• LLC-1 – услуга без установления соединения и без подтверждения полученных данных;
• LLC-2 – дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных, если потребуется выполнить процедуру восстановления после ошибок и упорядочение потоков блоков в рамках установленного соединения;
• LLC-3 - без установления соединения, но с подтверждением полученных данных.

Деятельность IEEE в области стандартизации вызвала необходимость обеспечения максимальной совместимости спецификаций ISO и IEEE 802. С этой целью комитеты 802 разделили уровень звена данных на два подуровня: управление доступом к среде (Media Access Control – МАС и управление логическим звеном данных (Logical Link Control – LLC).

Рисунок 5.1 Связь стандартов IEEE 802 с моделью OSI/ISO.

Как видно из рисунка, MAC охватывает 802.3, 802.4, 802.5 и 802.6, а LLC включает 802.2.

Разбиение уровня на два подуровня MAC/LLC дает целый ряд преимуществ. Прежде всего это дает возможность управлять доступом к разделяемому (общему) каналу с автономных устройств DTE. Во-вторых, это позволяет реализовать децентрализованный механизм управления (равноранговые станции) и повышает устойчивость ЛС к ошибкам. В-третьих, это обеспечивает более совместимый с глобальными сетями интерфейс, поскольку LLC является подмножеством базового множества протокола. В-четвертых, LLC не зависит от конкретного метода доступа; MAC же зависит от протокола. Этот подход обеспечивает сетям, основанным на стандартах IEEE 802, гибкий интерфейс ввода и вывода.

Три уровня (физический уровень и подуровни MAC и LLС) взаимодействуют путем обмена протокольными блоками данных через точки доступа к сервису (Service Access Point - SAP). Условные названия точек доступа к сервису (SAP) таковы:

PSAP - в верхней части физического уровня;

MSAP - в верхней части подуровня MAC;

LSAP - верхней части подуровня LLC.

Стандарты ЛВС

Спецификации Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE802 определяют стандарты для физических компонентов сети. Эти компоненты – сетевая карта (Network Interface Card – NIC) и сетевой носитель (network media), которые относятся к физическому и канальному уровням модели OSI. Спецификации IEEE802 определяют механизм доступа адаптера к каналу связи и механизм передачи данных. Стандарты IEEE802 подразделяют канальный уровень на подуровни:

• Logical Link Control (LLC) – подуровень управления логической связью;
• Media Access Control (MAC) – подуровень управления доступом к устройствам.

Спецификации IEEE 802 делятся на 16 стандартов :

Стандарт 802.1 (Internetworking – объединение сетей) задает механизмы управления сетью на MAC – уровне. В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям, а также поведение маршрутизации на канальном уровне, где логические адреса должны быть преобразованы в их физические адреса и наоборот.

Стандарт 802.2 (Logical Link Control – управление логической связью)определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым уровнем.

Стандарт802.3(Ethernet Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD LANs Ethernet – множественный доступ к сетям Ethernet с проверкой несущей и обнаружением конфликтов)описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей, использующих шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов. Прототипом этого метода является метод доступа стандарта Ethernet (10BaseT, 10Base2, 10Base5). Метод доступа CSMA/CD. 802.3 также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).

100Base-Tx – двухпарная витая пара. Использует метод MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также имеется функция автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.

100Base-T4 – четырехпарная витая пара. Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T.

100BaseFx – многомодовое оптоволокно. Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

Этот метод доступа используется в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply access – MA).

Метод доступа CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети.

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции–источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Стандарт802.4 (Token Bus LAN – локальные сети Token Bus) определяет метод доступа к шине с передачей маркера, прототип – ArcNet.

При подключении устройств в ArcNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры ArcNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина) и обеспечивают производительность 2,5 Мбит/с. Этот метод предусматривает следующие правила:

Все устройства, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

В любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

Кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

В сетях ArcNet используется асинхронный метод передачи данных (в сетях Ethernet и Token Ring применяется синхронный метод), т. е. передача каждого байта в ArcNet выполняется посылкой ISU (Information Symbol Unit – единица передачи информации), состоящей из трёх служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

Стандарт802.5 (Token Ring LAN – локальные сети Token Ring) описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера, прототип – Token Ring.

Сети стандарта Token Ring, так же как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером, или токеном.

Стандарт802.6 (Metropolitan Area Network – городские сети) описывает рекомендации для региональных сетей.

Стандарт802.7 (Broadband Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по широковещательной передаче) описывает рекомендации по широкополосным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию.

Стандарт 802.8 (Fiber Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по оптоволоконным сетям) содержит обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 – 802.6, а также рекомендации по оптоволоконным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию, прототип – сеть FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель и доступ с применением маркера. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. Скорость сети до 100 Мб/с. Данная технология позволяет включать до 500 узлов на расстоянии 100 км.

Стандарт 802.9 (Integrated Voice and Data Network – интегрированные сети передачи голоса и данных) задает архитектуру и интерфейсы устройств одновременной передачи данных и голоса по одной линии, а также содержит рекомендации по гибридным сетям, в которых объединяют голосовой трафик и трафик данных в одной и той же сетевой среде.

В стандарте 802.10 (Network Security – сетевая безопасность) рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.

Стандарт802.11 (Wireless Network – беспроводные сети) описывает рекомендации по использованию беспроводных сетей.

Технология 100VG – это комбинация Ethernet и Token-Ring со скоростью передачи 100 Мбит/c, работающая на неэкранированных витых парах. В проекте 100Base-VG усовершенствован метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений. В спецификации 100VG предусматривается поддержка волоконно-оптических кабельных систем. Технология 100VG использует метод доступа – обработка запросов по приоритету (demand priority access). В этом случае узлам сети предоставляется право равного доступа. Концентратор опрашивает каждый порт и проверяет наличие запроса на передачу, а затем разрешает этот запрос в соответствии с приоритетом. Имеется два уровня приоритетов – высокий и низкий.

Стандарт 802.13 Cat.6 -10Gb LAN (основана заново) не используется.

Cable Modem Working Group . Стандарты передачи данных по традиционным кабельным телевизионным сетям. Эталонная архитектура задает собой смешанную оптоволоконную/кабельную структуру, охватывающую площадь до 80 км от головного узла. Основной сетевой протокол разрабатывается в расчете на трафик LLC IEE802.2(представитель Ethernet). В то же время высказывается предположение, что сеть должна поддерживать технологию ATM для передачи различного мультимедийного трафика.

Wireless Personal Area Networks Group . Разработка стандартов для малоразмерных беспроводных сетей.

Broadband Wireless Access Study Group. Разработка стандартов для широкополосного беспроводного доступа.

Resilient Packet Ring Working Group. Стандарт определяет протокол сети с очень высокой скоростью передачи, оптимизированный для пакетной передачи в оптоволоконных сетях с кольцевой топологией.

Вопросы:

1. Какое название традиционно используется для единицы передаваемых данных на каждом из уровней?

2. Дайте определение открытой системы.

3. Какая организация разработала стандарты сетей Ethernet?

4. Какое из административных подразделений Интернета непосредственно занимается стандартизацией?

5. Какая организация стояла у истоков создания и стандартизации стека TCP/IP?

6. Определите основные особенности стека TCP/IP.

7. Функции самых нижних уровней моделей OSI?

8. Дайте определение транспортных и информационных услуг.

9. Какие протоколы относятся к слою управления (control plane)?

10. Должны ли маршрутизаторами поддерживаться протоколы транспортного уровня?

11. Пусть на двух компьютерах установлено идентичное программное и аппаратное обеспечение за исключением того, что драйверы сетевых адаптеров Ethernet поддерживают отличающиеся интерфейсы с протоколом сетевого уровня IP. Будут ли эти компьютеры нормально взаимодействовать, если их соединить в сеть?

Лекция 6

Методы доступа

Эффективность взаимодействия рабочих станций в рамках локальной компьютерной сети во многом определяется используемым правилом доступа к общей передающей среде в сетях с шинной и кольцевой топологии. Правило, с помощью которого организуется доступ рабочих станций к передающей среде, получило название метода доступа. Т.е., метод доступа – это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций может следующей использовать ресурсы сети. Но, кроме того, так же называется набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, а также один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

В силу большого разнообразия локальных сетей и требований к ним, нельзя назвать какой–либо универсальный метод доступа, эффективный во всех случаях. Каждый из известных методов доступа имеет определенные преимущества и недостатки.

Классификация методов доступа:

Рисунок 6.1 Методы доступа.

В зависимости от используемого метода доступа локальные сети делятся на две группы. К первой группе относятся сети, в которых используются методы детерминированного доступа, ко второй – методы случайного доступа.

6.1 CSMA/CD

Суть метода:

1. Абонент, желающий передавать, следит за состоянием сети, это называется контролем несущей. Так как используется манчестерский код, то можно говорить о несущей частоте манчестерского кода. Если сеть свободна (по мнению абонента), то передача может начинаться без всякого ожидания.

2. После освобождения сети абонент начинает передачу и одновременно контролирует состояние сети. Это и есть обнаружение конфликта. Таким образом, конфликт определяется во время передачи. Если конфликт не обнаружен во время передачи, то передача считается успешной и доводится до конца.

3. Если конфликт обнаружен, то абонент усиливает его (передает некоторое время) для гарантии обнаружения конфликта всеми другими абонентами. А затем прекращает передачу на некоторое случайное время.

4. По истечении этого случайного промежутка времени, абонент повторяет попытку передачи, при этом контролирует среду на наличие конфликта. Повторная передача через случайное время уменьшает вероятность конфликта, но не исключает его.

Неравенство - условие отсутствия конфликтов. Это условие накладывает ограничение на размер сети. Двойное время распределения сигнала по сети не должно превышать времени передачи кадра, в том числе минимального кадра, т.е. 512 ВТ.

1 ВТ - время передачи 1 бита.

Рисунок 6.2 Условие обнаружения конфликта по МДКН/ОК.

Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рисунке 6.3.

Метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (CSMA/CD) устанавливает следующий порядок: если рабочая станция хочет воспользоваться сетью для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала: начинать передачу станция может, если канал свободен. В процессе передачи станция продолжает прослушивание сети для обнаружения возможных конфликтов. Если возникает конфликт из-за того, что два узла попытаются занять канал, то обнаружившая конфликт интерфейсная плата, выдает в сеть специальный сигнал, и обе станции одновременно прекращают передачу. Принимающая станция отбрасывает частично принятое сообщение, а все рабочие станции, желающие передать сообщение, в течение некоторого, случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать сообщение.

Рисунок 6.3 Алгоритм CSMA/CD.

Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен. Стандарт типа Ethernet определяет сеть с конкуренцией, в которой несколько рабочих станций должны конкурировать друг с другом за право доступа к сети.

6.2 CSMA/CA

Метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий. Суть метода состоит в том, что после освобождения сети всеми желающими передавать абонентами передается не пакет, а специальный сигнал, контролируя который, они обнаруживают конфликты. То есть сталкиваются только эти сигналы, а не пакеты, искажения которых критичны. Каждая станция сети, в которой реализуется такой метод доступа, имеет дополнительное устройство – таймер или арбитр. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается.

Установка времени на таймере, по истечении которого станция может вести передачу данных, осуществляется на приоритетной основе. Для станции с наивысшим приоритетом переполнение таймера наступает раньше. Если станция с высоким приоритетом не намерена вести передачу, канал будет находиться в состоянии покоя, т.е. свободен, и тогда следующая по приоритету станция может захватить канал.

Сети с методом доступа МДКН/ПК могут использоваться в более загруженных и протяженных сетях.

Достоинство:

• Уменьшение времени простоя канала.

Недостаток:

• Усложнение оборудования системы.

Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с шинной, звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера , который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Причем в сети обязательно должен быть компьютер, который следит за состоянием маркера. Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети – сетями типа «маркерное кольцо».

Рисунок 6.4 Топология общая шина с логическим кольцом.

В сетях типа «маркерная шина» доступ к каналу обеспечивается, таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного).

Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. Маркер освобождается компьютером источника после того, как он убедится, что данные приняты правильно. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции «слушают» канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая, в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

В сетях типа «маркерная шина», помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

Преимущества такого метода очевидны:

o Не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, так как с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т.е. с помощью этого механизма осуществляется упорядоченное использование канала станциями;

o Имеется возможность использования в загруженных сетях;

o Возможна передача кадров произвольной длины.

Метод типа «маркерное кольцо» применяется в сетях с кольцевой топологией, которые относятся к типу сетей с последовательной конфигурацией, где широковещательный режим работы невозможен. В таких сетях сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо.

В отличие от сетей с шинной топологией, где узлы действуют только как передатчики или приемники, и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим сетям, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации проходящих сигналов.

Рисунок 6.5 Метод типа «маркерное кольцо».

Как и в предыдущем случае, в качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера – свободное или занятое. Если не один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства.

Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен, и любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на «занятый», передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободный может только тот узел, который изменил его на «занятое». По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю, кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных.

С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции-отправителю в таком же состоянии, (это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

В кольцевой сети с передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел.

Преимущества сети «маркерное кольцо»:

o Имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель, получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;

o Канал используется полностью, его простои отсутствуют;

o Этот метод доступа может быть реализован в загруженных сетях;

o Имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети.

Недостатки этого метода:

o Невозможность передачи кадров произвольной длины;

o В простейшем исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;

o Данный метод доступа целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов, так как в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим;

o Снижается надежность управления (выход из строя «центра» приводит к полной дезорганизации обмена).

Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рисунке 6.6.

Метод с передачей маркера - это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция – адресат принимает его. При этом она создает новый маркер.

Маркер (token), или полномочие, - уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных.

Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС .

Рисунок 6.6 Алгоритм TPMA.

Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС . После чего пакет возвращается в узел из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС , выпуская новый маркер. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.

Данный метод характеризуется следующими достоинствами:

· гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети;

· дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных.

Вместе с тем он имеет существенные недостатки:

· в сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу;

· включение новой рабочей станции и отключение связаны с изменением адресов всей системы.

Множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами (рисунок 6.7).

Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом разграничителем . Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.

Рисунок 6.7 Структура множественного доступа с разделением во времени.

Данный способ позволяет организовать передачу данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов.

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате - неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи.

Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рисунок 6.8), образующих логические каналы.

Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными.

При использовании FDMA, именуемого также множественным доступом с разделением волны WDMA, широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Рисунок 6.8 Схема выделения логических каналов.

В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов.

Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

Похожая информация.

Не так давно организация локальных сетей требовала обязательного использования правильного протокола. Такой выбор оказывал влияние на то, какие типы компьютеров можно к нему подключить. Сегодня подобная проблема практически исчезла. Современные сетевые заменили все, что существовали ранее. Это универсальное решение, которое можно использовать в любой операционной системе.

Терминология

Сетевой протокол - это установленный язык, на котором происходит общение программ. Пересылка данных представляет собой перемещение какого-то потока битов по кабелю. Для того чтобы он доходил до целевого компьютера и представлялся в нем в виде данных, требуется определенный набор правил. Именно они и прописаны в стандартных протоколах. Про них обычно говорят, что они имеют уровень вложенности. Как это понимать? Есть физический уровень, который представляет собой перечень определений, к примеру, каким может быть сетевой кабель, толщина его жил и прочие параметры. Допустим, речь идет об исправном кабеле. Тогда пакеты данных будут отправляться по нему. Но какой из компьютеров будет их принимать? Тут в работу включается канальный уровень, при этом в заголовке пакетов указывается физический адрес каждой машины - определенное число, вшитое в Его называют MAC-адресом.

Сетевая иерархия

Канальный уровень совпадает с Ethernet. В пакете содержится набор определенных параметров, задающих его тип. Данные находятся в прямой зависимости от этого типа, а их содержание относится к сетевому уровню. Существует два самых распространенных протокола: ARP, который отвечает за преобразование IP-адресов в MAC, и сам IP-протокол. Можно привести структуру IP-пакета. Все данные, которые переносятся с его помощью, уже отправляются на конкретный сетевой адрес. В пакете имеется число в установленном формате, обозначающее тип протокола.

Самыми распространенными являются два типа: TCP и UDP. Между ними имеется определенное отличие, состоящее в том, что первый характеризуется максимальной степенью надежности, ведь при отправке пакета он постоянно отправляет запрос о его получении. Второй сетевой протокол - это удобный инструмент, к примеру, при прослушивании интернет-радио. При этом предполагается отправка пакетов без какой-либо проверки факта их получения. Если он дошел, то вы сможете прослушивать радио, а если нет - то нет смысла в проверке и контроле.

Особенности доставки пакетов

В пакете обязательно указан номер порта, куда осуществляется отправка. Обычно этот параметр определяется типом протокола на прикладном уровне - в зависимости от приложения, которому направлена информация. Можно использовать и нестандартные порты сервисов, никто этого не запрещает. Самыми известными сетевыми протоколами в данном случае являются HTTP и POP3. Получает определенная иерархия вложенности пакетов. В Ethernet-пакет вложен IP, далее TCP или UDP, а потом данные, ориентированные на конкретное приложение.

Отличительные характеристики

Сетевой протокол, в отличие от протоколов не привязывается к определенной аппаратуре. Их реализация происходит на уровне программного обеспечения, поэтому их можно установить и удалить в любой момент.

IP и TCP/IP

Данный сетевой протокол используется не только в сети интернет, но и внутри самой Он представляет транспортный и сетевой уровень, благодаря чему осуществляется передача данных блоками. Очень долгие годы его использовали только в UNIX-сетях, а теперь, когда интернет разросся довольно стремительно, сетевой протокол IP стал использоваться почти в каждом из видов локальных компьютерных сетей. На данный момент он служит в качестве основного протокола для большинства служб, работающих в операционных системах.

Локальные и коммутируемые сети

Старые сетевые протоколы требовали каких-то специфических знаний, а TCP/IP применяется такими пользователями, которые никогда даже не видели сетевые платы. Доступ к интернету при помощи модема или локальной сети обеспечивается при условии использования одного и того же протокола. А процесс его настройки полностью зависит от типа соединения, используемого при этом. Стоит отметить, что протоколы сетевого уровня отличаются от всех остальных, а параметры доступа к локальной сети либо с помощью модема тоже имеют определенные нюансы. Коммутируемое соединение лучше устанавливать с помощью программы автоматической конфигурации, которая поставляется самим провайдером. Иначе требуется вручную вводить все необходимые параметры. Можно рассмотреть основные сетевые протоколы.

Протокол IPX

Данный комплект был разработан компанией Novell с целью использования для собственной ОС NetWare. IPX частично схож с TCP/IP, то есть в него включены некоторые протоколы из данного пакета, но компания защитила его авторскими правами. Однако корпорация Microsoft создала свой протокол, совместимый с этим, предназначенный для операционных систем из семейства Windows. IPX представляет собой сетевой протокол, который в плане функционала аналогичен IP. SPX - это инструмент дл транспортного уровня, который предназначен для обеспечения обмена пакетными данными между отдельными машинами.

На данный момент этот протокол применяют только в сетях с серверами, где установлены старые версии операционной системы NetWare. Часто его используют в комплекте с какими-то другими наборами сетевых протоколов. Теперь компания Nowell полностью перешла на новый универсальный протокол TCP/IP.

NetBEUI

Данный сетевой протокол применяется в сетях малых размеров. Его впервые представили в Windows NT 3.1, а также в нескольких последующих версиях этой системы, где он использовался по умолчанию. В последних версиях систем его место занял уже известный нам TCP/IP. Этот протокол довольно прост, ему не хватает многих функций, используемых в более продвинутых вариантах. Он не подходит для межсетевого обмена данными. Он может пригодиться для простой однако теперь он даже не представлен в качестве стандартного компонента ОС, его требуется устанавливать самостоятельно с диска.

NetBEUI - это удобное средство для создания прямого кабельного подключения, и в этом смысле это минимальный протокол, который требуется для формирования одноранговой сети в версиях Windows 9x.

Выводы

Важно запомнить определенные моменты. На данный момент существует уже не один сетевой протокол. Все они предназначены для осуществления связи, однако у каждого из них совершенно разные задачи, есть преимущества и недостатки в сравнении с остальными. Использование каждого из них предполагает наличие определенных условий работы, которые обычно прописываются самим протоколом. При выборе того или иного решения стоит полагаться именно на этот параметр.