что обеспечивают протоколы сетевого уровня
Протоколы сетевого уровня
Протокол сетевого уровня (англ. Network layer ) — протокол 3-его уровня сетевой модели OSI, предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.
В пределах семантики иерархического представления модели OSI Сетевой уровень отвечает на запросы обслуживания от Транспортного уровня и направляет запросы обслуживания на Канальный уровень.
Содержание
Классификация
Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два класса: протоколы с установкой соединения и без него.
Функции Сетевого уровня:
Отношение к модели TCP/IP
Модель TCP/IP описывает набор протоколов Интернета (RFC 1122). В эту модель входит уровень, который называется Межсетевым, расположенный над Канальным уровнем. Во многих учебниках и других вторичных источниках Межсетевой уровень часто соотносится с Сетевым уровнем модели OSI. Однако, это вводит в заблуждение при характеристике протоколов (т.е. является ли он протоколом с установкой соединения или без), расположение этих уровней различно в двух моделях. Межсетевой уровень TCP/IP — фактически только подмножество функциональных возможностей Сетевого уровня. Он только описывает один тип архитектуры сети, Интернета.
Вообще, прямых или строгих сравнений между этими моделями следует избегать, так как иерархическое представление в TCP/IP не является основным критерием сравнения и вообще, как полагают, «вредно» (RFC 3439).
Сетевые протоколы
Уровни протоколов
В основном используются протокол TCP/IP
Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP (Протокол управления передачей/Протокол Интернета)
Большинство операционных систем сетевых серверов и рабочих станций поддерживает TCP/IP, в том числе серверы NetWare, все системы Windows, UNIX, последние версии Mac OS, системы OpenMVS и z/OS компании IBM, а также OpenVMS компании DEC. Кроме того, производители сетевого оборудования создают собственное системное программное обеспечение для TCP/IP, включая средства повышения производительности устройств. Стек TCP/IP изначально применялся на UNIX-системах, а затем быстро распространился на многие другие типы сетей.
Протоколы локальных сетей
Свойства протоколов локальной сети
В основном протоколы локальных сетей имеют такие же свойства, как и Другие коммуникационные протоколы, однако некоторые из них были разработаны давно, при создании первых сетей, которые работали медленно, были ненадежными и более подверженными электромагнитным и радиопомехам. Поэтому для современных коммуникаций некоторые протоколы не вполне пригодны. К недостаткам таких протоколов относится слабая защита от ошибок или избыточный сетевой трафик. Кроме того, определенные протоколы были созданы для небольших локальных сетей и задолго до появления современных корпоративных сетей с развитыми средствами маршрутизации.
Протоколы локальных сетей должны иметь следующие основные характеристики:
В основном все протоколы, рассматриваемые в этой главе, соответствуют перечисленным требованиям, однако, как вы узнаете позднее, у одних протоколов возможностей больше, чем у других.
В таблице перечислены протоколы локальных сетей и операционные системы, с которыми эти протоколы могут работать. Далее в главе указаны протоколы и системы (в частности, операционные системы серверов и хост компьютеров) будут описаны подробнее.
Таблица Протоколы локальных сетей и сетевые операционные системы
Соответствующая операционная система
Первые версии операционных систем Microsoft Windows
UNIX, Novel NetWare, современные версии операционных систем Microsoft Windows, операционные системы мэйнфреймов IBM
Операционные системы мэйнфреймов и миникомпьютеров IBM
Клиентские системы, взаимодействующие с мэйнфреймами IBM, настроенными на работу с протоколом SNA
Понятие протокола Интернет
Исходя из этой естественной необходимости, миру компьютеров потребовался единый язык (то есть протокол), который был бы понятен каждому из них.
Основные протоколы
Интернет:
Краткое описание протоколов Интернет
TCP/IP
Над созданием протоколов, необходимых для существования глобальной сети, трудились лучшие умы человечества. Одним из них был Винтон Серф (Vinton G. Cerf). Сейчас этого человека называют «отцом Интернета». В 1997 году Президент США Билл Клинтон наградил Винтона Серфа и его коллегу Роберта Кана (Robert E. Kahn) Национальной медалью за заслуги в области технологии, отметив их вклад в становление и развитие Интернета. Ныне Винтон Серф занимает пост старшего вице-президента по Интернет-архитектуре в корпорации MCI WorldCom Inc.
На самом деле TCP/IP является не одним протоколом, а целым набором протоколов, работающих совместно. Он состоит из двух уровней. Протокол верхнего уровня, TCP, отвечает за правильность преобразования сообщений в пакеты информации, из которых на приемной стороне собирается исходное послание. Протокол нижнего уровня, IP, отвечает за правильность доставки сообщений по указанному адресу. Иногда пакеты одного сообщения могут доставляться разными путями.
Схема функционирования протокола TCP/IP:
Адреса ресурсов Интернета, к которым вы обращаетесь по протоколу HTTP, выглядит примерно следующим образом: http://www.tut.by
TELNET
С помощью этого протокола вы можете подключиться к удаленному компьютеру как пользователь (если наделены соответствующими правами, то есть знаете имя пользователя и пароль) и производить действия над его файлами и приложениями точно так же, как если бы работали на своем компьютере.
Telnet является протоколом эмуляции терминала. Работа с ним ведется из командной строки. Если вам нужно воспользоваться услугами этого протокола, не стоит рыскать по дебрям Интернета в поисках подходящей программы. Telnet-клиент поставляется, например, в комплекте Windows 98.
Чтобы дать команду клиенту Telnet соединиться с удаленным компьютером, подключитесь к Интернету, выберите в меню Пуск (Start) команду Выполнить (Run) и наберите в строке ввода, например, следующее: telnet lib.ru
(Вместо lib.ru вы, разумеется, можете ввести другой адрес.) После этого запустится программа Telnet, и начнется сеанс связи.
Поиск информации ведется по ключевым словам, которые задает пользователь. Эти слова вводятся для определенной базы данных, и система находит все соответствующие им фрагменты текста на всех серверах, где располагаются данные этой базы. Результат представляется в виде списка ссылок на документы с указанием того, насколько часто встречается в данном документе искомое слово и все искомые слова в совокупности.
Даже в наши дни, когда систему WAIS можно считать морально устаревшей, специалисты во многих областях при проведении научных исследований тем не менее обращаются к ней в поисках специфической информации, которую не могут найти традиционными средствами.
Адрес ресурса WAIS в Интернете выглядит примерно так: wais://site.edu
Gorpher
Gopher переводится как «суслик», что отражает славное университетское прошлое разработчиков этой системы. Студенческие спортивные команды Университета Миннесоты носили название Golden Gophers («Золотые суслики»).
Сейчас ресурсы Gopher можно просматривать с помощью обычного Web-браузера, так как современные браузеры поддерживают этот протокол.
Адреса информационных ресурсов Gopher имеют примерно следующий вид: gopher://gopher.tc.umn.edu
К примеру, если ваш мобильный телефон поддерживает протокол WAP, то, набрав на его клавиатуре адрес нужной Web-страницы, вы можете увидеть ее (в упрощенном виде) прямо на дисплее телефона. В настоящее время подавляющее большинство производителей устройств уже перешли к выпуску моделей с поддержкой WAP, который также продолжает совершенствоваться.
jigi-33 / stack_protocolov_TCP_IP.md
Стек протоколов TCP/IP. Прочие сетевые протоколы
Изначально данный стек создавался для объединения больших компьютеров в университетах по телефонным линиям связи соединения «точка-точка». Но когда появились новые технологии, широковещательные (Ethernet) и спутниковые, возникла необходимость адаптировать TCP/IP, что оказалось непростой задачей. Именно поэтому наряду с OSI появилась модель TCP/IP.
Через модель описывается, как необходимо строить сети на базе различных технологий, чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.
Сравнение моделей OSI и TCP/IP
Последняя включает в себя 4 уровня:
Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов, обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
Уровень Интернет стоит выше, и по задачам перекликается с сетевым уровнем модели OSI. Он обеспечивает поиск оптимального маршрута, включая выявление неполадок в сети. Именно на этом уровне работает маршрутизатор.
Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
Прикладной объединил в себе 3 уровня модели OSI: сеансовый, представления и собственно, прикладной. То есть он выполняет такие функции, как поддержка сеанса связи, преобразование протоколов и информации, а также взаимодействие пользователя и сети.
Иногда специалисты пытаются объединить обе модели в нечто общее. Например, приведено пятиуровневое представление симбиоза от авторов [«Компьютерные сети»] Э.Таненбаума и Д. Уэзеролла.
Модель OSI обладает хорошей теоретической проработкой, но протоколы не используются. С моделью TCP/IP все иначе: протоколы широко используются, но модель подходит исключительно для описания сетей на базе TCP/IP.
Важно не путать их:
Стек протоколов TCP/IP
Рассмотрим каждый уровень более подробно:
Нижний уровень сетевых интерфейсов включает в себя Ethernet, Wi-Fi и DSL (модем). Данные сетевые технологии формально не входят в состав стека, но крайне важны в работе интернета в целом.
Стек протоколов TCP/IP задает стандарты связи между устройствами и содержит соглашения о межсетевом взаимодействии и маршрутизации.
Разбираем подробнее сетевые технологии: HTTP, TCP, REST
Большинство разговоров о компьютерных сетях сводится к набору аббревиатур: HTTP, TCP, REST. Как все это устроено?
Сети подразумевают передачу информации.
Чтобы обеспечить гарантию доставки данных, TCP использует подтверждение получения сообщений.
От отправителя к получателю «уходит» некий сегмент данных.
Приняв этот сегмент, получатель посылает отправителю подтверждение (ACK или Acknowledgement).
Данный процесс повторяется, пока передаются данные.
А вот что происходит, если при передаче произошла ошибка: сегмент теряется в сети, не доходит до получателя, и подтверждение не отправляется. Со стороны отправителя есть таймер, который задает время ожидания подтверждения. По истечении этого времени и за неимением ACK сегмент отправляется повторно.
Вот только в протоколе TCP подтверждаются сразу несколько сегментов, которые отправляются друг за другом (механизм скользящего окна). В противном случае скорость обмена данными была бы ужасающе медленной.
В протоколе TCP также предусмотрена защита от дублирования и нарушения порядка сообщений (сообщения нумеруются).
Мы видим HTTP в каждой ссылке: http://google.com/ и т.д.
Грубо говоря, это тип разметки, которая добавляется в текстовые документы для определенного отображения текста. Например, в HTML используются теги. Так это выглядит в браузере, все знают.
В стеке протоколов HTTP находится на прикладном уровне.
Он использует протокол TCP и порт сервера 80 (для клиента порт генерируется операционной системой).
REST представляет собой стиль архитектуры ПО для распределенных систем вроде World Wide Web. Используется, как правило, для построения веб-служб. Именно Рой Филдинг, один из авторов HTTP, ввел термин REST в 2000 году.
Это очень простой интерфейс управления данными, в котором не предусмотрены дополнительные внутренние «прослойки». Такой механизм означает передачу информации в точно том же виде, что и сама информация. Грубо говоря, мы НЕ заворачиваем ее в XML, что присуще SOAP, НЕ юзаем AMF, как Flash, etc.
Что обеспечивают протоколы сетевого уровня
Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами.
Функции сетевого уровня:
— доставка данных между сетями
— выбор наилучшего пути в соответствии с критерием передачи данных.
— управление потоком данных для предотвращения перегрузок
— согласование разных технологий на межсетевом уровне
Протоколы сетевого уровня:
— CLNP (сетевой протокол без организации соединений).
Маршрутизатор (router) – это совокупность определенного числа портов, каждому из которых подсоединяется определенная подсеть, при этом каждый порт рассматривается, как отдельный полноценный узел, соответствующей подсети.
Маршрутизатор выполняет некоторые функции моста, такие анализ топологии, фильтрация и пересылка пакетов. Однако, в отличие от мостов, маршрутизаторы могут направлять пакеты в конкретные сети, анализировать сетевой трафик и быстро адаптироваться к изменениям сети.
Маршрутизаторы реализовывают функцию маршрутизации, на основании той информации, которая находится в таблице маршрутизации.
Таблицы и протоколы маршрутизации
Базы данных используются маршрутизаторами для хранения информации об адресах узлов и состоянии сети. Базы данных таблиц маршрутизации содержат адреса других маршрутизаторов. Маршрутизаторы, настроенные на динамическую маршрутизацию, автоматически обновляют эти таблицы, регулярно обмениваясь адресами с другими маршрутизаторами. Также маршрутизаторы обмениваются сведениями о сетевом трафике, топологии сети и состоянии сетевых каналов. Каждый маршрутизатор хранить эту информацию в базе данных состояния сети.
При получении пакета маршрутизатор анализирует протокольный адрес на значения, например, IP-адрес в пакете протокола TCP/IP. Направление пересылки определяется на основании используемой метрики, т. е. с учетом информации о состоянии сети и количестве ретрансляций, необходимых для передачи пакета целевому узлу. Маршрутизаторы, работающие только с одним протоколом (например, с TCP/IP), поддерживают лишь одну базу данных адресов. Многопротокольный маршрутизатор имеет базу адресов для каждого поддерживаемого протокола (к примеру, базы данных для сетей TCP/IP и IPX/SPX).
Для взаимодействия между маршрутизаторами, находящимися в локальной системе обычно применяются два протокола: RIP и OSPF.
Маршрутизаторы используют Routing Information Protocol (RIP) для определения минимального количества ретрансляций между ними и другими маршрутизаторами, после чего эта информация добавляется в таблицу каждого маршрутизатора. После этого сведения о количестве ретрансляций используются для нахождения наилучшего маршрута для пересылки пакета.
— Наличие жесткого ограничения на размер сети, протокол R I P может быть использован в сети, в которой не более чем 15 маршрутизаторами.
— Каждый RIP-маршрутизатор по умолчанию вещает в сеть свою полную таблицу маршрутизации раз в 30 секунд, довольно сильно нагружая низкоскоростные линии связи.
Описание работы протокола
1. Маршрутизаторы обмениваются hello-пакетами через все интерфейсы, на которых активирован OSPF. Маршрутизаторы, разделяющие общий канал передачи данных, становятся соседями, когда они приходят к договоренности об определённых параметрах, указанных в их hello-пакетах.
2. На следующем этапе работы протокола маршрутизаторы будут пытаться перейти в состояние смежности с маршрутизаторами, находящимися с ним в пределах прямой связи (на расстоянии одного хопа). Переход в состояние смежности определяется типом маршрутизаторов, обменивающихся hello-пакетами, и типом сети, по которой передаются hello-пакеты. OSPF определяет несколько типов сетей и несколько типов маршрутизаторов. Пара маршрутизаторов, находящихся в состоянии смежности, синхронизирует между собой базу данных состояния каналов.
3. Каждый маршрутизатор посылает объявление о состоянии канала маршрутизаторам, с которыми он находится в состоянии смежности.
4. Каждый маршрутизатор, получивший объявление от смежного маршрутизатора, записывает передаваемую в нём информацию в базу данных состояния каналов маршрутизатора и рассылает копию объявления всем другим смежным с ним маршрутизатором.
5. Рассылая объявления через зону, все маршрутизаторы строят идентичную базу данных состояния каналов маршрутизатора.
6. Когда база данных построена, каждый маршрутизатор использует алгоритм Дейкстры для вычисления графа без петель, который будет описывать кратчайший путь к каждому известному пункту назначения с собой в качестве корня. Этот граф— дерево кратчайших путей.
7. Каждый маршрутизатор строит таблицу маршрутизации из своего дерева кратчайших путей.
Одним из основных его достоинств(по сравнению с RIP ) является то, что при его использовании маршрутизатор пересылает только ту часть таблицы маршрутизации, которая относится к его ближайшим каналам, такая посылка называется «сообщением маршрутизатора о состоянии каналов».
1. Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.
2. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным.
3. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес.
Преобразование адресов выполняется путем поиска в таблице. Эта таблица, называемая ARP-таблицей, хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом.
Методы построения таблицы маршрутизации.
— Статическая маршрутизация. Все маршруты прописываются и изменяются администратором системы вручную. Это самый простой способ организации маршрутизации. Однако он подходит только для небольших сетей, изменения в структуре которых происходят достаточно редко.
— Динамическая маршрутизация. Построение таблицы маршрутизации осуществляется посредством специальных протоколов маршрутизации. Участие администратора в этом процессе минимально и сводится к изначальной конфигурации маршрутизаторов.
Глава 2 Сетевые протоколы
Сетевые протоколы
Как уже упоминалось ранее, в локальных сетях могут совместно работать компьютеры разных производителей, оснащенные различным набором устройств и обладающие несхожими техническими характеристиками. На практике это означает, что для обеспечения нормального взаимодействия этих компьютеров необходим некий единый унифицированный стандарт, строго определяющий алгоритм передачи данных в распределенной вычислительной системе. В современных локальных сетях, или, как их принято называть в англоязычных странах, LAN (Local Area Network), роль такого стандарта выполняют сетевые протоколы.
Итак, сетевым протоколом, или протоколом передачи данных, называется согласованный и утвержденный стандарт, содержащий описание правил приема и передачи между несколькими компьютерами команд, файлов, иных данных, и служащий для синхронизации работы вычислительных машин в сети.
Прежде всего следует понимать, что в локальных сетях передача информации осуществляется не только между компьютерами как физическими устройствами, но и между приложениями, обеспечивающими коммуникации на программном уровне. Причем под такими приложениями можно понимать как компоненты операционной системы, организующие взаимодействие с различными устройствами компьютера, так и клиентские приложения, обеспечивающие интерфейс с пользователем. Таким образом, мы постепенно приходим к пониманию многоуровневой структуры сетевых коммуникаций — как минимум, с одной стороны мы имеем дело с аппаратной конфигурацией сети, с другой стороны — с программной.
Вместе с тем передача информации между несколькими сетевыми компьютерами — не такая уж простая задача, как это может показаться на первый взгляд. Для того чтобы понять это, достаточно представить себе тот круг проблем, который может возникнуть в процессе приема или трансляции каких-либо данных. В числе таких «неприятностей» можно перечислить аппаратный сбой либо выход из строя одного из обеспечивающих связь устройств, например, сетевой карты или концентратора, сбой прикладного или системного программного обеспечения, возникновение ошибки в самих передаваемых данных, потерю части транслируемой информации или ее искажение. Отсюда следует, что в локальной сети необходимо обеспечить жесткий контроль для отслеживания всех этих ошибок, и более того, организовать четкую работу как аппаратных, так и программных компонентов сети. Возложить все эти задачи на один-единственный протокол практически невозможно. Как быть?
Выход нашелся в разделении протоколов на ряд концептуальных уровней, каждый из которых обеспечивает интерфейс между различными модулями программного обеспечения, установленного на работающих в сети компьютерах. Таким образом, механизм передачи какого-либо пакета информации через сеть от клиентской программы, работающей на о/щом компьютере, клиентской программе, работающей на другом компьютере, можно условно представить в виде последовательной пересылки этого пакета сверху вниз от некоего протокола верхнего уровня, обеспечивающего взаимодействие с пользовательским приложением, протоколу нижнего уровня, организующему интерфейс с сетью, его трансляции на компьютер-получатель и обратной передачи протоколу верхнего уровня уже на удаленной машине (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Концептуальная модель многоуровневой системы протоколов
Согласно такой схеме, каждый из уровней подобной системы обеспечивает собственный набор функций при передаче информации по локальной сети.
Например, можно предположить, что протокол верхнего уровня, осуществляющий непосредственное взаимодействие с клиентскими программами, транслирует данные протоколу более низкого уровня, «отвечающему» за работу с аппаратными устройствами сети, преобразовывая их в «понятную» для него форму. Тот, в свою очередь, передает их протоколу, осуществляющему непосредственно пересылку информации на другой компьютер. На удаленном компьютере прием данных осуществляет аналогичный протокол «нижнего» уровня и контролирует корректность принятых данных, то есть определяет, следует ли транслировать их протоколу, расположенному выше в иерархической структуре, либо запросить повторную передачу. В этом случае взаимодействие осуществляется только между протоколами нижнего уровня, верхние уровни иерархии в данном процессе не задействованы. В случае если информация была передана без искажений, она транслируется вверх через соседние уровни протоколов до тех пор, пока не достигнет программы-получателя. При этом каждый из уровней не только контролирует правильность трансляции данных на основе анализа содержимого пакета информации, но и определяет дальнейшие действия исходя из сведений о его назначении. Например, один из уровней «отвечает» за выбор устройства, с которого осуществляется получение и через которое передаются данные в сеть, другой «решает», передавать ли информацию дальше по сети, или она предназначена именно этому компьютеру, третий «выбирает» программу, которой адресована принятая информация. Подобный иерархический подход позволяет не только разделить функции между различными модулями сетевого программного обеспечения, что значительно облегчает контроль работы всей системы в целом, но и дает возможность производить коррекцию ошибок на том уровне иерархии, на котором они возникли. Каждую из подобных иерархических систем, включающих определенный набор протоколов различного уровня, принято называть стеком протоколов.
Вполне очевидно, что между теорией и практикой, то есть между концептуальной моделью стека протоколов и его практической реализацией существует значительная разница. На практике принято несколько различных вариантов дробления стека протоколов на функциональные уровни, каждый из которых выполняет свой круг задач. Мы остановимся на одном из этих вариантов, который представляется наиболее универсальным. Данная схема включает четыре функциональных уровня, и так же, как и предыдущая диаграмма, описывает не конкретный механизм работы какого-либо стека протоколов, а общую модель, которая поможет лучше понять принцип действия подобных систем (рис. 2.2).
Самый верхний в иерархической системе, прикладной уровень стека протоколов обеспечивает интерфейс с программным обеспечением, организующим
работу пользователя в сети. При запуске любой программы, для функционирования которой требуется диалог с сетью, эта программа вызывает соответствующий протокол прикладного уровня. Данный протокол передает программе информацию из сети в доступном для обработки формате, то есть в виде системных сообщений либо в виде потока байтов. В точности таким же образом пользовательские приложения могут получать потоки данных и управляющие сообщения — как от самой операционной системы, так и от других запущенных на компьютере программ. То есть, обобщая, можно сказать, что протокол прикладного уровня выступает в роли своего рода посредника между сетью и программным обеспечением, преобразуя транслируемую через сеть информацию в «понятную» программе-получателю форму.
Рис. 2.2. Модель реализации стека протоколов
Основная задача протоколов транспортного уровня заключается в осуществлении контроля правильности передачи данных, а также в обеспечении взаимодействия между различными сетевыми приложениями. В частности, получая входящий поток данных, протокол транспортного уровня дробит его на отдельные фрагменты, называемые пакетами, записывает в каждый пакет некоторую дополнительную информацию, например идентификатор программы, для которой предназначены передаваемые данные, и контрольную сумму, необходимую для проверки целостности пакета, и направляет их на смежный уровень для дальнейшей обработки. Помимо этого протоколы транспортного уровня осуществляют управление передачей информации — например, могут запросить у получателя подтверждение доставки пакета и повторно выслать утерянные фрагменты транслируемой последовательности данных. Некоторое недоумение может вызвать то обстоятельство, что протоколы транспортного уровня так же, как и протоколы прикладного уровня, взаимодействуют с сетевыми программами и координируют передачу данных между ними. Эту ситуацию можно прояснить на следующем примере: предположим, на подключенном к сети компьютере запущен почтовый клиент, эксплуатирующий два различных протокола прикладного уровня — РОРЗ ( Post Office Protocol) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — и программа загрузки файлов на удаленный сервер — FTP-клиент, работающий с протоколом прикладного уровня FTP (File Transfer Protocol). Все эти протоколы прикладного уровня опираются на один и тот же протокол транспортного уровня — TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), который, получая поток данных от вышеуказанных программ, преобразует их в пакеты данных, где присутствует указание на конечное приложение, использующее эту информацию. Из рассмотренного нами примера следует, что данные, приходящие из сети, могут иметь различное назначение, и, соответственно, они обрабатываются различными программами, либо различными модулями одного и того же приложения. Во избежание путаницы при приеме и обработке информации каждая взаимодействующая с сетью программа имеет собственный идентификатор, который позволяет транспортному протоколу направлять данные именно тому приложению, для которого они предназначены. Такие идентификаторы носят название программных портов. В частности, протокол прикладного уровня SMTP, предназначенный для отправки сообщений электронной почты, работает обычно с портом 25, протокол входящей почты РОРЗ — с портом 110, протокол Telnet — с портом 23. Задача перенаправления потоков данных между программными портами лежит па транспортных протоколах.
На межсетевом уровне реализуется взаимодействие конкретных компьютеров распределенной вычислительной системы, другими словами, осуществляется процесс определения маршрута движения информации внутри локальной сети и выполняется отправка этой информации конкретному адресату. Данный процесс принято называть маршрутизацией. Получая пакет данных от протокола транспортного уровня вместе с запросом на его передачу и указанием получателя, протокол межсетевого уровня выясняет, на какой компьютер следует передать информацию, находится ли этот компьютер в пределах данного сегмента локальной сети или на пути к нему расположен шлюз, после чего трансформирует пакет в дейтаграмму — специальный фрагмент информации, передаваемый через сеть независимо от других аналогичных фрагментов, без образования виртуального канала (специально сконфигурированной среды для двустороннего обмена данными между несколькими устройствами) и подтверждения приема. В заголовок дейтаграммы записывается адрес компьютера-получателя пересылаемых данных и сведения о маршруте следования дейтаграммы. После чего она передается на канальный уровень.
ПРИМЕЧАНИЕ
Шлюз — это программа, при помощи которой можно передавать информацию между двумя сетевыми системами, использующими различные протоколы обмена данными.
Получая дейтаграмму, протокол межсетевого уровня определяет правильность ее приема, после чего выясняет, адресована ли она локальному компьютеру, или же ее следует направить по сети дальше. В случае, если дальнейшей пересылки не требуется, протокол межсетевого уровня удаляет заголовок дейтаграммы, вычисляет, какой из транспортных протоколов данного компьютера будет обрабатывать полученную информацию, трансформирует ее в соответствующий пакет и передает на транспортный уровень. Проиллюстрировать этот на первый взгляд сложный механизм можно простым примером. Предположим, на пеком компьютере одновременно используется два различных транспортных протокола: TCP/IP — для соединения с Интернетом и NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) для работы в локальной сети. В этом случае данные, обрабатываемые на транспортном уровне, будут для этих протоколов различны, однако на межсетевом уровне информация будет передаваться посредством дейтаграмм одного и того же формата.
Наконец, на канальном уровне осуществляется преобразование дейтаграмм в соответствующий сигнал, который через коммуникационное устройство транслируется по сети. В самом простом случае, когда компьютер напрямую подключен к локальной сети того или иного стандарта посредством сетевого адаптера, роль протокола канального уровня играет драйвер этого адаптера, непосредственно реализующий интерфейс с сетью. В более сложных ситуациях на канальном уровне могут работать сразу несколько специализированных протоколов, каждый из которых выполняет собственный набор функций.
Протоколы канального уровня
Протоколы, обеспечивающие взаимодействие компьютера с сетью на самом низком, аппаратном уровне, во многом определяют топологию локальной сети, а также ее внутреннюю архитектуру. В настоящее время на практике достаточно часто применяется несколько различных стандартов построения локальных сетей, наиболее распространенными среди которых являются технологии Ethernet, Token Ring, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и ArcNet.
На сегодняшний день локальные сети, построенные на основе стандарта Ethernet, являются наиболее популярными как в нашей стране, так и во всем мире. На долю сетей Ethernet приходится почти девяносто процентов всех малых и домашних локальных сетей, что не удивительно, поскольку именно эта технология позволяет строить простые и удобные в эксплуатации и настройке локальные сети с минимумом затрат. Именно поэтому в качестве основного рассматриваемого нами стандарта будет принята именно технология Ethernet. Протоколы канального уровня поддержки Ethernet, как правило, встроены в оборудование, обеспечивающее подключение компьютера к локальной сети на физическом уровне. Стандарт Ethernet является широковещательным, то есть каждый подключенный к сети компьютер принимает всю следующую через его сетевой сегмент информацию — как предназначенную именно для этого компьютера, так и данные, направляемые на другую машину. Во всех сетях Ethernet применяется один и тот же алгоритм разделения среды передачи информации — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).
В рамках технологии Ethernet сегодня различается несколько стандартов организации сетевых коммуникаций, определяющих пропускную способность канала связи и максимально допустимую длину одного сегмента сети, то есть расстояние между двумя подключенными к сети устройствами. Об этих стандартах мы побеседуем в следующей главе, посвященной изучению сетевого оборудования, пока же необходимо отметить, что в рамках стандарта Ethernet применяется, как правило, одна из двух различных топологий: конфигурация сети с общей шиной или звездообразная архитектура.
Протоколы межсетевого уровня
Протоколы уровня межсетевого взаимодействия, как уже упоминалось ранее, предназначены для определения маршрутов следования информации в локальной сети, приема и передачи дейтаграмм, а также для трансляции принятых данных протоколам более высокого уровня, если эти данные предназначены для обработки на локальном компьютере. К протоколам межсетевого уровня принято относить протоколы маршрутизации, такие как RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол контроля и управления передачей данных ICMP (Internet Control Message Protocol). Но вместе с тем одним из самых известных протоколов межсетевого уровня является протокол IP.
Протокол IP
Протокол IP (Internet Protocol) используется как в глобальных распределенных системах, например в сети Интернет, так и в локальных сетях. Впервые протокол IP применялся еще в сети ArpaNet, являвшейся предтечей современного Интернета, и с тех пор он уверенно удерживает позиции в качестве одного из наиболее распространенных и популярных протоколов межсетевого уровня.
Поскольку межсетевой протокол IP является универсальным стандартом, он нередко применяется в так называемых составных сетях, то есть сетях, использующих различные технологии передачи данных и соединяемых между собой посредством шлюзов. Этот же протокол «отвечает» за адресацию при передаче информации в сети. Как осуществляется эта адресация?
Каждый человек, живущий на Земле, имеет адрес, по которому его в случае необходимости можно разыскать. Думаю, ни у кого не вызовет удивления то, что каждая работающая в Интернете или локальной сети машина также имеет свой уникальный адрес. Адреса в компьютерных сетях разительно отличаются от привычных нам почтовых. Боюсь, совершенно бесполезно писать на отправляемом вами в Сеть пакете информации нечто вроде «Компьютеру Intel Pentium III 1300 Mhz, эсквайру, Пэнии-Лэйн 114, Ливерпуль, Англия». Увидев такую надпись, ваша персоналка в лучшем случае фундаментально зависнет. Но если вы укажете компьютеру в качестве адреса нечто вроде 195.85.102.14, машина вас прекрасно поймет.
Именно стандарт IP подразумевает подобную запись адресов подключенных к сети компьютеров. Такая запись носит название IP-адрес.
Из приведенного примера видно, что IP-адрес состоит из четырех десятичных идентификаторов, или октетов, по одному байту каждый, разделенных точкой. Левый октет указывает тип локальной интрасети (под термином «интрасеть» (intranet) здесь понимается частная корпоративная или домашняя локальная сеть, имеющая подключение к Интернету), в которой находится искомый компьютер. В рамках данного стандарта различается несколько подвидов интрасетей, определяемых значением первого октета. Это значение характеризует максимально возможное количество подсетей и узлов, которые может включать такая сеть. В табл. 2.1 приведено соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса.
Таблица 2.1. Соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса