Организация совместного использования линий связи

В сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые, в которых одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. Индивидуальные линии связи используются только в сетях с полносвязной топологией. Во всех остальных топологиях линии связи являются разделяемыми. В этом случае часто используется термин разделяемая среда передачи.

Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи является сеть с топологией «общая шина». Ни один компьютер в такой сети не может использовать кабель независимо от других, так как при передаче двух и более сигналов по одному кабелю эти сигналы искажаются. В сетях с топологией «звезда» линии связи так же являются разделяемыми, так как каждая линия используется для взаимодействия компьютера, к которому она подключена, со всеми остальными компьютерами сети. В сети с топологией кольцо данные передаются от одного компьютера другому в одном направлении. Таким образом, по каждой линии связи могут передаваться данные от разных компьютеров. В этом случае кольцо так же называется разделяемой передающей средой.

В случае использования разделяемых линий связи возникает комплекс проблем, связанных с их совместным использованием, который включает проблемы электрического согласования и обеспечения нужного качества сигнала, а так же проблемы разделения доступа к линиям связи. Основной метод совместного использования линии связи несколькими компьютерами заключается в разделении во времени доступа к этим данным. Аналогичная задача решается и внутри микропроцессорных систем, например, при доступе различных устройств к системной шине. Здесь доступом управляет процессор, либо другое устройство при помощи отдельных сигналов. В сетях такой подход неприменим, так как отсутствует возможность использовать дополнительные линии в качестве управляющих, кроме того, время распространения сигнала по длинным линиям связи существенно больше. В различных типах сетей проблема совместного доступа может решаться по-разному. Например, в сетях с топологией «общая шина» или «звезда» признаком того, что передающая среда свободна, является отсутствие электрического сигнала в ней. В сетях с топологией «кольцо» право использования среды передается от одного компьютера другому при помощи специального блока данных, называемого маркером.

Производительность сети с разделяемой средой передачи всегда снижается с увеличением количества компьютеров, так как пропускная способность также разделяется между всеми компьютерами. Это является одним из факторов, ограничивающим максимальное количество компьютеров, подключенных к одной сети.

Несмотря на все сложности, в локальных сетях использование разделяемых линий связи является общепринятым благодаря их высокой экономической эффективности. Не только в классических, но и в совсем новых технологиях сохраняется этот режим использования передающей среды.

В глобальных сетях дело обстоит иначе. Здесь практически всегда используются индивидуальные линии связи, так как большая протяженность линий связи принципиально ограничивает применение техники разделения доступа, кроме того, технологии глобальных сетей, как правило, не обеспечивают такой же высокой скорости передачи, как в локальных сетях. Поэтому потери производительности на разделение доступа в глобальных сетях недопустимы.

Адресация компьютеров

Другой проблемой, возникающей при объединении в сеть трех и более компьютеров, является проблема их адресации. От выбранной схемы адресации во многом будут зависеть характеристики сети, такие как гибкость, масштабируемость, удобство работы. На практике в сетях применяется несколько схем адресации одновременно. Наибольшее распространение получили следующие схемы.

Аппаратные адреса. Этот адрес представляет собой уникальное число, которое идентифицирует сетевой интерфейс компьютера в сети. Как правило, аппаратный адрес жестко программируется производителем в сетевом адаптере и не может быть изменен. Уникальность адресов в пределах всех выпущенных адаптеров, поддерживающих определенный тип сети, обеспечивается производителями. Например, для популярных сетей технологии Ethernet длина аппаратного адреса равна 6 байт. Аппаратные адреса так же называют MAC-адресами (Media Access Control – управление доступом к среде), так как механизм разделения среды передачи может использовать аппаратную адресацию. Достоинством аппаратных адресов является то, что их не нужно конфигурировать и обеспечивать уникальность. К недостаткам аппаратной адресации относится то, что такая схема адресации является плоской. Это делает аппаратную адресацию неприменимой для идентификации компьютеров в больших сетях. Кроме того, при смене сетевого адаптера компьютера меняется его адрес, что не всегда удобно.

Сетевые адреса. Этот адрес так же является числовым, однако он состоит как минимум из двух частей – номера сети и номера узла. Двухуровневая иерархия делает возможным построение составных сетей, в которых передача сообщений между составляющими сетями производится на основании номера сети, а передача внутри каждой сети – на основании номера узла. По такому же принципу организованы почтовые адреса, в которых письмо сначала доставляется в указанное почтовое отделение по индексу, и только потом используется улица и номер дома. Сетевые адреса как правило требуют ручного конфигурирования сетевых компонентов операционной системы администратором. Типичным представителем сетевых адресов являются IP-адреса длиной 4 байта, используемые в интернет.

Символьные адреса или имена. Как аппаратные, так и сетевые адреса являются числами, и поэтому их сложно запомнить человеку. Символьные адреса предназначены для запоминания людьми и поэтому несут смысловую нагрузку. Существуют иерархические символьные адреса, используемые в глобальных сетях. Например, интернет-адрес www.surgu.ru означает то, компьютер с именем www относится к сети Сургутского университета (surgu), которая в свою очередь расположена в России (ru). В локальных сетях могут использоваться плоские символьные адреса - последовательности символов, идентифицирующие компьютер. Символьные адреса должны быть придуманы и вручную указаны администратором.

В современных сетях применяются, как правило, все три рассмотренные схемы адресации. При этом возникает проблема установления соответствия между различными схемами адресации. Поиск таких соответствий называется разрешением адресов. Установить аппаратный адрес компьютера по известному сетевому адресу можно при помощи широковещательного опроса всех компьютеров в сети. Для разрешения символьных имен в сетевые может использоваться специальная служба, которая называется службой разрешения имен. В сети Интернет такой службой является служба Domain Name System (DNS). При отсутствии централизованной службы разрешения имен администратор будет вынужден заранее вручную установить соответствия для тех символьных адресов, которые будут использоваться. Обычно эта информация хранится в текстовом файле специального формата.

Тема 1.4Модель взаимодействия открытых систем

1.4.1Многоуровневый подход к решению задачи сетевого взаимодействия

При разработке сетевых технологий продуктов особое значение имеет стандартизация. Цель построения сети – соединить различное оборудование, следовательно, проблема совместимости является чрезвычайно важной. В области сетевых технологий работает большое количество научно-исследовательских и производственных организаций, а так же всевозможных комитетов и объединений, образованных группами этих организаций для работы над определенными проблемами. Без принятия всеми организациями общих правил построения сетей прогресс в этой области был бы невозможен.

Организация взаимодействия компьютеров по сети является сложной задачей. Для решения сложных задач применяется хорошо известный принцип – декомпозиция, то есть разбиение задачи на несколько более простых задач - модулей. Программно – аппаратную организацию компьютерных систем часто представляют в виде иерархии соответствующих компонентов. Использование такого подхода при проектировании сетевых средств имеет ряд преимуществ:

1. Разбиение задачи на подзадачи упрощает процесс ее решения. При этом можно привлечь к работе большее число специалистов и распределить их усилия.

2. Функции небольшого компонента проще поддаются формализации, соответственно упрощается разработка стандартов.

3. Разработку различных компонентов можно поручить разным рабочим группам или организациям, так как правила взаимодействия компонентов стандартизированы.

4. Появляется возможность замены отдельных компонентов без необходимости модификации остальных компонентов.

5. Упрощается процесс диагностики и настройки сетевых средств

Каждый компонент находится на соответствующем уровне иерархии, при этом говорят о применении многоуровневого подхода. Множество компонентов каждого уровня организовано таким образом, что может использовать для выполнения своих задач только те средства, которые предоставляют компоненты нижнего уровня (рис 1.4.1). С другой стороны, результаты работы каждого уровня доступны для использования только соседним, вышележащим уровнем. Правила взаимодействия, по которым компоненты вышележащего уровня обращаются к функциям нижележащего компонента, называются интерфейсом. Примерами таких интерфейсов являются программные интерфейсы API (Application Program Interface) операционной системы, наборы микрокоманд внешних устройств компьютера и т.д.

Рис. 1.4.1 Многоуровневая организация сетевых средств

1.4.2Взаимодействие двух систем, понятие протокола

Многоуровневое представление сетевых средств имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе взаимодействия участвуют два компьютера. Для их согласованной работы требуется наличие одних и тех же компонентов в обоих взаимодействующих компьютерах. Компоненты каждого уровня одного компьютера обмениваются служебной информацией с компонентами другого компьютера, лежащими на таком же уровне. Это объясняется тем, что для успешного взаимодействия обоим участникам обмена приходится принять множество соглашений. Они должны согласовать методы кодирования информации, длину сообщений, принятые схемы адресации, методы обнаружения ошибок передачи и т.д. Правила обмена информацией компонентов взаимодействующих систем, лежащих на одном уровне, называются протоколом (рис. 1.4.2). Набор протоколов всех уровней называется стеком протоколов.

Рис. 1.4.2 Взаимодействие двух компьютеров

Целью функционирования стека протоколов является обеспечение передачи сообщений между процессами. В качестве процесса рассматривается любая прикладная программа - например, браузер, текстовый редактор, программа для работы с электронной почтой и др. Сообщением может являться запрос, файл, набор записей базы данных или любой другой блок информации, в зависимости от того, какие функции выполняет процесс. Наряду с термином сообщение (message) для обозначения единиц передаваемых данных могут использоваться и другие термины. На разных уровнях сообщения могут именоваться: пакет (paket), кадр (frame), датаграмма (datagram), сегмент (segment).

Все уровни каждой из взаимодействующих систем участвуют в процессе передачи сообщения (рис. 1.4.3). При этом, сообщение передается от одного уровня другому на передающем компьютере вниз, а на принимающем – вверх. Каждый уровень передающего компьютера добавляет к полученному сообщению заголовок стандартного формата, определяемого соответствующим протоколом, и передает сообщение на нижележащий уровень. Заголовок содержит служебную информацию, необходимую для обработки сообщения соответствующим уровнем на принимающем компьютере. На принимающем компьютере сообщение обрабатывается в обратном порядке. Каждый уровень, прочитав «свой» заголовок, удаляет его, и передает сообщение вышележащему уровню. Так происходит, пока сообщение не достигнет процесса-адресата. Таким образом, количество заголовков, которые дописываются к сообщению, всегда равно количеству уровней, которые используются в системе.

Рис. 1.4.3 Передача сообщений между компьютерами

Когда компонент какого-либо уровня получает сообщение от вышележащего уровня, то ему недоступна информация, содержащаяся в заголовках всех вышележащих уровней. Компонент не в состоянии различить заголовки тех протоколов, которые он не поддерживает, поэтому он рассматривает все сообщение, как непрерывный блок данных, помещая его в поле данных своего протокола. Таким образом, сообщения разных уровней являются вложенными друг в друга, как вкладываются друг в друга куклы-матрешки. Процесс помещения сообщения одного уровня в поле данных сообщения нижележащего уровня называется инкапсуляцией,  (рис. 1.4.4).

Рис. 1.4.4 Инкапсуляция сообщений

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств – в виде сетевого адаптера и его драйвера. Протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами, в виде компонентов ОС.

Следует заметить, что физически взаимодействуют только нижние уровни систем, так как именно эти уровни выполняют работу по формированию и приему электрических сигналов, которые распространяются в среде передачи. Взаимодействие всех остальных уровней заключается в формировании и чтении соответствующих заголовков. Таким образом, формат заголовка в некоторой степени является синонимом слова протокол, так как определяет вид информации, которой обмениваются соответствующие уровни компьютеров.

Для иллюстрации понятий интерфейса и протокола можно привести пример, не имеющий отношения к вычислительным сетям. Рассмотрим процесс взаимодействия двух предприятий, одно из которых поставляет некоторую продукцию другому (рис. 1.4.5). В соответствии с договоренностью начальник отдела сбыта первого предприятия ежемесячно посылает начальнику отдела закупок второго предприятия официальное сообщение о количестве и типе продукции, которая может быть поставлена в этом месяце. В ответ на это сообщение начальник отдела закупок второго предприятия посылает заявку установленного образца. Такой порядок взаимодействия можно считать «протоколом уровня начальников». Начальники посылают сообщения через своих секретарей. Порядок взаимодействия начальника и секретаря соответствует понятию межуровневого интерфейса «начальник-секретарь». На каждом предприятии может быть по-разному организовано взаимодействие начальника и секретаря. Например, при помощи телефона или при личной встрече. После того, как сообщение передано секретарю, оно попадает на уровень компетенции секретарей. Секретари сами решают, каким образом они будут обмениваться сообщениями – по факсу, электронной почте или каким-либо иным образом. Этот способ обмена является протоколом «секретарь-секретарь». Секретарей не интересует напрямую содержание сообщения, равно как и начальников не интересует способ передачи, который используют секретари.

Рис. 1.4.5 Пример многоуровневого взаимодействия предприятий

1.4.3Модель OSI

В начале 1980-х годов несколько международных организаций по стандартизации, таких как ISO (International Standards Organization), ITU (International Telecommunications Units) и др., разработали модель, которая сыграла большую роль в развитии компьютерных сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

В модели OSI (рис. 1.4.6) средства взаимодействия делятся на семь уровне: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

Рис. 1.4.6 Модель OSI

Физический уровень

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволо­конный кабель или телефонная линия. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих диск­ретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряже­ния или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключен­ных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером.

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) поперемен­но несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда пе­редачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обя­зательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня, например Ethernet, она отсутствует.

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Физические адреса компьютеров используются на канальном уровне, и поэтому называются так же адресами канального уровня. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологи­ей связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типо­вым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уров­ня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI.

Функции проверки доступности среды передачи и адресации компьютеров часто выделяют в отдельный подуровень MAC (Medium Access Control, подуровень доступа к среде), а физические адреса называют MAC-адресами (рис. 1.4.7).

В компьютерах функции канально­го уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов при­кладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспорт­ного уровней.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в се­тях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недо­статочно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня — сетевой и транспортный.

Рис. 1.4.7 Структура канального уровня ISO/OSI

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, на­пример топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, кото­рое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять прото­колы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типо­вых топологий, а с другой допустить использование произвольных топологий, вво­дится дополнительный сетевой уровень.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В дан­ном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уров­нем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это устройство, которое собирает инфор­мацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно со­вершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop — прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, марш­рут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые про­ходит пакет. Очень часто между двумя сетями существует несколько альтернативных маршрутов (Рис. 1.4.7).

Рис. 1.4.8 Пример составной сети

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осу­ществляться и по другим критериям, например надежности передачи.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При органи­зации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из старшей части — номера сети и млад­шей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть» на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть — это совокупность узлов, сетевой ад­рес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне различают несколько видов протоколов. Первый вид — сетевые протоколы (routed protocols) — реализуют передачу данных через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаи­модействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Протоколы второго вида называются протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршру­тизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собира­ют информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы третьего типа отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в физический адрес (адрес канального уровня). Такое отображение необходимо, так как узлы обмениваются пакетами сетевого уровня, помещая (инкапсулируя) их в кадры канального уровня в соответствии с принципом функционирования сетевых средств. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов — Address Resolution Protocol, ARP. Разрешение адресов может производиться при помощи широковещательного опроса компьютеров сети.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программ­ными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

Транспортный уровень

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между раз­личными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а глав­ное — способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

На транспортном уровне сообщение, поступающее от верхнего уровня, разбивается на пакеты с целью последующей передачи через сетевой уровень. В задачи транспортного уровня входит нумерация передаваемых пакетов, а так же буферизация и упорядочивание принимаемых пакетов. Это необходимо, так как возможна ситуация, когда пакет, следующий более быстрым маршрутом, прибывает раньше пакета, посланного до него.

Существует два типа транспортных протоколов – протоколы с установлением соединения и протоколы без установления соединения. Хотя эти протоколы выполняют одну и ту же функцию – передачу сообщений - делают они это по-разному. Протоколы первого типа требуют установления логического канала между передающим и принимающим узлами на время сеанса передачи. При этом правильность передачи пакетов контролируется при помощи процедур подтверждения и подсчета контрольных сумм. Протоколы второго типа, называемые так же дейтаграммными, не обеспечивают надежной доставки сообщений, которые в этом случае называют дейтаграммами. Однако эти протоколы более производительны, так как требуют меньше накладных расходов на контроль правильности передачи. Таким образом, протоколы с установлением соединения и без установления соединения реализуют различные классы сервиса.

Выбор класса сервиса транспортного уровня зависит от нескольких факторов. Во-первых, это требования, предъявляемые информацией прикладного уровня. Сам вид передаваемой информации может обуславливать различные требования к качеству ее передачи. Например, при передаче файлов потеря даже одного байта содержимого файла недопустима, в то время как при передаче голосового аудиопотока допускаются значительные потери – голос все равно будет понятен человеку. Следует заметить, однако, что передача аудиопотока, в отличие от передачи файла, предъявляет жесткие требования к скорости передачи информации. Во-вторых, выбор класса сервиса зависит от того, насколько обеспечивают надежность верхние уровни. Некоторые приложения сами решают проблему надежности при передаче своих сообщений. Например, приложение может само инициировать повторную передачу в случае ошибки. И, наконец, при выборе класса сервиса транспортного уровня можно учесть, насколько надежны протоколы нижних уровней – сетевого, канального и физического. Если качество каналов связи высокое и вероятность ошибок, допущенных на канальном уровне невелика, то целесообразно воспользоваться облегченным протоколом транспортного уровня без установления соединения. При этом проблему обеспечения надежности можно возложить на верхние уровни.

На транспортном уровне организуется адресация прикладных процессов. Это необходимо, так как средствами транспортного уровня может пользоваться (возможно, посредством трех верхних уровней) несколько приложений одновременно. В этом случае транспортный уровень должен различать, какому приложению принадлежит тот или иной пакет. Адрес процесса включается в заголовок пакета транспортного уровня и обычно представляет собой число, которое часто называют портом.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими прило­жениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного — сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уров­ня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя макси­мум средств для обнаружения и устранения ошибок, — с помощью предвари­тельного установления логического соединения, контроля доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т. п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализу­ются программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно при­вести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транс­портировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают прикладные задачи на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней конт­рольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоко­лов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представле­ния передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной си­стемы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов. На этом уровне может выполняться шифрование и де­шифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечи­вается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сооб­щениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают до­ступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помо­щью протокола электронной почты.

1.4.4Стек протоколов TCP/IP

Модель взаимодействия открытых систем OSI является чисто теоретической разработкой, построенной в результате обобщения опыта построения уже существующих сетей. Поэтому чаще всего реальные стеки протоколов, которые появились задолго до разработки модели OSI, не соответствуют идеальному разбиению на уровни, рекомендованному моделью OSI. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Функции физического и канального уровня также часто объединяются под общим термином технология канального уровня. К таким технологиям, например, относится технология Ethernet.

Стек протоколов TCP/IP был разработан в начале 1980-х годов по инициативе Министерства обороны США в качестве основы экспериментальной сети ARPAnet. Большой вклад в развитие этого стека протоколов внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей операционной системе UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов стека TCP/IP. Сегодня стек TCP/IP является основой функционирования глобальной сети Интернет, большого количества корпоративных сетей и поддерживается большинством операционных систем. На рис. 1.4.8 показана структура и состав стека TCP/IP, а так же соответствие протоколов стека уровням модели OSI.

Рис. 1.4.9 Соответствие протоколов стека TCP/IP уровням модели OSI

Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные технологии канального уровня для локальных сетей – Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, WiFi, протоколы канального уровня для работы на аналоговых коммутируемых и выделенных телефонных линиях - PPP (Point-to-Point Protocol), SLIP (Serial Line Internet Protocol), протоколы глобальных сетей - X.25, ISDN, ADSL.

На сетевом уровне стека работает протокол IP (Internet Protocol), который обеспечивает передачу пакетов в составных сетях на основании составного адреса (IP-адреса). Этот адрес включает в себя номер сети и номер узла в этой сети. IP-адрес имеет длину 4 байта и записывается в виде четырех десятичных чисел, например 217.8.87.195. Кроме основного протокола IP, на сетевом уровне работают несколько вспомогательных и служебных протоколов:

ARP (Address Resolution Protocol) – протокол разрешения адреса, служит для поиска физического адреса узла по его известному IP-адресу. Поиск такого соответствия осуществляется путем широковещательного опроса всех узлов сети.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – протокол динамической конфигурации хоста, служит для автоматизации назначения IP-адресов узлам и настройки параметров работы стека TCP/IP.

ICMP (Internet Control Message Protocol) – протокол управляющих сообщений интернет, служит для диагностики и обмена служебной информацией.

IGMP (Internet Group Management Protocol) – протокол управления групповым вещанием в интернет.

RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) – протоколы обмена маршрутной информацией.

На транспортном уровне стека TCP/IP работают протоколы TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей и UDP (User Datagram Protocol) – протокол датаграмм пользователя. Отличие между ними состоит в том, что первый является протоколом с установлением соединения, а второй – без установления соединения. Оба транспортных протокола пользуются для отправки своих пакетов средствами протокола IP. Таким образом, поле данных IP-пакета всегда содержит пакет TCP или UDP.

На прикладном уровне стек вобрал в себя большое количество протоколов для самого разнообразного применения. Наиболее популярными и традиционными из них являются:

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол отправки электронной почты;

POP3 (Post Office Protocol) – протокол для работы с удаленным почтовым ящиком;

Telnet – протокол эмуляции удаленного терминала;

FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов;

NNTP (Network News Transfer Protocol) – протокол передачи новостной информации;

SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол управления сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, источники бесперебойного питания и др.

NTP (Network Time Protocol) – протокол синхронизации времени;

NetBIOS (Network Basic Input Output System) – протокол для работы в сетях Microsoft Windows.

ICQ (сокр. от «I Seek You») – протокол передачи сообщений между пользователями, «интернет-пэйджер».

DNS (Domain Name System) – протокол системы доменных имен Интернет. Служит для поиска соответствия между символьным доменным именем компьютера, например www.surgu.ru и его IP-адресом. Для разрешения имени клиент посылает запрос DNS-серверу, который содержит символьное доменное имя. Сервер производит поиск IP-адреса, соответствующего запрашиваемому имени, и возвращает клиенту ответ, содержащий требуемый IP-адрес. В процессе разрешения имени сервер DNS может обращаться к другим серверам DNS, которые вместе образуют иерархическую структуру.

Следует отметить, что часть протоколов прикладного уровня, которые требуют надежной передачи своих сообщений, использует транспортный протокол TCP. К ним относятся протоколы HTTP, SMTP, telnet, FTP. Другая часть протоколов использует протокол UDP, не обеспечивающий надежной доставки сообщений. К таким протоколам относятся DNS, ICQ.

Раздел 2.Протоколы и оборудование физического и канального уровня для локальных сетей

Тема 2.1Общая характеристика протоколов локальных сетей

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводит­ся протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне опреде­ленной, то есть обеспечивать подключение всех компьютеров к сети одинаковым образом. Так, например, наиболее популярный протокол канального уровня — Ether­net — рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине — отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию — соединение компьютеров в виде логическо­го кольца.

Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабель­ных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной. цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во вто­рой половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания.

Использование разделяемых сред (shared media) является традиционным и распространенным решением при построении локальных сетей. Это позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией – сама среда не позволит передать информации больше, чем способен обработать принимающий узел. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рас­сматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные про­цедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов свя­зи и узлов сети.

Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из кото­рых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежно­сти. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способ­ностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети — надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения попу­лярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства — мосты и маршрутиза­торы, — которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделя­емой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы подключаются при помощи индивидуальных линий связи. При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился но­вый режим работы — полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте стан­ции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чу­жие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только класси­ческими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми - Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединении с мостом/коммутатором или маршрутиза­тором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независи­мо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.

Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства использу­ются для соединения узлов — повторители или коммутаторы). Например, техноло­гия Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обяза­тельно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полно­дуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.

Специфика локальных сетей заключается так же в разделении канального уровня на два подуровня, которые иногда называют уровнями (рис. 2.1.1):

§ Уровень управления логической передачей данных (Logical Link Control, LLC)

§ Уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)

Рис. 2.1.1 Структура стандартов физического и канального уровня локальных сетей

Уровень LLC отвечает за логическую передачу кадров между узлами сети с различной степенью надежности, а так же реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. На уровне LLC существует несколько режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления потерянных или искаженных данных. Протокол уровня LLC независим, то есть может применяться с различными протоколами уровня MAC.

Уровень MAC появился из-за существования разделяемой среды передачи данных. Именно он обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом той или иной станции сети. На этом уровне реализуется схема адресации компьютеров. Адреса, используемые на этом уровне, являются физическими адресами и называются так же MAC-адресами. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих алгоритмы доступа к разделяемой среде. Такими протоколами являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, о которых пойдет речь в следующих главах.

Одной из организаций, занимающихся стандартизацией в области сетей, является Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE. В 1980 г. была образована группа 802, которая занимается разработкой стандартов в области двух нижних уровней локальных сетей. В результате было сформировано семейство стандартов 802.x (рис. 2.1). К этим стандартам не относится протокол передачи по двойному кольцу FDDI, так как он был разработан институтом ANSI, однако данная технология на уровне LLC так же использует протокол 802.2.

У каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов спецификаций физического уровня, которые отличаются типом используемого кабеля, методами кодирования и видами коммуникационного оборудования.

Тема 2.2Уровень управления логическим каналом LLC

Протокол LLC занимает промежуточное положение между сетевым уровнем и уровнем доступа к среде MAC (рис. 2.1). Он обеспечивает нужное качество услуг канального уровня. Протоколы сетевого уровня обращаются к уровню LLC и передают ему свой пакет (например IP-пакет), а так же требования к качеству услуг, которое уровень LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает пакет сетевого уровня в свой кадр, дополняет необходимыми служебными полями и передает на уровень MAC, который помещает кадр LLC в свой кадр (например кадр Ethernet, рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1 Структура кадра канального уровня

2.2.2Режимы работы уровня LLC

В соответствии со стандартом 802.2 уровень LLC предоставляет сетевому уровню три типа процедур:

LLC1 - процедура без установления соединения и без подтверждения. Реализует дейтаграммный режим работы и передает данные с минимальными издержками. Обычно используется тогда, когда средства надежной доставки сообщений реализуются протоколами вышележащих уровней (например, протоколом TCP), и нет необходимости дублировать их на уровне LLC.

LLC2 - процедура с установлением соединения и с подтверждением. Дает возможность установить логическое соединение перед началом передачи, и выполнить процедуры восстановления искаженных и потерянных кадров, а так же упорядочивание потока кадров. Использует алгоритм, аналогичный используемому протоколом TCP.

LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Используется тогда, когда временные задержки на установление логического соединения недопустимы, а надежность передачи обеспечить необходимо.

Использование одного из трех режимов работы уровня LLC зависит от стратегии разработчиков конкретного стека протоколов. Например, в стеке протоколов TCP/IP уровень LLC всегда работает в режиме LLC1, а стек Microsoft, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEUI может использовать как режим LLC1, так и режим LLC2, так как не имеет других средств для обеспечения надежной передачи.

2.2.3Структура кадров LLC

По своему назначению все кадры LLC делятся на три типа:

§ Информационные кадры – предназначены для передачи данных в режиме LLC2.

§ Управляющие кадры – предназначены для передачи служебных команд и ответов в режиме LLC2.

§ Ненумерованные кадры – предназначены для передачи данных в режиме LLC1, а так же для идентификации и тестирования уровня LLC.

Все типы кадров имеют единый формат (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2 Формат кадров LLC

Назначение полей кадра следующее:

Флаг – однобайтовое поле, имеющее значение 01111110 и служащее для определения границ кадра.

Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point)- позволяют указать, какая служба верхнего (сетевого) уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Например, для протокола IP значение SAP равно 06H.

Управляющее поле имеет различную структуру в зависимости от режима работы уровня LLC.

Тема 2.3Технология Ethernet

Ethernet является самым распространенным стандартом построения локальных сетей на сегодняшний день. История Ethernet началась во второй половине 60-х годов, когда в радиосети передачи данных Гавайского университета были опробованы различные варианты коллективного случайного доступа к передающей среде (радиоэфиру). Название Ethernet можно перевести с английского как «эфирная сеть». Метод доступа оказался настолько удачным, что позднее, в 1975 г., фирма Xerox реализовала его для экспериментальной кабельной сети. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали фирменный стандарт для сети на основе коаксиального кабеля, который был назван Ethernet II или Ethernet DIX.

Позднее на основе этого фирменного стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, однако имеет и некоторые отличия. В стандарте IEEE 802.3 уровни MAC и LLC различаются, а в оригинальном стандарте они объединены. Практически эти различия заключаются в том, что в разных стандартах Ethernet используются различные форматы кадра, о чем будет подробно сказано ниже.

В зависимости от типа используемой физической среды стандарт Ethernet имеет несколько спецификаций физического уровня (см. рис. 2.2.1). Однако для всех стандартов Ethernet характерным является использование манчестерского кода, а так же одного и того же метода доступа к разделяемой среде передачи данных – метода CSMA/CD.

2.3.1Метод доступа CSMA/CD

Характерным свойством сети Ethernet является используемый в ней метод доступа, который называется методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiple-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод предполагает использование исключительно разделяемой среды передачи данных. При этом все компьютеры подключаются к передающей среде (например, отрезку кабеля) одинаковым образом и могут одновременно работать в режиме приема данных. Вести передачу данных в каждый момент времени может только один компьютер.

Алгоритм доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры. Заголовок каждого кадра в обязательном порядке содержит уникальные физические адреса (MAC-адреса) станции-источника и станции назначения.

Любая станция может начать передачу кадра, но перед этим она должна убедиться, что передающая среда свободна. Это достигается прослушиванием среды передачи на частоте основной гармоники сигнала или несущей частоте, которая в случае передачи на скорости 10 Мбит/с равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей. Признаком незанятости среды является отсутствие несущей.

Все станции распознают факт передачи кадра, и та станция, которая узнает свой адрес, как адрес назначения в заголовке кадра, записывает кадр в свой буфер и передает для дальнейшей обработке вышележащему уровню (обычно сетевому).

После окончания передачи кадра все узлы обязаны выждать технологическую паузу длительностью 9,6 мкс, которая так же называется межкадровым интервалом (Inter Packet Gap). После этого станция может начать передачу нового кадра. Практически не все станции строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра из-за задержек в распространении сигнала.

Коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две или более станции начали передачу одновременно, так как механизм прослушивания несущей не гарантирует от такой ситуации. При этом говорят, что произошла коллизия (collision). При этом сигналы разных станций накладываются друг на друга и происходит искажение информации. Коллизия является нормальной ситуацией в работе сети Ethernet. При этом для возникновения коллизии две станции не обязательно должны начать передачу строго одновременно, чаше всего один узел начинает передачу немного раньше, но сигналы просто не успевают дойти до второго узла. Таким образом, коллизии - следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, передающая станция наблюдает за возникающими в кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, фиксируется обнаружение коллизии (collision detection). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети, станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и искусственно усиливает состояние коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, которая называется jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. За­тем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потреб­ности в передаче кадров. При значительной интен­сивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует стан­ции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте исполь­зования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой.