Основные понятия сетевых технологий

Преимущество многоуровневой компьютерной сети заключа­ется в том, что можно использовать разнообразные аппаратные и программные средства для создания сетей. Хотя аппаратура и программы могут быть от разных поставщиков, стандартные про­токолы, управляющие потоком данных между различными уров­нями сети, гарантируют, что аппаратура и программы будут пра­вильно связываться между собой.

Рассмотрим подробно семь уровней модели ISO/OSI.

1.  Физический уровень передает данные (битами) по физиче­ским каналам связи в соответствии с используемой сетевой тех­нологией. Он включает аппаратные средства (кабели и соедини­тели) согласно используемой сетевой топологии. Также на этом уровне определяется режим связи, используемый для передачи данных (симплексный, полудуплексный или дуплексный). Зная все эти детали, можно создавать более высокие уровни (от ка­нального до прикладного), уже не обращая внимания на физиче­скую реализацию сети.

2. Канальный уровень. Каждый компьютер в сети содержит одну или несколько сетевых карт, реализованных в соответствии с конкретной технологией. Эти платы предоставляют соединение между физическим уровнем (кабелем.) и сетевым программным обеспечением. Технология Ethernet (или Token Ring) включает на­бор протоколов канального уровня, скрывающих физическую реализацию сети от сетевого уровня.

Канальный уровень преобразует последовательность битов данных в определенный формат (кадры). Содержимое кадра дан­ных зависит от лежащего ниже физического уровня (сетевой тех­нологии). Главной функцией канального уровня является предот­вращение повреждения данных. По своей структуре кадры дан­ных обеспечивают возможность проверки ошибок. Таким обра­зом, следующему (сетевому) уровню не важно, как канальный уровень формирует кадры и какая используется технология и то­пология сети.

3. Сетевой уровень преобразует последовательность кадров в свой формат (пакеты). В сети с коммутацией пакетов в целях мар­шрутизации каждый пакет данных содержит адрес получателя и исходный адрес. Сетевой уровень определяет путь, по которому данные следуют к месту назначения. Этот уровень управляет се­тевым трафиком и скоростями передачи (быстродействием) в се­тевой среде. Для управления пакетами данных сетевой уровень использует мосты и маршрутизаторы.

4. Транспортный уровень собирает пакеты данных в необхо­димый формат (сообщения) и обеспечивает их доставку между компьютерами в сети. Этот уровень создает трафик пакетов, ко­торым управляет сетевой уровень. Транспортный уровень разби­вает (фрагментирует) данные, получаемые им из верхнего (сеан­сового) уровня, на меньшие части для нижнего (сетевого) уровня. После получения информации с нижнего уровня транспортный уровень должен собрать фрагментированные данные и передать их на следующий уровень.

5. Сеансовый уровень. Чтобы воспользоваться услугами сети, обычно необходимо зарегистрироваться в ней (часто этот про­цесс называют установлением сеанса связи). Сеансовый уровень ведет переговоры и устанавливает соединение между приложе­ниями различных узлов. Для этого оба конца соединения должны подтвердить свое право использовать конкретное соединение (се­анс). Интернет устраняет потребность в сеансовом уровне, так как протоколы транспортного уровня включают множество фун­кций, которые обычно выполняются на сеансовом уровне.

6.  Уровень представления данных содержит общие функции, неоднократно используемые во время связи по сети: подключения к дисплеям, принтерам и другим устройствам. Также этот уро­вень включает подпрограммы преобразования данных (делает «прозрачной» для сетевых приложений работу компьютера с мно­гочисленными форматами файлов). Уровень представления дан­ных обеспечивает полезные, но несущественные сетевые услуги. Интернет обычно не включает этот уровень, поэтому большин­ство его функций выполняется прикладными программами.

7. Прикладной уровень содержит все подробности, связанные с конкретными приложениями (программами), написанными для пользователей сети. Большая часть программного обеспечения базируется на наборе протоколов TCP/IP, что позволяет обеспечи­вать пользователей стандартными сетевыми приложениями (web-браузеры, FTP-клиенты, электронная почта и др.).

Набор протоколов сети Интернет (TCP/IP)

Интернет отличается от других сетей используемыми прото­колами. Протокол — это набор правил, определяющий характер взаимодействия пользователей и последовательность выполняе­мых действий при обмене информацией. Сетевые протоколы уп­равляют потоком информации между двумя клиентами (программами), работающими на одном или разных компьютерах (напри­мер, связь между сервером и web-браузером).

В сети Интернет используется большое число различных про­токолов, однако Интернет часто называют TCP/IP сетью, так как эти два протокола являются важнейшими. Набор TCP/IP — это совокупность дополняющих друг друга и совместно функциони­рующих протоколов, в основе которых лежит два протокола (TCP и IP). В зависимости от используемой программы несколько про­токолов внутри набора TCP/IP будут осуществлять передачу ин­формации по сети.

Основные протоколы семейства TCP/IP

Используемые протоколы различаются рядом признаков: ти­пом сетевого соединения, надежностью, типом передаваемых дан­ных и возможностью установки виртуального соединения.

1. Сетевые соединения могут быть двух типов: с логическим соединением или без логического соединения.

Протокол с логическим соединением (TCP) должен установить связь с другим приложением прежде, чем сможет осуществиться обмен информацией. Например, пользуясь телефоном, для связи с абонентом вы набираете номер и ждете ответа. Вы не можете го­ворить с абонентом, пока тот не поднимет телефонную трубку на другом конце провода. Таким же образом протокол с логическим соединением не может общаться или передавать данные, пока не установит необходимое соединение. Протокол без логического соединения (UDP и IP) не устанавли­вает соединения перед передачей информации, поэтому каждое сообщение должно содержать всю информацию, необходимую для доставки. Например, отправляя кому-то по почте письмо, вы ука­зываете на конверте полный адрес. Вы не доставляете письмо лично, вместо этого почтовая служба доставляет его за вас. Точ­но также каждое сообщение, передаваемое по протоколу без ло­гического соединения, содержит полный адрес доставки. Такой протокол передает сообщение следующему уровню в стеке про­токолов и полагается на то, что сеть доставит его адресату.

Понятие «стек протокола» обозначает вертикальную после­довательность, в которой протоколы появляются в многоуровне­вой сети. Когда ваши программы передают данные на другой компьютер в Интернет, данные опускаются вниз по стеку прото­колов и далее движутся по сети. В месте назначения данные под­нимаются вверх по стеку протоколов к программе адресата на удаленном компьютере.

2. Протоколы могут быть двух типов: надежными или нена­дежными.

Надежный протокол (TCP) гарантирует доставку достовер­ных данных. Для этого он включает в каждую передачу конт­рольные суммы и обменивается со связанными приложениями со­общениями, подтверждающими доставку.

Контрольная сумма — это число, которое передающий и при­нимающий компьютеры вычисляют, основываясь на содержимом данных, независимо друг от друга. Если суммы не совпадают, то данные считаются неверными из-за ошибки передачи и передача повторяется.

Ненадежный протокол (UDP и IР) старается доставить данные без гарантии успеха и не извещает передающее приложение в слу­чае сбоя при передаче данных.

Возникает вопрос — зачем тогда вообще использовать такие протоколы? Ненадежные протоколы гораздо проще в разработке, внедрении и использовании. Ниже их стоимость, в смысле сложно­сти и полосы пропускания сети. Но и ненадежный протокол может осуществить надежную передачу данных, если сетевые приложе­ния разработаны соответствующим образом с добавлением харак­теристик, обеспечивающих надежность передаваемых данных.

3. В протокольном наборе TCP/IP существует два базовых типа передачи данных: байтами и датаграммами (массивами данных).

Протокол, использующий байтовую передачу (TCP), посылает информацию в виде последовательности байтов, то есть рассмат­ривает данные как одиночный последовательный поток байтов независимо от длины данных и числа передач, требуемых для их посылки. Когда приложение использует байтовую передачу, про­токол гарантирует, что на другом конце соединения данные бу­дут получены в том же порядке, в каком они были переданы.

Протокол, использующий передачу датаграмм (UDP и IP), пе­редает информацию в виде самостоятельных блоков, то есть пе­редает каждый массив данных независимо. Когда протокол пере­дает несколько массивов одному адресату, данные могут появить­ся не в том порядке, в каком были переданы. Если принимающему приложению требуются последовательные данные, приложение должно объединить их после получения.

4. Виртуальное соединение — это соединение типа «точка-точ­ка», которое, как вам кажется, связывает две точки между собой. Например, если вы звоните из Чебоксар в Москву, ваше соедине­ние — виртуальное. В действительности телефонная компания будет направлять ваш звонок через коммутаторы в нескольких городах, так как не существует отдельного провода, соединяю­щего два любых телефона.

Во многих случаях программы требуют виртуального соеди­нения. Например, для передачи файла с удаленного компьютера в вашу локальную сеть необходимо установить виртуальное со­единение. Вы вряд ли захотите ждать, пока с помощью отдельных последовательностей массивов данных файл будет передан по частям, потому что массивы данных могут поступать в непра­вильном порядке.

Протокол TCP обеспечивает виртуальное со­единение для связи по сети, а протоколы UDP и IP — нет.

Характеристики основных протоколов семейства TCP/IP

Протоколы TCP/IP в модели OSI

Согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI) сети разбиваются на уровни, каждый из которых выполняет вполне конкретную функцию, и, соответственно, для каждого уровня назначены свои протоколы, определяющие функциональные воз­можности уровня. Кроме выполнения конкретной функции, каж­дый уровень в многоуровневой сети скрывает подробности конк­ретного механизма функционирования сети от находящихся выше уровней.

Модель OSI представляет сеть в виде вертикального пакета модулей (уровней). Так как модель связывает, по крайней мере, один протокол с каждым уровнем, то она как бы складирует про­токолы один на другой. Термин пакет протоколов происходит от концепции сети, представляемой в виде упорядоченных по верти­кали уровней и расположенных один над другим протоколов.

Стандартная модель OSI определяет семь функциональных уровней для структуры сети. Однако она является всего лишь руководством, а не обязательным описанием структуры. Так, в сетевой структуре на базе семейства протоколов TCP/IP исполь­зуются только пять соответствующих уровней.

Линии со стрелками (см. рис. на стр. 10) показывают возможные направления об­мена информацией между различным сетевым программным обес­печением и аппаратными модулями. Например, чтобы связаться с транспортным уровнем, приложения общаются с модулями про­токола пользовательских датаграмм (UDP) и протокола управле­ния передачей данных (TCP). Чтобы связаться с сетевым уровнем, приложения общаются с модулями межсетевого протокола (IP). Однако независимо от того, по какому маршруту будут двигать­ся данные от прикладного до сетевого уровня, они всегда долж­ны пройти через IP-модуль, чтобы достичь сетевых аппаратных средств.

Физический уровень определяют вид и характеристики линий связи между компьютерами. В Интернет используются практи­чески все известные в настоящее время способы связи — от про­стого провода и до волоконно-оптических линий связи.

Канальный уровень включает аппаратный интерфейс и два модуля протоколов: протокол определения адреса (Address Resolution Protocol — ARP) и протокол определения обратного адреса (Return Address Resolution Protocol — RARP). Ethernet-адрес (на физическом уровне) имеет длину 6 байт, в отличие от IР-адреса (на сетевом уровне), имеющего длину 4 байта. Все дан­ные, передаваемые по сети Ethernet, используют кадры данных Ethernet, и сетевые платы не понимают IР-адреса. Чтобы преобра­зовать эти адреса используются протоколы ARP (IP-адрес -> Ethernet-адрес) и RARP (Ethernet-адрес -> IP-адрес).

Сетевой уровень перемещает данные между главными компь­ютерами, используя протокол IР. Он доставляет данные главно­му компьютеру сети, однако только транспортные протоколы могут маршрутизировать данные нескольким адресатам (сетевым программам) на одном главном компьютере.