Реферат, семиуровневая модель OSI, стеки протоколов. Общие сведения о модели OSI и стеке протоколов OSI

Стек OSI

Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, Х.25 и ISDN, - то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и ряд других.

Протоколы стека OSI отличает большая сложность и неоднозначность спецификаций. Эти свойства явились результатом общей политики разработчиков стека, стремившихся учесть в своих протоколах все случаи жизни и все существующие и появляющиеся технологии. К этому нужно еще добавить и последствия большого количества политических компромиссов, неизбежных при принятии международных стандартов по такому злободневному вопросу, как построение открытых вычислительных сетей.

Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их наиболее подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.

Стек OSI - международный, независимый от производителей стандарт. Его поддерживает правительство США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны или непосредственно поддерживать стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Тем не менее стек OSI более популярен в Европе, чем в США, так как в Европе осталось меньше старых сетей, работающих по своим собственным протоколам. Большинство организаций пока только планируют переход к стеку OSI, и очень немногие приступили к созданию пилотных проектов. Из тех, кто работает в этом направлении, можно назвать Военно-морское ведомство США и сеть NFSNET. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI, является компания AT&T, ее сеть Stargroup полностью базируется на этом стеке.

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей.

Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных - протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN.

Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. Эти протоколы в терминологии модели OSI относятся к сетевому и транспортному уровням соответственно. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, a TCP гарантирует надежность его доставки.

За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные протоколы, как протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы службы WWW и многие другие.

Сегодня стек TCP/IP представляет собой один из самых распространенных стеков транспортных протоколов вычислительных сетей. Действительно, только в сети Internet объединено около 10 миллионов компьютеров по всему миру, которые взаимодействуют друг с другом с помощью стека протоколов TCP/IP.

Стремительный рост популярности Internet привел и к изменениям в расстановке сил в мире коммуникационных протоколов - протоколы TCP/IP, на которых построен Internet, стали быстро теснить бесспорного лидера прошлых лет - стек IPX/SPX компании Novell. Сегодня в мире общее количество компьютеров, на которых установлен стек TCP/IP, сравнялось с общим количеством компьютеров, на которых работает стек IPX/SPX, и это говорит о резком переломе в отношении администраторов локальных сетей к протоколам, используемым на настольных компьютерах, так как именно они составляют подавляющее число мирового компьютерного парка и именно на них раньше почти везде работали протоколы компании Novell, необходимые для доступа к файловым серверам NetWare. Процесс становления стека TCP/IP в качестве стека номер один в любых типах сетей продолжается, и сейчас любая промышленная операционная система обязательно включает программную реализацию этого стека в своем комплекте поставки.

Хотя протоколы TCP/IP неразрывно связаны с Internet и каждый из многомиллионной армады компьютеров Internet работает на основе этого стека, существует большое количество локальных, корпоративных и территориальных сетей, непосредственно не являющихся частями Internet, в которых также используют протоколы ТСРДР. Чтобы отличать их от Internet, эти сети называют сетями TCP/IP или просто IP-сетями.

Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Internet, он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, большая составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая более просто по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включать в интерсеть сети других технологий. Это свойство также способствует применению стека TCP/IP для построения больших гетерогенных сетей.

В стеке TCP/IP очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство совершенно необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Однако, как и всегда, за получаемые преимущества надо платить, и платой здесь оказываются высокие требования к ресурсам и сложность администрирования IP-сетей. Мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для своей реализации высоких вычислительных затрат. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети различных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п. Каждая из этих служб направлена на облегчение администрирования сети, в том числе и на облегчение конфигурирования оборудования, но в то же время сама требует пристального внимания со стороны администраторов.

Можно приводить и другие доводы за и против стека протоколов Internet, однако факт остается фактом - сегодня это самый популярный стек протоколов, широко используемый как в глобальных, так и локальных сетях.

Стек IPX/SPX

Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80-х годов. Протоколы сетевого и сеансового уровней Internetwork Packet Exchange (IPX) и Sequenced Packet Exchange (SPX), которые дали название стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо меньшей степени, чем стек IPX/SPX. Популярность стека IPX/SPX непосредственно связана с операционной системой Novell NetWare, которая еще сохраняет мировое лидерство по числу установленных систем, хотя в последнее время ее популярность несколько снизилась и по темпам роста она отстает от Microsoft Windows NT.

Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Понятно, что для таких компьютеров компании Novell нужны были протоколы, на реализацию которых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти (ограниченной в IBM-совместимых компьютерах под управлением MS-DOS объемом 640 Кбайт) и которые бы быстро работали на процессорах небольшой вычислительной мощности. В результате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень - в больших корпоративных сетях, так как они слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между клиентами и серверами). Это обстоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell и на его реализацию нужно получать лицензию (то есть открытые спецификации не поддерживались), долгое время ограничивали распространенность его только сетями NetWare. Однако с момента выпуска версии NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает вносить в свои протоколы серьезные изменения, направленные на их адаптацию для работы в корпоративных сетях. Сейчас стек IPX/ SPX реализован не только в NetWare, но и в нескольких других популярных сетевых ОС, например SCO UNIX, Sun Solaris, Microsoft Windows NT.

Стек NetBIOS/SMB

Этот стек широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft. На физическом и канальном уровнях этого стека используются все наиболее распространенные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и другие. На верхних уровнях работают протоколы NetBEUI и SMB.

Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 году как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен так называемым протоколом расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI - NetBIOS Extended User Interface. Для обеспечения совместимости приложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс NetBIOS. Протокол NetBEUI разрабатывался как эффективный протокол, потребляющий немного ресурсов и предназначенный для сетей, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Этот протокол содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов. Это ограничивает применение протокола NetBEUI локальными сетями, не разделенными на подсети, и делает невозможным его использование в составных сетях. Некоторые ограничения NetBEUI снимаются реализацией этого протокола NBF (NetBEUI Frame), которая включена в операционную систему Microsoft Windows NT.

Протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уровней. На основе SMB реализуется файловая служба, а также службы печати и передачи сообщений между приложениями.

Стеки протоколов SNA фирмы IBM, DECnet корпорации Digital Equipment и AppleTalk/AFP фирмы Apple применяются в основном в операционных системах и сетевом оборудовании этих фирм.

На рис. 1.30 показано соответствие некоторых, наиболее популярных протоколов уровням модели OSI. Часто это соответствие весьма условно, так как модель OSI - это только руководство к действию, причем достаточно общее, а конкретные протоколы разрабатывались для решения специфических задач, причем многие из них появились до разработки модели OSI. В большинстве случаев разработчики стеков отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности - ни один стек, кроме стека OSI, не разбит на семь уровней. Чаще всего в стеке явно выделяются 3-4 уровня: уровень сетевых адаптеров, в котором реализуются протоколы физического и канального уровней, сетевой уровень, транспортный уровень и уровень служб, вбирающий в себя функции сеансового, представительного и прикладного уровней.

Рис. 1.30. Соответствие популярных стеков протоколов модели OSI

Для решения сложных задач используется универсальный прием декомпозиция , т.е. разбиение сложной задачи на несколько простых задач – модулей .

Декомпозиция состоит в четком определении каждого модуля, а также порядка и взаимодействия.

Наиболее эффективная концепция декомпозиции – многоуровневый подход . После представления исходной задачи в виде множества модулей, эти модули группируют и упорядочивают по уровням. Уровни, в свою очередь, образуют иерархию. Группа модулей, составляющая каждый уровень, для решения своих задач должна обращаться с запросами только к модулям соседнего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы каждого из модулей могут быть переданы только модулем соседнего вышележащего уровня.

Межуровневый интерфейс (интерфейс услуг) определяет набор функций, которые нижележащий уровень передает вышележащему уровню.

В сетевом взаимодействии участвуют две стороны. Для взаимодействия двух сторон необходимо организовать согласованную работу двух иерархий аппаратных и программных средств на двух разных компьютерах. Оба узла должны принять множество соглашения.

Схема взаимодействия двух узлов

Каждый уровень поддерживает интерфейсы двух типов:

1 – интерфейсы услуг с выше- и нижележащими уровнями ;

2 – интерфейсы со средствами взаимодействия другой стороны (протокол ) .

Протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – соседних уровней в одном узле.

Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточных для организации взаимодействия узлов в сети.

Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств. А протоколы верхних уровней – только программными средствами.

Протокольные сущности одного уровня двух взаимодействующих сторон обмениваются сообщениями в соответствии с определенным для них протоколом. Сообщения состоят из заголовка и поля данных . Работа каждого протокольного модуля состоит в интерпретации заголовков, поступающих к нему сообщений и выполнении связанных с этим действий. Заголовки сообщений разных протоколов имеют разную структуру.

Модель OSI

Назначение модели OSI состоит в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия. Она определяет:

– уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов;

– стандартные названия уровней;

– функции, которые должен выполнять каждый уровень.

В модели OSI средство взаимодействия делится на 7 уровней:

1 – прикладной;

2 - представления;

3 – сеансовый;

4 – транспортный;

5 – сетевой;

6 – канальный;

7 – физический.

Приложение A обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса ПО прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. После формирования сообщения прикладной уровень отправляет его вниз. Протокол уровня представления н основе полученной информации из заголовка выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную информацию, т.е. новый заголовок. Далее сообщение передается сеансовому уровню и так далее до физического уровня. Физический уровень передает сообщение адресату по линии связи. Когда сообщение приходит на компьютер-адресат, он принимает его и перемещает вверх по уровням. Каждый уровень анализирует заголовок своего уровня, выполняет соответствующие функции, удаляет заголовок и передает сообщение вверх.

Физический уровень передает потоки битов по физическим каналам. Функции выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Канальный уровень выполняет функции:

Установление логического соединения между логическими узлами;

Согласование скоростей передатчика и приемника информации;

Обеспечение надежной передачи обнаружения и коррекции ошибок.

Уровень формирует из пакетов собственные протокольные единицы-кадры, состоящие из поля данных и заголовка. Важнейшей информацией заголовка кадра является адрес назначения .

Кроме того этот уровень может обеспечить надежность передачи, например, путем фиксирования границ кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец.

В сетях, построенных на основе разделяемой среды, канальный уровень проверяет доступность разделяемой среды.

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Технология, позволяющая соединять в единую сеть множество сетей – технология межсетевого взаимодействия . Функции сетевого уровня реализуются группой протоколов или маршрутизаторами. Маршрутизатор имеет несколько сетевых интерфейсов, к каждому из которых может быть подключена одна сеть. Данные, которые необходимо передать поступают от транспортного уровня. На сетевом уровне данные снабжаются заголовком и формируется пакет. Для того чтобы протоколы сетевого уровня могли доставлять пакеты любому узлу составной сети, эти узлы должны иметь уникальные адреса в пределах данной сети – сетевой адрес .

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных с определенной степенью надежности. Модель OSI определяет 5 классов транспортного сервиса. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг (срочность, возможностью восстановления прерванной связью, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи).

Сеансовый уровень управляет взаимодействием сторон, т.е. фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент и предоставляет средства синхронизации сеанса.

Уровень представления обеспечивает представление передаваемой по сети информации, не меняя при этом её содержания. На этом уровне могут проходить шифрование и дешифрование данных.

Прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи в сети получают доступ к разделяемым ресурсам. Единица данных этого уровня – сообщение.

Технологии доступа

Для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей среды передачи данных.

Использование разделяемых сред позволяет упростить логику передачи данных. Недостаток – плохая масштабируемость.

Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, т.е. разделяют передающую среду во времени.

Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик технологий локальной сети.

Технология Ethernet

Основная среда – коаксиальный кабель .

На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные уникальные шестибайтовые адреса – MAC-адреса (каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один MAC-адрес). Обычно он записывается в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточием, например: 11-AO-17-3D-BC-01.

Помимо отдельных интерфейсов MAC-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый бит старшего байта адреса назначения – признак того, является адрес индивидуальным или групповым. Если этот бит = 0, то адрес индивидуальный, т.е. идентифицирует один сетевой интерфейс. Если =1 – групповым. Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурируемым как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным MAC-адресом ассоциируется также групповой адрес. Второй бит старшего байта определяет способ назначения адреса. Если бит=0, то централизованный, если = 1 – локальный. В три старших байта адреса производитель помещает выданный идентификатор. За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудования.

Сетевые адаптеры Ethernet могут работать в режиме неразборчивого захвата , т.е. сетевые адаптеры захватывают все кадры, поступающие на интерфейс независимо от их MAC-адресов назначения (используется в случае мониторинга адреса).

Формат кадра

Доступ к среде и передача данных в технологии Ethernet

Метод доступа в сетях Ethernet на разделяемой проводной среде носит название CSMA/CD .

Все компьютеры в сети на разделяемой среде имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду В таком случае говорят, что среда, к которой подключены все станции, работают в режиме коллективного доступа. Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигналов или несущей частоты . Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел готов к передаче данных. Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои встроенные буферы. Та станция, которая узнает свой адрес в заголовке кадра, продолжает записывать в его содержимое свой буфер. А остальные станции прием кадра прекращает. Станция назначения обрабатывает полученные данные и передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника, поэтому станция получатель знает, кому нужно послать ответ. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, которая занимает 9,6 мкс и которая нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной из станций. После окончания паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, т.к. среда свободна.

Механизм прослушивания среды и паузы между кадрами не гарантируют исключения ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна. Говорят, что при этом происходит коллизия , т.к. содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу одновременно. Чтобы корректно обработать коллизию все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизий. Для повышения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаруживает коллизию, прерывает передачу своего кадра и отправляет в сеть специальную последовательность из 32 бит, называемую JAM-последовательностью. После этого передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу.

Token Ring и FDDI

Основная среда передачи данных – витая пара . Для адресации станции используются MAC-адреса того же формата, что и Ethernet. Метод доступа Token Ring основан на передачи от узла к узлу специального токена (маркера доступа), при этом только узел, владеющий токеном, может передавать данные в кольцо. Существует лимит на период монопольного использования среды – время удержания токена , по истечении которого станция обязана передать токен своему соседу.

В технологии FDDI применяется двойное кольцо с целью обеспечения отказоустойчивости.

Технология ATM

Асинхронный режим передачи (ATM) является технологией, позволяющей по сети передавать различные типы трафика (голосовые, видео и цифровые данные). При этом обеспечивается достаточная пропускная способность для каждого из них и гарантируется своевременная доставка чувствительных к задержкам передачи данных.

Основой являются коммутируемые сети с трансляцией ячеек и установлением соединений.

ATM разбивает весь трафик на 5 классов: A, B, C, D и X. Первые четыре – трафик типовых приложений, которые отличаются устойчивым набором требований к задержкам и потерям пакетов, а также тем, генерируют они трафик с постоянной или переменной битовой скоростью. Класс X зарезервирован для уникальных приложений, набор характеристик и требований которых не относится ни к одному из первых четырех классов.

Данные передаются небольшими пакетами фиксированного размера – ячейки . А в сетях с разделяемой средой доступа передача осуществляется пакетами переменной длины – кадры .

Чтобы уменьшить время ожидания передачи ячейки, её размер должен быть мал. Однако маленький размер ячейки увеличивает накладные расходы на передачу из-за наличия большого количества интервалов между передачами ячеек. Размер ячейки ATM составляет 53 байта, из которых 48 байт отводится на данные, а 5 - на заголовок ячейки блока информации.

Для передачи пакетов по сети ATM от источника к месту назначения источник должен сначала установить соединение с получателем. Сети с установлением соединений могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, гарантируя для каждого соединения определенную скорость передачи данных. При установлении соединения, коммутаторы определяют оптимальный маршрут для передачи данных. Когда соединение установлено, коммутаторы начинают передачу данных. Передача ячеек осуществляется с использованием адресных таблиц, в которых содержится информация об адресе порта, из которых поступают ячейки, идентификаторы виртуальных каналов и виртуальных путей.

Виртуальный канал – соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Он является двунаправленным, поэтому после установления соединения каждая конечная станция может, как посылать пакеты другой станции, так и получать от неё по этому каналу. Существует 3 типа виртуальных каналов:

1 – постоянные виртуальные каналы (PVC) – постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Он проходит через все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки, для него резервируется определенная часть полосы пропускания и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединения;

2 – коммутируемые виртуальные каналы (SVC) – устанавливается динамически, когда две конечные станции обмениваются данными друг с другом. По окончании обмена через некоторый промежуток времени канал сбрасывается. Соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать данное соединение;

3 – интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (SPVC) – устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети, при этом оператор сети указывает только конечные станции, для которых должно быть установлено соединение. Для каждого нового сеанса передачи данных, коммутатор определяет: по какому пути будут проходить ячейки.

Виртуальный путь – путь между двумя коммутаторами, которое существует постоянно, независимо от того, есть соединение или нет. Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций.

По одному и тому же виртуальному пути может передаваться одновременно трафик множества виртуальных каналов.

Стек протокола TCP/IP

Стек TCP/IP широко используется как в локальных, так и в глобальных сетях. Он имеет структуру, состоящую из четырех уровней:

Прикладной уровень соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям.

К службам прикладного уровня относят:

- протокол передачи файлов FTP ;

- протокол передачи почты SMTP ;

- протокол передачи гипертекста HTTP и т.д.

Протоколы прикладного уровня развертываются на конечных узлах или хостах.

Транспортный уровень может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

1 – гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей TCP ;

2 – доставку по возможности или с максимальными усилиями обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм UDP .

Для того чтобы обеспечить надёжную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты и доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на узле отправителя и узле получателя могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме.

Второй протокол, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, когда задача надежного обмена не ставиться.

От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню получателя. Программные модули протоколов прикладного уровня устанавливаются также на хостах.

Сетевой уровень [уровень интернета] обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной соединением нескольких подсетей. Основной протокол – межсетевой протокол IP . В его задачу входит: продвижение пакетов между сетями от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. Он развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах.

Протокол IP – дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями.

К сетевому уровню также относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции:

Протоколы маршрутизации RIP и OSPF предназначены для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации;

Протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP , предназначенный для передачи маршрутизаторам источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакетов.

Уровень сетевых интерфейсов отвечает только за организацию взаимодействия с подсетями разных технологий, входящими в составную сеть.

Задачу организации интерфейса между технологиями TCP/IP и любой другой промежуточной технологией сети можно свести к двум задачам:

1 – упаковка IP пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;

2 – преобразование сетевых адресов в адреса технологий данной промежуточной сети.

Система DNS

См. Олифера (стр. 583)

Похожая информация.

Методологической основой стандартизации в компьютерных сетях является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на этом подходе базируется стандартная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection). Она была создана в начале 1980-х годов на основе технических предложений Международного института стандартов ISO и сыграла важную роль в развитии компьютерных сетей.

Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель ISO/OSI была разработана на основе большого практического опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 1970-е годы.

В модели OSI (рис. 1.1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, канальный, физический и сетевой. Самый верхний уровень – прикладной. На данном этапе пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический – обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем перемещения данных с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки по линиям связи и, наконец, обратного воспроизведения данных в компьютере клиента в результате их перемещения с нижнего уровня на верхний.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандартные протоколы. Они представляют собой формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах сети.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для обеспечения взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Следует четко различать модель OSI и стек протоколов OSI. Модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, а стек протоколов OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов для семи уровней взаимодействия, которые определены в модели OSI

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле сети, должны взаимодействовать друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и при помощи стандартизованных форматов сообщений.

Эти правила принято называть межуровневым интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему. В сущности, протокол и интерфейс – близкие понятия, но традиционно в сетях за ними закреплены разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах сети, а интерфейсы – правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле.

Рассмотрим, как в семиуровневой модели OSI проходит обмен данными между двумя пользователями сети, находящимися в разных городах:

на прикладном уровне с помощью специальных приложений пользователь создает документ (сообщение, рисунок и т.п.);

на представительном уровне операционная система (ОС) его компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т.п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем;

на сеансовом уровне компьютер пользователя взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя «на выход в эфир» и передают документ протоколам транспортного уровня;

на транспортном уровне документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Так, документ может быть поделен на небольшие пакеты стандартного размера.

сетевой уровень определяет маршрут движения данных в сети. Например, если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сетевом уровне каждый пакет должен получить адрес, по которому он будет доставлен независимо от прочих;

канальный уровень необходим для того, чтобы промодулировать сигналы, циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с сетевого уровня. В компьютере эти функции выполняют сетевая карта или модем;

реальная передача данных происходит на физическом уровне. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов, есть только биты, то есть элементарные единицы представления данных. Средства физического уровня находятся за пределами компьютера. В локальных сетях с использованием телефонных модемов это линии телефонной связи, коммутационное оборудование телефонных станций и т.п.

На компьютере получателя информации происходит обратный процесс преобразования – от битовых сигналов до документа путем постепенного перехода направлении с нижнего на верхний уровень взаимодействия.

Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, Х.25 и ISDN, - то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов РТАМ, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и ряд других.

Стек OSI - международный, независимый от производителей стандарт. Его поддерживает правительство США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети,

устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны или непосредственно поддерживать стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI, является компания AT&T, ее сеть Stargroup полностью базируется на этом стеке.

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей.

Сегодня стек TCP/IP представляет собой один из самых распространенных стеков транспортных протоколов вычислительных сетей. Только в сети Internet объединено около 10 миллионов компьютеров по всему миру, которые взаимодействуют друг с другом с помощью стека протоколов TCP/IP.

Хотя протоколы TCP/IP неразрывно связаны с Internet и каждый из многомиллионной армады компьютеров Internet работает на основе этого стека, существует большое количество локальных, корпоративных и территориальных сетей, непосредственно не являющихся частями Internet, в которых также используют протоколы TCP/IP. Чтобы отличать их от Internet, эти сети называют сетями TCP/IP или просто IP-сетями.

Стеки протоколов

Стек протоколов - это иерархически организованный набор сетевых протоколов различных уровней, достаточный для организации и обеспечения взаимодействия узлов в сети. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, Novell NetWare, DECnet, XNS, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA, на нижних уровнях - физическом и канальном - используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethemet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.

Все протоколы, входящие в стек, разработаны одним производителем, то есть они способны работать максимально быстро и эффективно.

Важным моментом в функционировании сетевого оборудования, в частности сетевого адаптера, является привязка протоколов. Она позволяет использовать разные стеки протоколов при обслуживании одного сетевого адаптера. Например, можно одновременно использовать стеки TCP/IP и IPX/SPX. Если вдруг при попытке установления связи с адресатом с помощью первого стека произошла ошибка, то автоматически произойдёт переключение на использование протокола из следующего стека. Важным моментом в данном случае является очередность привязки, поскольку она однозначно влияет на использование того или иного протокола из разных стеков.

Вне зависимости от того, какое количество сетевых адаптеров установлено в компьютере, привязка может осуществляться как «один к нескольким», так и «несколько к одному», то есть один стек протоколов можно привязать сразу к нескольким адаптерам или несколько стеков к одному адаптеру.

NetWare - сетевая операционная система и набор сетевых протоколов, которые используются в этой системе для взаимодействия с компьютерами-клиентами, подключёнными к сети. В основе сетевых протоколов системы лежит стек протоколов XNS. В настоящее время NetWare поддерживает протоколы TCP/IP и IPX/SPX. Novell NetWare была популярна в 80-е и 90-е года по причине большей эффективности в сравнении с операционными системами общего назначения. Ныне это устаревшая технология.

Стек протоколов XNS (Xerox Network Services Internet Transport Protocol) разработан компанией Xerox для передачи данных по сетям Ethernet. Содержит 5 уровней.

Уровень 1 - среда передачи - реализует функции физического и канального уровня в OSI-модели:

* управляет обменом данными между устройством и сетью;

* маршрутизирует данные между устройствами одной сети.

Уровень 2 - межсетевой - соответствует сетевому уровню в OSI- модели:

* управляет обменом данными между устройствами, находящимися в разных сетях (обеспечивает дейтаграммный сервис в терминах IEEE- модели) ;

* описывает способ прохождения данных через сеть.

Уровень 3 - транспортный - соответствует транспортному уровню в OSI-модели:

* обеспечивает связь "end-to-end" между источником и приемником данных.

Уровень 4 - контрольный - соответствует сессионному и представительному уровню в OSI-модели:

* управляет представлением данных;

* управляет контролем над ресурсами устройств.

Уровень 5 - прикладной - соответствует высшим уровням в OSI- модели:

* обеспечивает функции обработки данных для прикладных задач.

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) на сегодня является наиболее распространенным и функциональным. Он работает в локальных сетях любых масштабов. Данный стек является основным стеком в глобальной сети Интернет. Поддержка стека была реализована в компьютерах c операционной системой UNIX. В результате популярность протокола TCP/IP возросла. В стек протоколов TCP/IP входит достаточно много протоколов, работающих на различных уровнях, но свое название он получил благодаря двум протоколам - TCP и IP.

TCP (Transmission Control Protocol) - транспортный протокол, предназначенный для управлением передачей данных в сетях, использующих стек протоколов TCP/ IP. IP (Internet Protocol) - протокол сетевого уровня, предназначенный для доставки данных в составной сети с использованием одного из транспортных протоколов, например TCP или UDP.

Нижний уровень стека TCP/IP использует стандартные протоколы передачи данных, что делает возможным его применение в сетях с использованием любых сетевых технологий и на компьютерах с любой операционной системой.

Изначально протокол TCP/IP разрабатывался для применения в глобальных сетях, именно поэтому он является максимально гибким. В частности, благодаря способности фрагментации пакетов данные, несмотря на качество канала связи, в любом случае доходят до адресата. Кроме того, благодаря наличию IP-протокола становится возможной передача данных между разнородными сегментами сети.

Недостатком TCP/IP-протокола является сложность администрирования сети. Так, для нормального функционирования сети требуется наличие дополнительных серверов, например DNS, DHCP и т. д., поддержание работы которых и занимает большую часть времени системного администратора. Лимончелли Т., Хоган К., Чейлап С. - Сестемное и сетевое администрирование. 2-е изд. 2009год. 944с

Стек протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange) является разработкой и собственностью компании Novell. Он был разработан для нужд операционной системы Novell NetWare, которая еще до недавнего времени занимала одну из лидирующих позиций среди серверных операционных систем.

Протоколы IPX и SPX работают на сетевом и транспортном уровнях модели ISO/ OSI соответственно, поэтому отлично дополняют друг друга.

Протокол IPX может передавать данные с помощью датаграмм, используя для этого информацию о маршрутизации в сети. Однако для того, чтобы передать данные по найденному маршруту, необходимо сначала установить соединение между отправителем и получателем. Этим и занимается протокол SPX или любой другой транспортный протокол, работающий в паре с IPX.

К сожалению, стек протоколов IPX/SPX изначально ориентирован на обслуживание сетей небольшого размера, поэтому в больших сетях его использование малоэффективно: излишнее использование широковещательного вещания на низкоскоростных линиях связи недопустимо.

На физическом и канальном уровнях стек OSI поддерживает протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, а также протоколы LLC, X.25 и ISDN, то есть использует все разработанные вне стека популярные протоколы нижних уровней, как и большинство других стеков. Сетевой уровень включает сравнительно редко используемые протоколы Connectionoriented Network Protocol (CONP) и Connectionless Network Protocol (CLNP). Протоколы маршрутизации стека OSI это ES-IS (End System -- Intermediate System) между конечной и промежуточной системами и IS-IS (Intermediate System -- Intermediate System) между промежуточными системами. Транспортный уровень стека OSI скрывает различия между сетевыми сервисами с установлением соединения и без установления соединения, так что пользователи получают требуемое качество обслуживания независимо от нижележащего сетевого уровня. Чтобы обеспечить это, транспортный уровень требует, чтобы пользователь задал нужное качество обслуживания. Службы прикладного уровня обеспечивают передачу файлов, эмуляцию терминала, службу каталогов и почту. Из них наиболее популярными являются служба каталогов (стандарт Х.500), электронная почта (Х.400), протокол виртуального терминала (VTP), протокол передачи, доступа и управления файлами (FTAM), протокол пересылки и управления работами (JTM).

Достаточно популярный стек протоколов, разработкой которого занимались компании IBM и Microsoft, соответственно, ориентированный на использование в продуктах этих компаний. Как и у TCP/IP, на физическом и канальном уровне стека NetBIOS/SMB работают стандартные протоколы, такие как Ethernet, Token Ring и другие, что делает возможным его использование в паре с любым активным сетевым оборудованием. На верхних же уровнях работают протоколы NetBIOS (Network Basic Input/Output System) и SMB (Server Message Block).

Протокол NetBIOS был разработан в середине 80-х годов прошлого века, но вскоре был заменен на более функциональный протокол NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), позволяющий организовать очень эффективный обмен информацией в сетях, состоящих не более чем из 200 компьютеров.

Для обмена данными между компьютерами используются логические имена, присваиваемые компьютерам динамически при их подключении к сети. При этом таблица имен распространяется на каждый компьютер сети. Поддерживается также работа с групповыми именами, что позволяет передавать данные сразу нескольким адресатам.

Главные плюсы протокола NetBEUI - скорость работы и очень малые требования к ресурсам. Если требуется организовать быстрый обмен данными в небольшой сети, состоящей из одного сегмента, лучшего протокола для этого не найти. Кроме того, для доставки сообщений установленное соединение не является обязательным требованием: в случае отсутствия соединения протокол использует датаграммный метод, когда сообщение снабжается адресом получателя и отправителя и «пускается в путь», переходя от одного компьютера к другому.

Однако NetBEUI обладает и существенным недостатком: он полностью лишен понятия о маршрутизации пакетов, поэтому его использование в сложных составных сетях не имеет смысла. Пятибратов А.П.,Гудыно Л.П.,Кириченко А.А.Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Москва 2009год. 292с

Что касается протокола SMB (Server Message Block), то с его помощью организуется работа сети на трех самых высоких уровнях - сеансовом, уровне представления и прикладном уровне. Именно при его использовании становится возможным доступ к файлам, принтерам и другим ресурсам сети. Данный протокол несколько раз был усовершенствован (вышло три его версии), что позволило применять его даже в таких современных операционных системах, как Microsoft Vista и Windows 7. Протокол SMB универсален и может работать в паре практически с любым транспортным протоколом, например TCP/IP и SPX.

Стек протоколов DECnet (Digital Equipment Corporation net) содержит 7 уровней. Несмотря на разницу в терминологии, уровни DECnet очень похожи на уровни OSI-модели. DECnet реализует концепцию сетевой архитектуры DNA (Digital Network Architecture), разработанную фирмой DEC, согласно которой разнородные вычислительные системы (ЭВМ разных классов), функционирующие под управлением различных операционных систем, могут быть объединены в территориально-распределенные информационно-вычислительные сети.

Протокол SNA (System Network Architecture) компании IBM предназначен для удаленной связи с большими компьютерами и содержит 7 уровней. SNA основана на концепции главной (хост) -машины и обеспечивает доступ удаленных терминалов к мейнфреймам IBM. Основной отличительной чертой SNA является наличие возможности доступа каждого терминала к любой прикладной программе главной ЭВМ. Системная сетевая архитектура реализована на базе виртуального телекоммуникационного метода доступа (Virtual Telecommunication Access Method - VTAM) в главной ЭВМ. VTAM управляет всеми линиями связи и терминалами, причем каждый терминал имеет доступ ко всем прикладным программам.