Будакова Е.А. Учебное пособие Современные информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

-шлюзы протоколов;

-шлюзы приложений;

-шлюзы безопасности.

Шлюзы протоколов как правило, объединяют области сети, которые

используют различные протоколы. Физическое преобразование происходит на

сетевом уровне модели OSI. Протокольные шлюзы бывают двух типов -

безопасности и туннелирования.

Шлюзы безопасности, которые соединяют технически подобные области

сети, вследствие логических различий между областями являются

обязательными промежуточными звеньями.

Туннельные шлюзы - для передачи данных через несовместимые области

сети используется относительно несложная методика туннелирования пакеты

данных инкапсулируются в кадры, которые распознаются сетью, через которую

планируется организовать передачу. При этом сохраняется первоначальный

формат и разбивка на кадры.

Шлюзы протоколов второго уровня.

Данные шлюзы обеспечивают преобразование протоколов между

локальными сетями иногда их

называют транслирующими мостами.

Шлюзы приложений представляют собой системы, которые преобразуют

данные из одного формата в другой. Как правило, эти шлюзы играют роль

промежуточного устройства между получателем и отправителем,

несовместимыми на уровне данных. Типичная последовательность действий.

Выполняемых шлюзом, сводится к приему данных в одном формате,

преобразованию и их передаче в другом формате

. Наличие непосредственного

соединения между передающим и принимающим данные устройствами

необязательно.

Шлюзы безопасности - успешно используют самые различные технологии

и существенно отличаются от рассмотренных выше шлюзов, что позволяет

выделить их в отдельную категорию основная область применения –

фильтрация данных на различных уровнях (от уровня протокола до уровня

приложений).

2.2 Принципы функционирования вычислительных сетей

2.2.1 Основные модели вычислительных сетей

Эталонная модель вычислительной сети OSI/ISO

Эталонная модель OSI/ISO условно делит задачу организации обмена

данными между узлами вычислительной сети через физическую среду передачи

на 7 менее крупных, но более простых задач. В соответствии с этим подходом

эталонная модель OSI/ISO включает 7 уровней, т. е. каждая из подзадач по

замыслу разработчиков должна

решаться на одном из уровней модели.

Схема организации обмена данными между двумя узлами вычислительной

сети представлена на рисунке 26.

Рисунок 26 - Схема взаимодействия узлов вычислительной среды по модели

OSI/ISO

На приемной стороне происходит обратный процесс, т. е. электрические

сигналы, проходя последовательно от 1-го к 7-му уровню, преобразовываются в

исходное электронное письмо.

Понятие протокола и информационные блоки сетевого обмена

Рассмотрим основные понятия и определения, используемые в сетевых

моделях. Главным понятием любой

сети является понятие протокола.

Протокол это набор правил (определяющий порядок работы в сети)

обмена информацией между устройствами передачи данных.

В современных сетевых моделях различают два типа адресов: адреса

канального уровня и адреса сетевого уровня.

Адреса канального уровня (называемые также физическими или

аппаратными адресами) уникальны для каждого узла вычислительной сети. Эти

адреса присваиваются производителями оборудования и размещены в схеме

интерфейса. В соответствии с названием адреса канального уровня

используются на втором уровне эталонной модели OSI/ISO.

Адреса сетевого уровня (называемые также виртуальными или ло-

гическими адресами) используются на третьем уровне эталонной Модели

OSI/ISO.

В зависимости от уровня эталонной модели различают следующие

информационные блоки (рисунке 27).

Сообщение (message) -

информационный блок, источниками и пунктами

назначения которого являются все уровни выше транспортного.

Кадр (frame) - информационный блок, источником и пунктом назначения

которого являются объекты канального уровня, т. е. это тот информационный

блок, который передается по физическим линиям связи.

Пакет (packet) - информационный блок, источниками и пунктами

назначения которого являются сетевой и транспортный уровни модели.

Функции уровней эталонной модели OSI/ISO

Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня и

запрашивает в свою очередь сервис у нижестоящего уровня. Одинаковые

уровни на двух удаленных станциях работают между собой по протоколу, а два

взаимодействующих уровня по интерфейсу. Нижние три уровня являются

сетезависимыми и определяются протоколами, связанными с сетью передачи

данных

, используемой для связи двух компьютеров друг с другом. Верхние три

уровня ориентированы на приложения и содержат протоколы, которые

позволяют двум оконечным прикладным процессам взаимодействовать друг с

другом (как правило, с помощью набора общесетевых служб).

Прикладной уровень. Обеспечивает интерфейс пользователя с набором

общесетевых служб обработки распределенной информации. К службам

относятся: служба

передачи доступа и управления файлами, электронная почта,

поисковая система и так далее. Помимо передачи информации этот уровень

осуществляет:

- идентификацию запрашиваемого пользователя по его имени и адресу;

- определяет текущую доступность запрашиваемого оператора связи;

- выбор организации диалога;

- идентификацию ограничение на предоставление данных.

Рисунок 27 – Схема формирования блока данных

Представительный уровень. Осуществляет преобразование кодов,

кодовых таблиц, сжатия и распаковки данных, осуществляет безопасность

данных, кодирование, шифрование, установку цифровых подписей и так далее.

Сеансовый уровень. Выполняет управление взаимодействием между

рабочими станциями, которые учувствуют в сеансе связи. На этом уровне

выполняется соединение, то есть определяется

доступ на основе прав доступа.

Кроме этого обеспечивается синхронизация, за счет чего осуществляется

корректная передача пакетов. Таким образом, от ответственен за установление

и освобождение канала связи, между двумя протоколами прикладного уровня

находящихся удаленно друг от друга.

Транспортный уровень. Образует интерфейс между верхними уровнями,

ориентированными на приложения и нижними сетезависимыми. Разделяет

передаваемые данные на ракеты, на передающем конце и сборку на приемном

конце. Осуществляет

согласование сетевых уровней различных несовместимых

между собой сетей через специальные шлюзы.

Сетевой уровень. Осуществляет маршрутизацию по адресам, трансляцию

физических и сетевых адресов, обеспечение межсетевого взаимодействия.

Поиск пути от источника к получателю или между двумя промежуточными

устройствами. Установление или обслуживание логической связи между двумя

узлами.

Канальный уровень. Обеспечивает формирование кадров передаваемых

через физически уровень к получателю. Управление процедурой

инициализации и прекращение связи. Обнаружение ошибок и выполнение

повторной передачи сообщения. На этом уровне существует два подуровня

работающих на основе протокола LLC и МАС. LLC осуществляет управление

логической связью и обеспечивает интерфейс с сетевым уровнем. МАС

осуществляет управление доступом к среде передачи на основе методов

доступа.

Физический уровень. Обеспечивает физическое кодирование бит кадра в

электрические (оптические) сигналы и передачи по линии связи. Определяет

тип кабеля, разъема, назначения контактов и формат физических сигналов.

Инкапсуляция

На каждом уровне протокольного стека формируется заголовок (рисунке

27), где учитывается информация для управления тем же уровнем на приемном

конце. Кроме этого

на приемном конце сверяется контрольная сумма

заголовка, если контрольная сумма совпадает, заголовок уничтожается и пакет

передается вышележащему уровню. Если контрольная сумма не совпадает, то

весь пакет уничтожается и идет запрос на повтор.

Стек протоколов и сетевая модель ТСР/IР

Сравнение моделей OSI/ISO и TCP/IP

Стек протоколов ТСР/IР является по аналогии с OSI/ISO основой

сетевой

иерархической модели передачи данных с одноименным названием - ТСР/IР.

Иерархическая сетевая модель ТСР/IР по набору протоколов и вы-

полняемым ими функциям является 4-уровневой, как показано на рисунке 28.

Для сравнения слева от модели ТСР/IР на рис. 35 показана 7-уровневая

эталонная моль OSI/ISO.

Объединение канального и физического уровней эталонной модели в

единый сетевой уровень ТСР/IР является следствием требования независимости

модели (стека протоколов) от используемой физической среды передачи

данных. Кроме этого, функции протоколов канального и физического уровней

реализуются в настоящее время, как правило, едиными техническими

средствами - сетевыми интерфейсами.

OSI/ISO

7 Прикладной уровень

ТСР/IР

4 Прикладной уровень 6 Представительный уровень

5 Сеансовый уровень

4 Транспортный уровень 3Транспортный уровень

3 Сетевой уровень 2Межсетевой уровень

2 Канальный уровень

1 Уровень соединения

1 Физически уровень

Рисунок 28 - Соотношение моделей OSI/ISO и TCP/IP

Рассмотрим функции, выполняемые уровнями иерархической модели

TCP/IP.

Прикладной уровень определяет способ взаимодействия пользовательских

приложений. В системах «клиент-сервер» - приложение-клиент «должно

знать», как посылать запрос, а приложение-сервер «должно знать», как ответить

на запрос.

Транспортный уровень предоставляет сетевым приложениям возможность

получения сообщений по строго определенным каналам

с конкретными

параметрами.

На межсетевом уровне решается задача определения адреса под-

ключенных к сети узлов. На этом уровне выделяются логические сети и

подсети, и реализуется маршрутизация между ними.

На сетевом уровне определяется адресация физических интерфейсов

сетевых устройств, например сетевых плат. К этому уровню относятся

программы управления физическими сетевыми устройствами, так называемые

драйверы. Сетевой уровень тесно связан с физической средой и типом

оборудования передачи данных.

Состав стека протоколов TCP/IP

Распределение протоколов стека TCP/IP по уровням показано на рисунке

29.

Уровень модели

Прикладной

уровень

Протокол

NNTP, SMTP, SNMP,

FTP, TelNet, HTTP, DNS

3 Транспортный

уровень

TCP UDP

Межсетевой

уровень

ICMP IP IGMP

ARP

RARP

Уровень

соединения

Драйвер Etharnet, PPP,

Slip

Рисунок 29 - Соответствие протоколов уровням модели TCP/IP

В состав стека протоколов TCP/IP входят следующие протоколы:

На прикладном уровне:

- NNTP – сетевой протокол передачи новостей;

- SMTP - протокол передачи электронной почты;

- SNMP - простой протокол управления сетевыми ресурсами;

- FTP - протокол передачи файлов на основе TCP;

- TelNet - протокол удаленного доступа к терминалу;

- HTTP – протокол поиска;

- DNS - протокол службы доменных имен.

На транспортном уровне:

- TCP - протокол управления передачей;

- UDP - протокол

пользовательских дейтаграмм.

На межсетевом уровне:

- IP - межсетевой протокол обеспечивает сервис доставки пакетов между

узлами, маршрутизацию на основе IP адресов и поиск оптимального пути до

станции назначения;

- ICMP - межсетевой протокол управления сообщениями решает задачу

передачи управляющих и диагностических сообщений;

- IGMP - протокол групповой рассылки пакетов;

- ARP - протокол разрешения адресов динамически преобразовывает IP-

адрес в физический;

- RARP - протокол

преобразования (обратный ARP) физического адреса в

IP-адрес.

На уровне соединения:

- PPP – для реализует метод передачи дейтаграмм через последовательные

каналы связи с непосредственным соединением;

- Slip - обеспечивает соединение двух узлов через последовательный

интерфейс.

2.2.2 Протоколы межсетевого взаимодействия

Протоколы прикладного уровня

Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) был разработан для обмена

почтовыми сообщениями в сети Internet. SMTP не зависит от транспортной

среды и может использоваться для доставки почты в сетях с протоколами,

отличными от TCP/IP и Х.25. Достигается это за счет концепции IPCE (Inter-

Process Communication Environment). IPCE позволяет взаимодействовать

процессам, поддерживающим SMTP, в интерактивном режиме, а не в режиме

"STOP-GO".

Модель протокола. Взаимодействие в рамках SMTP строится по принципу

двусторонней связи, которая устанавливается между отправителем и

получателем почтового сообщения (рисунке

30). При этом отправитель

инициирует соединение и посылает запросы на обслуживание, а получатель -

отвечает на эти запросы. Фактически, отправитель выступает в роли клиента, а

получатель - сервера.

Рисунок 30 - Схема взаимодействия по протоколу SMTP

Канал связи устанавливается непосредственно между отправителем и

получателем сообщения. При таком взаимодействии почта достигает абонента

в течении нескольких секунд после отправки.

Обмен сообщениями и инструкциями в SMTP ведется в ASCII-кодах. В

протоколе определено несколько видов взаимодействия между отправителем

почтового сообщения и его получателем, которые здесь называются

дисциплинами.

NNTP (Network News Transfer Protocol) представляет собой протокол для

рассылки, подписки, поиска и доставки новостей на основе надежного

протокола поточного типа (например, TCP) с использованием схемы клиент-

сервер. NNTP сконструирован так, что статья, записанная в одном из серверов,

становится доступной для всех подписчиков-клиентов.

Протокол NNTP предполагает применения стандартных сообщений,

формат. NNTP-сервер обычно работает в фоновом режиме

. В больших сетях,

где число клиентов велико, возможно использование нескольких серверов

новостей, которые образуют иерархическую систему. При этом клиент сначала

пытается подключиться к ближайшему серверу. При неуспехе соединение либо

абортируется, либо переадресуется другому серверу.

Единицей хранения на сервере является статья. Статьи составляют

содержательную часть пересылаемых сообщений. В NNTP предусмотрены

команды, которые

обеспечивают непосредственный обмен статьями между

взаимодействующими узлами

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol - простой

протокол управления сетью) работает на базе UDP и предназначен для

использования сетевыми управляющими станциями. Он позволяет

управляющим станциям собирать информацию о положении дел в сети internet.

Протокол определяет формат данных, их обработка и интерпретация остаются

на усмотрение управляющих станций или менеджера сети.

FTP

(File Transfer Protocol) - один из старейших протоколов в Internet и

входит в его стандарты. Обмен данными в FTP проходит по TCP-каналу.

Построен обмен по технологии "клиент-сервер". На рисунке 31 изображена

модель протокола.

В FTP соединение инициируется интерпретатором протокола

пользователя. Управление обменом осуществляется по каналу управления в

стандарте протокола TELNET. Команды FTP генерируются интерпретатором

протокола пользователя и передаются на сервер. Ответы сервера отправляются

пользователю также по каналу управления. В общем случае пользователь имеет

возможность установить контакт с интерпретатором протокола сервера и

отличными от интерпретатора пользователя средствами.

Рисунок 31 - Диаграмма протокола FTP

Команды FTP определяют параметры канала передачи данных и самого

процесса передачи. Они также определяют и характер работы с удаленной и

локальной файловыми системами.

Протокол TELNET (TELecommunication NETwork) позволяет

обслуживающей машине рассматривать все удаленные терминалы как

стандартные «сетевые виртуальные терминалы» строчного типа, работающие в

коде ASCII, а также обеспечивает возможность согласования более сложных

функций (например, локальный или удаленный эхо-контроль, страничный

режим, высота и ширина экрана и т.д.) TELNET работает на базе протокола

TCP. На прикладном уровне над TELNET находится либо программа

поддержки реального терминала (на стороне пользователя), либо прикладной

процесс в обсуживающей машине, к которому осуществляется доступ с

терминала.

HTTP (HyperText Transfer Protocol) — протокол прикладного уровня

передачи данных в первую очередь в виде текстовых сообщений. Основой

HTTP является технология «клиент-сервер», то есть предполагается

существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и

посылают запрос, и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для

получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно

сообщение с результатом.

Основным объектом манипуляции в HTTP является ресурс, на который

указывает URI (Uniform Resource Identifier) в запросе клиента. Обычно такими

ресурсами являются хранящиеся на сервере файлы, но ими могут быть

логические объекты или что-то абстрактное. Особенностью протокола HTTP

является возможность указать в запросе и ответе способ представления одного

и того же ресурса по различным параметрам: формату, кодировке, языку и т.д.

Именно благодаря возможности указания способа кодирования сообщения

клиент и сервер могут обмениваться двоичными данными, хотя данный

протокол является текстовым.

DNS (Domain Name System) — распределённая система преобразования

имени хоста (компьютера или другого сетевого устройства) в IP адрес. DNS

работает в сетях TCP/IP. Как частный случай, DNS может хранить и

обрабатывать и обратные запросы, определения имени хоста по его IP (PTR-

записи).

DNS обладает следующими характеристиками:

− Распределённость хранения информации. Каждый узел сети в

обязательном порядке должен хранить только те данные, которые входят в его

зону ответственности и (возможно) адреса корневых DNS-серверов.

− Кеширование информации. Узел может хранить некоторое количество

данных не из своей зоны ответственности для уменьшения нагрузки на сеть.

− Иерархическая структура, в которой все узлы объеденены в дерево, и

каждый узел может или самостоятельно определять работу нижестоящих узлов,

или делегировать (передавать) их другим узлам.

− Резервирование. За хранение и обслуживание своих узлов (зон)

отвечают (обычно) несколько серверов, разделённые как физически, так и

логически, что обеспечивает сохранность данных и продолжение работы даже в

случае сбоя одного из узлов.

DNS важна для работы Интернета, ибо для соединения с узлом

необходима информация о его IP-адресе, а для людей проще запоминать

буквенные (обычно осмысленные) адреса, чем последовательность цифр IP-

адреса. В некоторых случаях это позволяет использовать виртуальные серверы,

например, HTTP-сервера, различая их по имени запроса. Первоначально

преобразование между доменными и IP-адресами производилось с

использованием специального текстового файла HOSTS, который составлялся

централизованно и обновлялся на каждой из машин сети вручную. С ростом

Сети возникла необходимость в эффективном, автоматизированном механизме,

которым и стала DNS.

Протоколы транспортного уровня

Транспортный уровень реализует транспортировку данных с исполь-

зованием двух различных протоколов - TCP и UDP. Выбор протокола

транспортного уровня зависит от характера передаваемых сообщений,

прикладного процесса и требуемой степени надежности доставки сообщений.

В тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений в сетях с

длинными и ненадежными каналами предпочтительнее

использовать протокол