Будакова Е.А. Учебное пособие Современные информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

TCP, устанавливающий виртуальное соединение с повтором передачи

потерянных данных.

В сетях с короткими соединениями для быстрого обмена небольшими

сообщениями предпочтительнее использовать протокол пользовательских

дейтаграмм UDP. Кроме этого, протокол UDP используется приложениями, для

которых не требуется повтор передачи потерянных данных, например службой

времени, поскольку повтор передачи пакета с устаревшим временем не имеет

смысла.

Согласно

концепции протокола TCP сообщение, полученное от при-

кладного уровня, «разбивается» на пакеты данных, к которым добавляется

служебный TCP-заголовок. В случае, если размер нескольких сообщений,

адресованных одному получателю, соответствуют размеру блока данных TCP-

пакета, то эти сообщения могут быть переданы одним пакетом.

В отличие от TCP сообщения, передаваемые с использованием протокола

UDP, не разбиваются на

части, а передаются целиком одной UDP-

дейтаграммой.

Важным понятием при организации связи рассматриваемыми протоколами

являются понятия порт источника и порт приемника.

Поле «Порт» в служебных заголовках занимает 2 байта (16 бит) и

характеризует прикладной процесс, передающий данные в пакете или

дейтаграмме. Если IP-адрес (рассмотрим далее) указывает номер узла сети,

которому предназначен пакет, то номер

порта указывает, какому прикладному

процессу на этом узле предназначены переданные данные.

Взаимодействие узлов вычислительной сети с использованием транс-

портного протокола TCP строится в 3 этапа:

- установление логического соединения,

- обмен данными,

- закрытие соединения.

В заключение рассмотрения протоколов транспортного уровня приведем

краткую характеристику протоколов TCP и UDP.

Таблица 3- Характеристика транспортных протоколов

TCP UDP

Реализует взаимодействие в режиме с

установлением логического (вир-

туального) соединения

Реализует взаимодействие в

режиме без установления

логического (виртуального)

соединения

Для идентификации прикладных процессов на транспортном уровне исполь-

зуют 16-битовые «номера портов»

«Разбивает» сообщения на пакеты

фиксированной длины; несколько

небольших сообщений могут упа-

ковываться в один пакет

Не делит сообщения на части,

каждое сообщение передается

отдельной UDP-дейтаграммой

Продолжение таблицы 3

Часть данных может передаваться в

общем потоке как «важные»

Не гарантирует надежной передачи дан-

ных, возможна потеря UDP-дейтаграмм,

не имеет средств уведомления источника

UDP-дейтаграмм о правильности

(ошибочности) их приема

Подтверждает получение каждого

пакета, гарантирует надежную пе-

редачу данных, поддерживает ряд

механизмов для обеспечения на-

дежной передачи данных

Возможен контроль целостности данных

в UDP-дейтаграмме при использовании

поля «контрольная сумма»

Реализует принцип скользящего

окна 2 (sliding window) для повы-

шения скорости передачи

Значительно проще по сравнению с

протоколом TCP

Сформированные на транспортном уровне TCP-пакеты или UDP-

дейтаграммы передаются на межсетевой уровень модели TCP/IP для

дальнейшей транспортировки по вычислительной сети.

Протоколы межсетевого уровня

Основой межсетевого уровня и всего стека протоколов TCP/IP является

протокол IP (RFC-791), который относится к классу протоколов

негарантированной доставки пакетов (дейтаграмм) без установления

соединения (unreliable connectionless packet delivery).

IP-протокол предлагает ненадежную транспортную среду, поскольку

не

гарантирует доставку IP-дейтаграммы. Алгоритм доставки в рамках данного

протокола предполагает «отбрасывание» ошибочных IP-дейтаграмм с выдачей

пользователю соответствующего ICMP-сообщения (ICMP-сообщение может и

не выдаваться). Очевидно, что обеспечение надежности передачи данных в

модели TCP/IP возлагается на транспортный уровень и его протокол TCP.

Одним из фундаментальных понятий IP-протокола является понятие IP-

адреса, которым идентифицируются все узлы

вычислительной сети.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании

которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. Эти адреса состоят из

4 байт, например 109.26.17.100. IP-адрес назначается администратором во

время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из

двух частей: номера сети и номера узла.

Все возможные адреса разделены на 5 классов, схема

классификации

которых приведена на рисунке 32.

Рисунок 32 - Классы IP-адресов

Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, предназначен для

использования в больших сетях общего пользования. Если первые два бита

адреса равны 10, то сеть относится к классу В, для использования в сетях

среднего размера. Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть

класса С,

для использования в сетях с небольшим числом персональных

компьютеров. Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является

адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес – multicast (для

обращения к группам компьютеров). Если адрес начинается с

последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу

Е, адреса этого класса зарезервированы для будущих применений

Важным элементом адресного пространства сети Internet являются

подсети.

Подсеть – это подмножество сети, не пересекающейся с другими

подсетями. Это значит, что сеть организации может быть разбита на

фрагменты, каждый из которых будет составлять подсеть. Реально каждая

подсеть соответствует физической локальной сети. Подсети придумали для

того, что бы обойти ограничение физических сетей на

число узлов в них и

максимальную длину кабеля в сегменте сети. При использовании подсетей

внешними машинами надо знать только шлюз всей сети организации.

Маршрутизация внутри сети – это ее внутреннее дело. Кроме того, разбиение

на подсети позволяет снизить нагрузку в общей сети, увеличить

производительность сети и снижает объем памяти для маршрутных таблиц

Разбиение сети на подсети использует ту часть IP адреса, которая закреплена за

номерами хостов. Администратор сети может замаскировать часть IP адреса и

использовать ее для назначения номеров подсетей.

Маска подсети – это четырех битовая последовательность, которая

накладывается на IP адрес для получения номера подсети.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

- класс А

- 255.0.0.0;

- класс В - 255.255.0.0;

- класс С- 255.255.255.0.

Маршрутизация IP определяет характер перемещения дейтаграмм IP через

объединенные сети. В начале передачи данных весь маршрут между двумя

узлами может быть неизвестен. Поэтому в каждом промежуточном пункте

определяется следующий пункт назначения путем сопоставления адреса пункта

назначения, содержащегося в дейтаграмме, с записью данных в маршрутной

таблице текущего узла. Участие каждого узла в процессе маршрутизации

заключается в транзитной передаче дейтаграмм. Передача дейтаграмм

базируется только на внутренней информации, вне зависимости от того,

насколько успешным будет процесс и достигнет или нет дейтаграмма

узла

назначения. Именно поэтому протокол IP характеризуется как протокол

негарантированной доставки пакетов и, более того, не обеспечивает отправки в

адрес узла отправителя сообщения о неисправностях. Выполнение этой задачи

предоставлено другому протоколу из стека ТСР/IР - протоколу ICMP.

Основные функции протокола ICMP:

- оповещение отправителя с интенсивным трафиком о необходимости

уменьшить интенсивность посылки пакетов;

передача откликов (квитанций) на успешно переданные дейтаграммы;

- оповещение отправителя о недостижимости адресата.

IP-модуль принимающего узла может выполнить с поступившими

фрагментами три действия:

- транслировать IP-фрагменты далее (по сети) без изменений;

- фрагментировать полученные IP-фрагменты на более короткие, если в

этом есть необходимость;

- восстановить исходную IР-дейтаграмму из фрагментов.

При работе

с фрагментами принимающий IP-модуль использует спе-

циальный таймер, отсчитывающий (с приходом первого фрагмента) про-

межуток времени, в течение которого ожидает прихода всех IP-фрагментов.

Если хотя бы один фрагмент не получен, то все полученные фрагменты

сбрасываются, а IP-дейтаграмма становится утерянной.

В заключение рассмотрения межсетевого уровня составим общую

характеристику базового протокола этого уровня

- IP-протокола.

Протокол IP - дейтаграммный сетевой протокол без установления со-

единения, выполняющий такие функции, как:

- обмен информационными блоками - IP-дейтаграммами;

- адресация узлов вычислительной сети (используются 4-байтовые адреса);

- фрагментация IP-дейтаграмм для их передачи через промежуточные

сети;

- маршрутизация дейтаграмм;

управление потоком данных (например, сброс дейтаграмм при пре-

вышении заданного времени жизни).

Протокол ARP (RFC 826). Address Resolution Protocol

используется для

определения соответствия IP-адреса адресу Ethernet. Протокол используется в

локальных сетях. Отображение осуществляется только в момент отправления

IP-пакетов, так как только в этот момент создаются заголовки IP и Ethernet.

Отображение адресов осуществляется путем поиска в ARP-таблице.

Упрощенно, ARP-таблица (рисунок 33) состоит из двух столбцов:

IP-

адрес

Ethernet-

адрес

223

.1.2.1

08:00:39:00:2

F:C3

223

.1.2.3

08:00:5A:21:

A7:22

223

.1.2.4

08:00:10:99:

AC:54

Рисунок 33 -Таблица ARP адресов

В первом столбце содержится IP-адрес, а во втором Ethernet-адрес.

Таблица соответствия необходима, так как адреса выбираются произвольно и

нет какого-либо алгоритма для их вычисления. Если машина перемещается в

другой сегмент сети, то ее ARP-таблица должна быть изменена.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol) — протокол обратное

отображение адресов, то есть преобразует аппаратный адрес в IP-адрес.

Протокол применяется во время загрузки узла (например компьютера),

когда он посылает групповое сообщение-запрос со своим физическим адресом.

Сервер принимает это сообщение и просматривает свои таблицы (либо

перенаправляет запрос куда-либо ещё) в поисках соответствующего

физическому, IP-адреса. После обнаружения найденный адрес отсылается

обратно на запросивший его узел. Другие станции также могут "слышать" этот

диалог и локально сохранить эту информацию в своих ARP-таблицах.

RARP позволяет разделять IP-адреса между не часто используемыми хост-

узлами. После использования каким либо узлом IP-адреса он может быть

освобождён и выдан другому узлу. RARP является дополнением к ARP.

Протоколы уровня соединения

Протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol) обеспечивает соединение

двух узлов через последовательный интерфейс. Достоинством протокола

является его простота.

Все SLIP-кадры начинаются со служебного символа ОхЕВ, называемого

ESC, а заканчиваются служебным символом ОхСО, называемым END. Между

этими символами располагаются передаваемые данные.

В RFC 1055 нет ограничения на максимальную длину

кадра (MTU),

однако существующие реализации протокола ориентированы на значение MTU,

равное 1006 байт. Как известно, скорость передачи данных по по-

следовательному интерфейсу небольшая, поэтому для повышения эффек-

тивности протокола SLIP в RFC 1144 была предложена его модификация,

учитывающая, что при TCP-взаимодействии по последовательной линии

большинство полей IP- и TCP-заголовков остаются неизменными на все время

логического соединения. Данная

модификация протокола SLIP реально

пересылает в своих кадрах только те поля IP- и ТСР-заголовков, которые

меняют свое значение от кадра к кадру.

Протокол РРР (Point-to-Point Protocol, точка-точка) также используется

для соединения двух ЭВМ по последовательному интерфейсу. Протокол РРР

(RFC 1331) разработан позднее протокола SLIP, поэтому в нем расширена

поддержка протоколов вышележащих уровней (не только ЕР), а также

предусмотрена

возможность передачи контрольных сумм.

Протокол РРР реализует метод передачи дейтаграмм через последо-

вательные каналы связи с непосредственным соединением и включает:

- протокол управления каналом передачи данных высокого уровня

HDLC (High-level Data Link Control);

- протокол выбора конфигурации и проверки соединения канала пере

дачи данных LCP (Link Control Protocol);

- семейство протоколов организации и выбора конфигурации различных

протоколов сетевого уровня NCP (Network Control Protocol).

Для

того чтобы организовать связь через канал связи с непосредственным

соединением, узел, инициирующий РРР-соединение, сначала отправляет

пакеты LCP для выбора конфигурации и проверки канала передачи данных.

После того как канал установлен и согласован, начинается передача NCP-

пакетов, которые используются для определения конфигурации одного или

более протоколов сетевого уровня. После определения протоколов сетевого

уровня

, дейтаграммы каждого протокола сетевого уровня могут быть

отправлены через установленный канал. Канал сохраняет свою конфигурацию

для связи до тех пор, пока явно выраженные пакеты LCP или NCP не закроют

этот канал.

Протокол РРР можно использовать при физических соединениях через

любой последовательный интерфейс DTE/DCE (например, EIA RS-232-С, EIA

RS-422, EIA RS-423 и CCITT V.35).

Технология Ethernet реализует метод множественного доступа с

контролем несущей и обнаружением столкновений. Понятно, что чем больше

компьютеров подключено в сегменте Ethernet, тем больше столкновений будет

зафиксировано и тем медленнее будет работать сеть. Кроме того, если в сети

стоит сервер, к которому часто обращаются, то это также снизит общую

производительность сети.

Важной особенностью интерфейса Ethernet является то, что каждая

интерфейсная карта

имеет свой уникальный адрес. Каждому производителю

карт выделен свой пул адресов в рамках которого он может выпускать карты.

Согласно протоколу Ethernet, каждый интерфейс имеет 6-ти байтовый адрес.

Адрес записывается в виде шести групп шестнадцатиричных цифр по две в

каждой (шестнадцатеричная записи байта). Первые три байта называются

префиксом, и именно они закреплены

за производителем. Каждый префикс

определяет 224 различных комбинаций, что равно почти 17-ти млн. адресам.

2.2.3 Технологии соединения и передачи данных в вычислительных

сетях

Сетевая технология и сети стандарта Х.25

X.25 - это международный стандарт передачи пакетов по сетям общего

пользования. Он поддерживает линии передачи данных со средней или высокой

скоростью передачи для постоянного или периодического использования.

Схема организации связи по стандарту Х. 25 представлена на рисунке 34.

Рисунок 34 - Схема организации связи по стандарту Х. 25

Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков,

отличающих ее от других технологий.

- Наличие в структуре сети специального устройства - PAD (Packet

Assembler Disassembler), предназначенного для выполнения операции сборки

нескольких низкоскоростных потоков байт от алфавитно-цифровых терминалов

в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для

обработки.

Эти устройства имеют также русскоязычное название «Сборщик-разборщик

пакетов», СРП.

- Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на

канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения,

управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.

- Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех

узлах сети - сетевой уровень рассчитан на работу только

с одним протоколом

канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные

сети. Сеть Х.25 состоит из коммутаторов (Switches, S), называемых также

центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных

географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными

каналами. Выделенные каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

Стандарт Х.28 определяет параметры терминала, а также

протокол

взаимодействия терминала с устройством PAD.

Асинхронные старт-стопные терминалы подключаются к сети через

устройства PAD. Они могут быть встроенными или удаленными. Встроенный

PAD обычно расположен в стойке коммутатора. Терминалы получают доступ

ко встроенному устройству PAD по телефонной сети с помощью модемов с

асинхронным интерфейсом. Встроенный PAD также подключается к

телефонной сети с помощью нескольких модемов с асинхронным интерфейсом.

Удаленный PAD представляет собой небольшое автономное устройство,

подключенное к коммутатору через выделенный канал связи Х.25. К

удаленному устройству PAD терминалы подключаются по асинхронному

интерфейсу, обычно для этой цели используется интерфейс RS-232C. Один

PAD обычно обеспечивает доступ для 8, 16 или 24 асинхронных

терминалов.

В контексте эталонной модели OSI пакетный уровень совпадает с сетевым,

таким образом, транспортный уровень использует службы, поставляемые ему

пакетным уровнем. Сетевой уровень реализуется с использованием 14

различных типов пакетов. Пакеты с 1 по 4 предназначены только для

коммутируемых виртуальных каналов и устанавливают соединение и

разъединение каналов. Пакеты с 5 по 7 как для коммутируемых, так и

для

постоянных виртуальных каналов предназначены для обмена данными. Пакеты

с 8 по 14 предназначены для коммутируемого виртуального канала,

постоянного коммутационного канала и передачи дейтаграмм. Управляет

потоками данных при обмене информацией.

Протокол Frame Relay

Frame Relay – это протокол, который описывает интерфейс доступа к

сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать

крайне неравномерно распределенный во времени

трафик и обеспечивает

высокие скорости прохождения информации через сеть, малые времена

задержек и рациональное использование полосы пропускания.

Frame Relay является бит-ориентированным синхронным протоколом,

использующим кадр в качестве основного информационного элемента. Данный

протокол обеспечивает связь и передачу данных между несколькими

удаленными ЛВС.

Возможности Frame Relay:

- повышение эффективности программ и сети;

- увеличение доступности и

надежности сети;

- большая гибкость сети быстрая ее конфигурация;

- повышение эффективности и загрузки сети;

- упрощение сетевой архитектуры;

- упрощение эксплуатации сети за счет провайдера с большими

возможностями и опытом;

- экономия на транспортных расходах, доступе к оборудованию;

- обеспечение согласования с другими службами (АТМ, IP).

Как правило, сеть Frame Relay состоит из трех компонентов (рисунок

35):

− местной линии доступа;

− соединение порта;

− виртуальные соединения.

Рисунок 35 – Компоненты Frame Relay

Местная линия доступа обеспечивает соединение между устройствами,

установленными у клиента (CPE) и сетью frame relay, через порт. При чем

каждая линия имеет свое соединение и порт должен обеспечить пропускную

способность местной линии.

Соединение порта - это точка входа в сеть frame relay, которому

соответствует отдельный узел сети. В большинстве сетей каждому узлу

соответствует одно

соединение порта, не смотря на большое количество

пользователей, программ и протоколов, требующих доступа к сетевым

ресурсам. Одно соединение порта поддерживает несколько логических

соединений с различными узлами по постоянному виртуальному каналу или по

коммутируемому виртуальному каналу.

Виртуальные соединения – это логическое соединения или маршруты

между соединителями портов (или ЛВС) и сетью Frame Relay, то

есть в отличие

от арендуемых линии это не физические линии, а программно реализуемые

виртуальные каналы. Постоянные виртуальные каналы являются постоянным

каналом, следовательно, его всегда можно использовать. И если он назначен

для данной пары портов то доступен в любое время.

Сетевая технология Frame Relay оказалась более эффективной благодаря

сочетанию методов статистического (логического) мультиплексирования

разделения портов, характерных для сетей с коммутацией пакетов, с высокой

скоростью и минимальными задержками временного мультиплексирования.

Более высокая скорость передачи данных (по сравнению с Х.25) в сетях

Frame Relay обеспечивается во многом за счет исключения контроля ошибок в

промежуточных узлах, поскольку контроль ошибок, адресация, инкапсуляция и

восстановление данных выполняются в оконечных

пунктах, т. е. на

транспортном уровне. В промежуточных узлах ошибочные пакеты могут

только отбрасываться, а запрос на повторную передачу происходит от

конечного узла средствами уровня, выше сетевого. Реализация такого сетевого

взаимодействия стала возможной только с появлением помехоустойчивых

каналов передачи данных.

Протокол Frame Relay обеспечивает ретрансляцию кадров между

пользовательскими интерфейсами - оконечным оборудованием данных (DTE) и

сетевыми интерфейсами (интерфейсами коммутаторов) - оконечным

оборудованием каналов передачи данных (Frame Relay Switch, DCE).

Физическое подключение к сети Frame Relay осуществляется через

синхронный порт со скоростью от 9,6-64 кбит/с и выше. В соответствии с

протоколом Frame Relay один физический канал может разбиваться на

несколько постоянных виртуальных каналов (PVC), каждый из

которых

идентифицируется уникальным 10-битовым номером DLCI (data link control

interface, адрес управляющего интерфейса информационного канала) и имеет в

соответствии с конфигурацией собственную CIR (согласованную скорость

передачи).

Технология ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode, режим асинхронной доставки ) -это

сетевая технология, основанная на передаче небольших информационных

блоков - ячеек (cells) - фиксированного размера, предназначенная для

одновременной передачи различного трафика (звук, видео, данные).

Применение в качестве информационных

блоков ячеек фиксированного

размера упрощает аппаратуру передачи данных, минимизирует задержки при

обработке данных и обеспечивает более равномерную загрузку сети.

Архитектура (модель) ATM разработана организациями по стандар-

тизации ANSI, ITU и ATM Forum. Данная модель (подобно тому, как эталонная

модель описывает взаимодействие двух узлов вычислительной сети) описывает

процедуры связи двух оконечных систем посредством ATM-коммутаторов и

состоит из

трех уровней (рисунок 36):

- физического;

- уровня ATM;

- уровня адаптации ATM.

OSI/ISO

7 Прикладной уровень

4 Более высокие уровни

АТМ

6 Представительный уровень

5 Сеансовый уровень

4 Транспортный уровень 3Уровень адаптации АТМ

3 Сетевой уровень 2 Уровень АТМ

2 Канальный уровень

Физически уровень

1 Физически уровень

Рисунок 36 - Соотношение моделей OSI/ISO и ATM Физический уровень

Протоколы ATM физического уровня определяют, как получать ин-

формационные сигналы из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и

передавать эти ячейки уровню ATM.

Физический уровень условно разбит на два подуровня: преобразования

передачи (ТС, Transmission Convergence) и адаптации к физической среде