Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

339

в фоновом режиме, что позволяет компьютеру-отправителю выполнять дру-

гие вычислительные операции.

Фоновый процесс передачи электронной почты относится к клиент-

ским процессам. Сначала он использует систему доменных имен, для преоб-

разования имени компьютера-получателя в IP-адрес, а затем пытается соз-

дать TCP-соединение с сервером электронной почты, запущенным на ком-

пьютере получателя. Если соединение удается установить, копия сообщения

пересылается удаленному серверу, который сохраняет ее в своем буфере.

Получив от почтового сервера подтверждение получения сообщения и со-

хранения его в буфере, клиент удаляет локальную копию сообщения из соб-

ственного буфера. Если в процессе передачи не удается создать TCP-

соединение или соединение внезапно обрывается, фиксируется время дос-

тавки сообщения и работа клиента завершается. Периодически (обычно каж-

дые 30 минут) клиентский фоновый процесс просматривает область буфер-

ной памяти, проверяя, есть ли недоставленные сообщения. Обнаружив такое

сообщение или помещенное пользователем новое исходящее сообщение,

фоновый процесс пытается его доставить. Если по истечении установленно-

го интервала времени (например, трех дней) программа пересылки элек-

тронной почты не сможет доставить сообщение получателю, она возвращает

его отправителю вместе с сообщением об ошибке.

Для расширения возможности взаимодействия систем электронной

почты, соответствующие стандарты семейства протоколов TCP/IP разделены

на две группы. Одна группа протоколов определяет формат сообщений элек-

тронной почты, другая — детали обмена сообщениями электронной почты

между двумя компьютерами. Разделение стандартов электронной почты на

две независимые группы позволяет создать почтовые шлюзы, соединяю-

щие системы доставки электронной почты сторонних производителей и

стандартные почтовые системы объединенной сети TCP/IP. При этом в обе-

их системах используется один и тот же формат сообщений.

Каждое текстовое сообщение электронной почты состоит из двух час-

тей: заголовка и тела, разделенных пустой строкой. В стандарте семейства

протоколов TCP/IP для сообщений электронной почты определен строгий

формат заголовков, а также семантическая интерпретация каждого его поля.

Формат тела сообщения задается самим отправителем. В частности, в стан-

дарте определено, что заголовки имеют текстовый формат и размещаются в

отдельных строках. Строка заголовка в свою очередь состоит из ключевого

слова, после которого следует двоеточие, а затем — значение. Некоторые

ключевые слова являются обязательными, другие — необязательными, а ос-

тальные — необрабатываемыми. Например, в области заголовка должна на-

ходиться строка, определяющая получателя. Эта строка начинается из клю-

чевого слова То: (Кому:), после которого указывается адрес электронной

Компьютерные сети

340

почты получателя сообщения. В строке, начинающейся со слова From:

(От:), указывается адрес электронной почты отправителя. При желании от-

правитель может установить адрес, по которому нужно отсылать ответы (т.е.

указать, что ответы необходимо посылать по другому адресу, а не по адресу

отправителя). Если в заголовке присутствует строка, начинающаяся со слов

Reply-to: (Обратный адрес:), то в ней находится адрес, по которому следует

пересылать ответы. В случае отсутствия такой строки, в качестве адреса для

пересылки ответов используется информация, содержащаяся в строке

"From:".

Стандартизация формата сообщений электронной почты облегчает их

обработку и передачу через разнотипные почтовые серверы. Выбор простого

текстового формата для заголовка сообщений электронной почты позволяет

использовать его в различных системах. При этом исчезает проблема выбора

стандарта для двоичного представления чисел, а также необходимость пре-

образования стандартного представления в представление, используемое в

локальной системе.

В Интернете для работы с электронной почтой применяются приклад-

ные протоколы SMTP, POP или IMAP, которые базируются на протоколах

объединенной сети TCP/IP.

Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол

передачи почты, является стандартным протоколом для передачи сообщений

между почтовыми серверами сети Интернет. Взаимодействие между клиен-

том и сервером осуществляется с помощью команд, посылаемых в виде

ASCII-строк.

Сначала клиент устанавливает с сервером надежное потоковое соеди-

нение и ожидает, пока сервер не отправит сообщение типа 220 – READY

FOR MAIL, свидетельствующее о его готовности к приему электронной поч-

ты. Если сервер перегружен, он может временно задержать отправку сооб-

щения 220. Получив сообщение 220, клиент отсылает команду HELO. При-

знаком конца команды является символ конца строки. В ответ сервер пре-

доставляет свою идентификационную информацию.

Как только взаимодействие установлено, отправитель может переслать

одно или несколько сообщений электронной почты, закрыть соединение или

послать серверу запрос на обмен ролями отправителя и получателя. Послед-

няя команда необходима для того, чтобы можно было обменяться сообще-

ниями, следующими в обратном направлении. Получатель должен подтвер-

дить прием каждого сообщения. Он также может досрочно закрыть соедине-

ние с сервером или оборвать текущую передачу сообщения.

Сеанс передачи электронной почты начинается с команды MAIL, по-

средством которой клиент идентифицирует отправителя сообщения, пересы-

лая серверу информацию из поля "FROM:", в чей адрес следует пересылать

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

341

возможные сообщения об ошибках. При этом сервер подготавливает внут-

ренние структуры данных для получения нового сообщения электронной

почты, и в ответ на команду MAIL отсылает сообщение с кодом 250. Сооб-

щение 250 означает, что процесс подготовки к получению почты прошел ус-

пешно. Полный ответ сервера состоит из текста "250 ОК".

Завершив выполнение команды MAIL, отправитель с помощью не-

скольких команд идентификации получателя RCPT идентифицирует адреса-

тов сообщения электронной почты. Получатель должен подтвердить каждую

команду RCPT путем отсылки ответного сообщения 250 ОК или сообщения

об ошибке 550, содержащего текст No such user here (пользователь не най-

ден).

После того как на все команды RCPT будут получены сигналы под-

тверждения, отправитель выдает команду DATA. Этим действием он ин-

формирует получателя о своей готовности к отсылке полного сообщения

электронной почты. На команду DATA получатель отвечает сообщением 354

– "начать прием почты" (Start mail input) и указывает последовательность

символов, которые будут использоваться в качестве признака окончания со-

общения электронной почты. Такая последовательность состоит из пяти

символов: возврат каретки, перевод строки, точка, возврат каретки и перевод

строки (<CR+LF+. +CR+LF>).

После отправки всех сообщений, предназначенных для определенного

почтового сервера, клиент может выдать команду TURN, чтобы изменить

направление передачи сообщений по каналу связи. При подаче такой коман-

ды сервер отвечает текстом 250 ОК и берет на себя управление каналом свя-

зи. После обмена ролями сторона соединения, которая раньше была серве-

ром, отсылает клиенту сообщения электронной почты, находящиеся в очере-

ди на отправку. Завершить сеанс связи может та из сторон, которая в на-

стоящий момент управляет взаимодействием (т.е. клиент). Для этого исполь-

зуется команда QUIT. Другая сторона отвечает строкой 221, означающей со-

гласие на завершения сеанса. Затем обе стороны по очереди закрывают TCP-

соединение.

Почтовый офисный протокол РОР (Post Office Protocol) дает поль-

зователю доступ к пришедшим к нему на почтовый сервер электронным со-

общениям. Протокол РОР позволяет осуществлять связь между компьюте-

ром пользователя и почтовым сервером, на котором зарегистрирован почто-

вый ящик пользователя и выполняет пересылку всех сообщений, адресован-

ных пользователю с сервера на его компьютер. В настоящее время применя-

ется третья версия офисного протокола – РОР3.

Для получения почты пользователь вызывает программу клиента про-

токола РОРЗ, которая устанавливает TCP-соединение с РОРЗ-сервером, за-

пущенным на компьютере, где находится удаленный почтовый ящик. Для

Компьютерные сети

342

аутентификации сеанса связи пользователь отправляет регистрационное имя

и пароль. Когда процесс аутентификации успешно пройден, клиентская про-

грамма посылает серверу команды на доставку копии одного или нескольких

сообщений и стирания их из удаленного почтового ящика. Сообщения хра-

нятся и передаются в виде текстовых файлов, представленных в стандартном

формате "822".

Следует заметить, что на почтовом сервере должны быть запущены

две почтовые программы. Первая – сервер SMTP – принимает предназна-

ченную пользователю почту и помещает полученные сообщения в его поч-

товый ящик. Вторая – сервер РОРЗ позволяет пользователю извлекать сооб-

щения из почтового ящика и удалять их. Чтобы обеспечить корректную ра-

боту системы, оба сервера должны согласованно использовать почтовый

ящик. Поэтому если сообщение поступает через SMTP-сервер, в то время

как пользователь извлекает сообщения через сервер протокола РОРЗ, содер-

жимое почтового ящика не искажается.

Протокол доступа к сообщениям в сети Internet IMAP4. Версия 4

протокола доступа к сообщениям в сети Internet IMAP 4 (Internet Message

Access Protocol) является альтернативой протоколу РОРЗ, в основу работы

которого положен такой же общий принцип. Подобно протоколу РОРЗ, в

протоколе IMAP4 определено абстрактное понятие, называемое почтовым

ящиком (mailbox). Почтовые ящики размещаются на том же компьютере, что

и сама программа сервера. Аналогично протоколу РОРЗ, пользователь за-

пускает программу клиента протокола IMAP4, которая связывается с серве-

ром для выборки своих сообщений. Однако в отличие от РОРЗ протокол

IMAP4 дает возможность пользователю динамически создавать, удалять или

переименовывать почтовые ящики.

В протоколе IMAP4 расширены функциональные возможности по вы-

борке и обработке сообщений. Пользователь может получить информацию о

сообщении или проанализировать поля его заголовка, не извлекая сообще-

ние целиком. Кроме того, пользователь может выполнить поиск заданной

строки и извлечь из сообщения определенные части. Такая возможность

особенно удобна при работе по низкоскоростным коммутируемым каналам

связи, поскольку пользователю не нужно загружать с сервера лишние дан-

ные.

Для обеспечения передачи по электронной почте данных, представ-

ленных не в ASCII-формате, разработан протокол многоцелевых расшире-

ний электронной почты в сети Интернет – MIME (Multipurpose Internet Mail

Extensions. Стандарт MIME не вносит изменений в протоколы SMTP или

РОРЗ и не заменяет их. В протоколе MIME определены алгоритмы кодиро-

вания двоичных данных и представления их в формате ASCII. Это позволяет

пересылать получателю файлы произвольных типов в обычном сообщении

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

343

электронной почты. Для этого в каждое сообщение протокола MIME поме-

щают служебную информацию, в которой указывается тип передаваемых

данных и используемый алгоритм кодировки. Информация протокола MIME

помещается в заголовок электронной почты формата "822". В MIME-

заголовках указывается используемая версия протокола MIME, тип переда-

ваемых данных и метод кодирования, применяемый для преобразования

данных в формат ASCII.

4.7. Выводы по разделу

1. Объединенная сеть Интернет (Interwork или Internet) представляет

собой совокупность независимых компьютерных сетей, соединенных между

собой маршрутизаторами (шлюзами). Взаимодействие отдельных разнород-

ных подсетей осуществляется на основе единых межсетевых протоколов

TCP/IP. Для пользователей объединенная сеть выглядит как единая вирту-

альная сеть, к которой подключены все компьютеры.

2. Обмен информацией между подсетями осуществляется пакетами

без привлечения прикладных программ. Взаимодействие между подсетями

происходит на сетевом уровне, в функции которого входит передача пакетов

между конечными узлами.

3. Для обеспечения универсального взаимодействия между компьюте-

рами объединенной сети разработано семейство протоколов TCP/IP, в кото-

ром протоколы расположены по слоям (уровням). Такая совокупность про-

токолов получила название "стек протоколов". Стек протоколов TCP/IP от-

личается от стека модели OSI и содержит всего лишь четыре уровня: при-

ложений, транспортный, межсетевой и доступа к сети.

4. Обмен данными между приложениями различных компьютеров се-

ти осуществляется отдельными блоками. На прикладном уровне данные,

подлежащие передаче, представлены в форме прикладного сообщения. При-

кладное сообщение на транспортном уровне делится на части, которые в за-

висимости от вида транспортного протокола называется ТСР-сегментом

(протокол ТСР) или UDP-дейтаграммой. На сетевом уровне блок сообщения

получил название IP-пакет, а на уровне доступа – кадр, фрейм или блок.

5. При движении блока данных сверху вниз по стеку протоколов на

каждом уровне к нему добавляется заголовок соответствующего уровня, т.е.

происходит инкапсуляция данных. В процессе движения кадра по стеку сни-

зу вверх осуществляется декодирование и удаление заголовков. При декоди-

ровании заголовков определяется протокол последующего верхнего уровня

и передача ему инкапсулированных данных.

Компьютерные сети

344

6. В объединенных сетях применяются два вида адресов: физический

(адрес сетевого адаптера) и сетевой IP-адрес. Последний состоит из адреса

сети и адреса сетевого компьютера или маршрутизатора.

7. Межсетевые 32-битовые IP-адреса делятся на 5 классов. Первые три

класса различаются количеством номеров сетей и хостов, четвертый класс

позволяет адресовать пакет группе хостов, а пятый является резервным.

8. Обеспечение установления соответствия между сетевыми IP-

адресами и аппаратными МАС-адресами возлагается на протокол ARP.

9. Для отделения друг от друга редко взаимодействующих компьюте-

ров сети одной и той же организации их разделяют на подсети. Адресация

подсети реализуется за счет части битов адреса хоста. Выделение адреса

подсети осуществляется с помощью маски подсети, содержащей все едини-

цы в битовых полях адреса сети и подсети.

10. Передача блоков данных между узлами сети производится соглас-

но протоколу IP. Минимальной независимой единицей передачи информа-

ции является межсетевая дейтаграмма (МД). IP-протокол реализует негаран-

тированную доставку пакетов, а также производит их маршрутизацию.

11. Номинальная длина МД равна 576 байтам, из них 64 выделено под

заголовок, а 512 – под поле данных. В поле заголовка IP-дейтаграммы раз-

мещаются IP-адреса отправителя и получателя, а также поля, указывающие

версию протокола, длину заголовка и полную длину МД, возможность ее

фрагментации, протокол близлежащего верхнего уровня, время жизни паке-

та и др. Максимальная длина МД содержит 65535 октетов.

12. Объединенная сеть Интернет состоит из отдельных подсетей, со-

ставные части которой могут иметь различную максимальную допустимую

величину блока передачи (MTU). Поэтому в функции IP-модуля входит

фрагментация длинных МД при необходимости передачи таких дейта-

граммм через подсети с малой допустимой длиной кадров.

13. Сборка отдельных фрагментов в исходную дейтаграмму выполня-

ется только на последнем этапе, поскольку отдельные фрагменты могут пе-

ремещаться по сети различными путями. Порядок сборки определяется ука-

зателем фрагмента. В случае необходимости фрагментация дейтаграммы

может быть запрещена, о чем в поле флагов ставится соответствующая по-

метка.

14. Основным недостатком существующей четвертой версии IP-

протокола – сравнительно малое адресное пространство, задаваемое 32-

битовым полем. Этот недостаток ликвидирован в шестой версии IPv6, в ко-

тором длина адреса увеличена до 128 битов.

15. В заголовке IPv6 содержится меньше информации по сравнению с

IP, однако, его дейтаграмма может включать несколько заголовков. Кроме

того, в заголовке введены новые поля, задающие качество обслуживания,

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

345

защиту частной информации и др.

16. Обеспечение передачи данных между пользовательскими процес-

сами регламентируются протоколами транспортного уровня TCP и UDP.

Протокол ТСР создает сквозной виртуальный канал с получателем, реализу-

ет потоковую безошибочную доставку пользовательских сообщений, осу-

ществляя подтверждение каждого правильно принятого сегмента. В случае

неполучения такого подтверждения отправитель по истечении тайм-аута по-

вторяет неподтвержденный сегмент. ТСР-протокол производит регулирова-

ние темпа потока данных, предотвращая перегрузку сети.

17. Протокол пользовательских дейтаграмм UDP передает приклад-

ное сообщение в форме дейтаграмм без предварительного установления со-

единения. Доставка дейтаграмм при этом не гарантируется.

18. Оба протокола транспортного уровня осуществляют мультиплек-

сирование и демультиплексирование пакетов по конкретным приложениям,

номера портов которых задаются в заголовках пакетов.

19. Для выбора оптимального пути, по которому будут передаваться

пакеты получателю, используется процедура маршрутизации. Если отправи-

тель и получатель относятся к одной физической сети, то выполняется пря-

мая маршрутизация, а при расположении получателя в другой физической

сети осуществляется непрямая маршрутизация.

20. Сеть Интернет состоит из множества независимых автономных

систем (AS), находящихся под контролем одного административного органа.

Определение маршрутов в пределах одной AS регламентируется внутрен-

ними протоколами маршрутизации, к которым относятся протоколы RIP и

OSPF.

21. Автономные системы объединяются между собой посредством

внешних (пограничных) маршрутизаторов, взаимодействующих между со-

бой через магистральную (опорную) сеть под управлением протокола внеш-

ней маршрутизации (BGP).

22. Протокол внутренней маршрутизации RIP относится к дистанци-

онно-векторным протоколам с использованием алгоритма поиска оптималь-

ного пути Беллмана-Форда. Функции RIP-модуля в маршрутизаторе состоят

в рассылке, получении и обработке векторов расстояний до IP-сетей, нахо-

дящихся в области действия протокола. Вектор расстояния содержит адрес

местонахождения и метрику. Описание маршрутов хранится в таблице мар-

шрутизации. Достоинство протокола – простота конфигурации и эксплуата-

ции; недостаток – ограничение количества шагов маршрута (15), большие

затраты времени на восстановление связи после сбоя.

23. Протокол внутренней маршрутизации OSPF относится к протоко-

лам учета состояния линий связи. Поиск оптимального пути находится по

алгоритму Дийкстры. В качестве метрики используется коэффициент каче-

Компьютерные сети

346

ства обслуживания, определяемый параметрами: пропускная способность

канала, задержка распространения пакета, число шагов до получателя и др.

24. К преимуществам OSPF относится возможность функционирова-

ния протокола в сетях любой сложности и отсутствие ограничений, харак-

терных для RIP. Время, используемое на построение таблиц маршрутизации

и загрузки сети служебной информацией в среднем меньше, по сравнению с

тем, что потребовал бы RIP для такой же системы. Если между узлами сети

существуют несколько маршрутов с одинаковыми или близкими по значе-

нию метриками, то протокол OSPF позволяет распределять трафика по этим

маршрутам; недостаток протокола состоит в том, что он сложнее RIP.

25. Протокол внешней маршрутизации BGP применяется для опреде-

ления маршрутов, соединяющих одну автономную систему с другой, а так-

же маршрутов, проходящих через автономную систему, не участвующей в

процессе BGP, используя политику маршрутизации. Отличительной особен-

ностью протокола является применение маршрутно-векторной маршрутиза-

ции, при которой не используется метрика маршрутизации.

26. Для более рационального использования адресного пространства

и сокращения записей в таблицах маршрутизации была разработана техно-

логия бесклассовой адресации CIDR. Она позволяет провайдерам сети Ин-

тернет выделять своим клиентам непрерывный блок IP-адресов нужного

размера, причем количество адресов в блоке всегда кратно степени двух.

Для определения блока адресов задается его начальный адрес и маска, кото-

рая указывает границу раздела между префиксом сети и суффиксом хоста.

27. Для информирования узлов о возникновении нарушений работы и

ошибок в сети предназначен протокол передачи управляющих сообщений

ICMP. При обнаружении проблемных ситуаций маршрутизаторы или конеч-

ные станции отправляет ICMP-сообщение определенного типа с указанием

кода ошибки. Передача ICMP-сообщения выполняется посредством обыч-

ной IP-дейтаграммы. Протокол транспортного уровня (TCP), получая сооб-

щения ICMP об ошибках в сети, может выполнять те или иные действия для

преодоления возникших проблем.

28. На основе сети Интернет организовано ряд сервисных служб, по-

зволяющих осуществлять удаленный терминальный доступ (Telnet, Rlogin),

передачу файлов (FTP), работу с всемирной гипермедиа информационной

службой WWW, осуществлять поиск информации, пользоваться услугами

электронной почты и др.

29. Для более углубленного изучения вопросов построения и на-

стройки сети, управления и тестирования Вам следует обратиться к специ-

альной литературе, в частности [3, 10, 11, 18, 19, 24, 32, 36].

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

347

4.8 Контрольные вопросы

1. С помощью каких технических средств осуществляется объединение

разнородных сетей в единую сеть Интернет?

2. На каком уровне происходит взаимодействие подсетей объединенной

сети, и каковы преимущества такого взаимодействия?

3. Проведите сравнительную характеристику стеков протоколов TCP/IP и

OSI.

4. Поясните процедуру инкапсуляции данных, и с какой целью она введена

в компьютерных сетях?

5. Каким образом маршрутизатор определяет класс адреса поступившей

межсетевой дейтаграммы?

6. Что такое "частная сеть", и каким образом осуществляется адресация

компьютеров в таких сетях?

7. Поясните необходимость и способ реализации процедуры преобразова-

ния Интернет-адресов.

8. С какой целью выполняют разбиение сетей на подсети, и какова роль

маски сети?

9. На основании каких признаков осуществляется сборка межсетевых дей-

таграмм на оконечном узле в правильной последовательности?

10. Для какой цели в IP-дейтаграмму введено поле дополнительных услуг?

11. Как и для чего на сетевом уровне производится фрагментация и дефраг-

ментация дейтаграмм?

12. Какова цель введения протокола IPv6 и в чем заключается существенное

отличие в форматах пакетов IPv6 и IPv4?

13. В чем состоит отличие протоколов транспортного уровня UDP и TCP?

14. Каким образом поступившее в хост сообщение попадает в конкретное

приложение?

15. Какой смысл применять протокол UDP, не гарантирующий доставку па-

кетов, если есть протокол ТСР, гарантирующий их доставку?

16. В чем состоит различие потоковой и дейтаграммной передачи сообще-

ний?

17. С какой целью в транспортном протоколе ТСР введен механизм протал-

кивания?

18. Поясните назначение каждого из флагов заголовка ТСР-сегмента.

19. Поясните суть и необходимость процедуры "трехразового рукопожа-

тия", используемую в процессе установления ТСР-соединения.

20. Каким образом может быть реализована автоматическая настройка па-

раметров стека протоколов TCP/IP и в каких случаях ее целесообразно

применять?

Компьютерные сети

348

21. В каких случаях хост должен самостоятельно выполнять маршрутиза-

цию?

22. Какие данные располагаются в таблице маршрутизации, и на основании

чего осуществляется их модификация?

23. Для какой цели применяются протоколы внутренней и внешней мар-

шрутизации?

24. По какой причине был введен протокол внутренней маршрутизации

OSPF, если для аналогичных задач уже применялся протокол RIP?

25. Какая часть компьютерной сети может быть отнесена к автономной сис-

теме и какова необходимость выделения таких систем?

26. Раскройте особенности внешней маршрутизации и дайте сравнительную

характеристику протоколов, реализующих этот вид маршрутизации.

27. С какой целью введена бесклассовая адресация, и в чем состоит ее суть

и преимущества?

28. По какой причине при использовании бесклассовой адресации мар-

шрутная информация рассылается вместе с сетевым префиксом и мас-

кой сети?

29. Каковы функции реализует протокол передачи управляющих сообще-

ний ICMP?

30. Что представляет собой сетевой виртуальный терминал, и какие техни-

ческие средства его реализуют?

31. Расскажите о назначении и функционировании службы FTP?

32. Как осуществляется доступ к серверу всемирной информационной

службы WWW?

33. С какой целью введена служба доменных имен DNS и как она функ-

ционирует?

34. Расскажите об особенностях функционирования электронной почты. За-

чем на почтовом сервере запускаются две почтовые программы?