Топалов

нем інших комп'ютерних систем, підімкнених до мережі. Наприклад, канальний рівень системи А взаємодіє з мережним і фізичним рівнями системи А, а також з канальним рівнем системи В (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Взаємодія рівнів моделі OSI

На семи рівнях OSI використовуються різні форми керуючої інформації для обміну даними з такими самими рівнями інших комп'ютерних систем. Ця керуюча інформація складається з особливих запитів та інструкцій, якими обмінюються однойменні рівні OSI.

Керуюча інформація поділяється на два типи: заголовки й трейлери. Заголовки (header) передаються раніше, ніж передані дані з верхніх рівнів на більш низькі. Трейлери (trailers) приєднуються після таких даних. Приєднання якимнебудь рівнем OSI заголовка або трейлера до даних, що поступили з верхніх рівнів, не є обов'язковим.

Поняття заголовка, трейлера й даних є відносними, вони залежать від того, згідно якого рівня аналізується модуль даних. Наприклад, на мережному рівні модуль даних складається із заголовка рівня 3 і власне даних. Проте, на канальному рівні вся інформація, передана з мережного рівня (тобто заголовок рівня 3 і дані), розглядаються як дані.

Іншими словами, та частина інформації, що на певному рівні OSI розглядається як дані, потенційно може містити заголовки, трейлери й дані всіх вищих рівнів. Такий спосіб організації даних називається інкапсуляцією (encapsulation). На рис. 1.2 показано, як заголовок і дані одного рівня інкапсулюються в поле даних рівня, розташованого безпосередньо під ним.

Обмін інформацією відбувається між однаковими рівнями моделі OSI. Кожний рівень комп'ютерної системи-джерела додає до даних керуючу інформацію, а кожний рівень системи-одержувача, аналізує її й відокремлює від неї дані.

11

Мережа

Рисунок 1.2 – Інкапсуляція заголовків і даних при обміні інформацією

Якщо комп'ютерна система А має певні додатки для передачі в систему В, то ці дані спочатку передаються на рівень додатків. Потім рівень додатків системи А додає до даних всю керуючу інформацію, необхідну для рівня додатків системи В, включаючи її в заголовок. Отриманий модуль даних (заголовок і дані) передається на рівень подання даних, який додає власний заголовок, що містить керуючу інформацію для рівня подання даних системи В. У ході переходу з одного рівня на інший, розмір модуля даних росте, тому що кожний рівень приєднує до отриманих даних власний заголовок (а іноді й трейлер), що містить керуючу інформацію для використання тим же рівнем системи В.

На фізичному рівні весь модуль даних записується на мережний носій. Фізичний рівень системи В одержує модуль даних і передає його на кана-

льний рівень. Цей рівень системи В переглядає керуючу інформацію, яка міститься в заголовку, який розміщено в модулі даних на канальному рівні системи А. Після цього заголовок відокремлюється, а частина, що залишилася, передається на мережний рівень. На інших рівнях відбувається те саме: заголовок, переданий однойменним рівнем системи А, переглядається, відокремлюється, а модуль, що залишився, передається на рівень безпосередньо вище. Після того як ці дії будуть виконані на рівні додатків, дані передаються додаткуодержувачеві системи у тому самому вигляді , у якому вони були передані додатком системи А.

1.1.4. Служби рівнів OSI

Кожний рівень моделі OSI взаємодіє з іншими рівнями для того, щоб мати можливість користуватися наданими ними службами. Ці служби дають можливість певному рівню OSI взаємодіяти з таким самим рівнем іншої комп'ютер-

12

ної системи. Говорячи про служби рівнів, необхідно дати визначення трьом ба-

зовим елементам: користувач служби, провайдер служби й точка доступу до служби.

У даному контексті користувач служби становить собою рівень OS1, що запитує служби суміжного рівня OSI, а провайдером служби є рівень OSI, який надає користувачеві доступ до служби. Рівні OSI можуть надавати служби декільком користувачам. Точка доступу до служби (Service Access Point – SAP) є тим рівнем, на якому один рівень OSI може запитувати служби іншого рівня.

На рис. 1.3 показана схема взаємодії цих трьох елементів на мережному й канальному рівнях.

1.1.5. Рівні моделі OSI

Фізичний рівень визначає електричні, механічні, процедурні й функціональні специфікації щодо активації, підтримки й припинення фізичного зв'язку між мережними системами, які обмінюються інформацією. Специфікації фізичного рівня визначають такі характеристики, як рівні напруги, синхронізацію змін напруги, фізичну швидкість передачі даних, максимальну відстань, на яку можуть передаватися дані, а також характеристики фізичних з'єднувачів кабелів та пристроїв. Варіанти реалізації фізичного рівня можна розділити на категорії залежно від специфікацій локальних і розподілених мереж.

Канальний рівень забезпечує надійну передачу даних фізичною мережею. Специфікації канального рівня визначають характеристики мережі й протоколів, включаючи фізичну адресацію, топологію мережі, повідомлення про помилки, реєстрацію послідовності фреймів і керування потоком. Фізична адресація (на відміну від мережної) визначає способи звертання до пристроїв на канальному рівні. Мережна топологія складається зі специфікацій канального рівня, які найчастіше визначають спосіб фізичного з'єднання пристроїв – наприклад, шинна або кільцева топологія. Повідомлення про помилки попереджають протоколи вищого рівня, що при передачі даних відбулася помилка, а система ке-

13

рування послідовністю фреймів повертає на свої місця фрейми, передані в неправильній послідовності. Нарешті, система керування потоком регулює передачу даних таким чином, щоб інтенсивність потоку даних, що надходить на вхід приймаючого пристрою, відповідала можливостям його обробки.

Стандарти інституту IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers –

IEEE) поділяють канальний рівень на два підрівня: керування логічним каналом (Logical Link Control – LLC) і керування доступом до носія (Media Access Control – MAC). Підрівні IEEE канального рівня показані на рис. 1.4.

Підрівень LLC

Канальний рівень

Підрівень MAC

Рисунок 1.4 – Канальний рівень поділяється на два підрівня

Підрівень керування логічним каналом (Logical Link Control – LLC) керує обміном даними між пристроями в мережі в одній лінії зв'язку. Підрівень LLC описаний у специфікації IEEE 802.2 і підтримує як служби, що не потребують підтвердження з'єднання, так і служби, орієнтовані на з'єднання, що використовуються протоколами вищих рівнів. Специфікація IEEE 802.2 визначає ряд полів у фреймах канального рівня, які дозволяють декільком протоколам вищих рівнів спільно використовувати той самий фізичний канал передачі даних. Підрівень керування доступом до середовища передачі (Media Access Control – MAC) управляє доступом протоколу до фізичного мережного носія. МАССпецифікація IEEE визначає МАС-адреси, які дозволяють декільком пристроям безпомилково розпізнавати один одного на канальному рівні.

На мережному рівні визначається мережна адреса (його варто відрізняти від МАС-адреси). Деякі реалізації мережного рівня, наприклад, протокол Internet (Internet Protocol -IP), визначають мережні адреси таким чином, щоб вибір маршруту здійснювався за допомогою відомого алгоритму, наприклад, шляхом порівняння мережної адреси джерела з мережною адресою приймача/одержувача й накладення маски підмережі. Оскільки мережний рівень визначає логічну структуру мережі, маршрутизатори можуть використовувати цей рівень для того, щоб визначити напрямок наступного пересилання пакета. Внаслідок цього значна частина роботи із проектування й конфігурації об'єднаних мереж відбувається на 3-му (мережному) рівні.

Транспортний рівень приймає дані від сеансового рівня й виконує сегментацію їх для передачі мережею. Як правило, транспортний рівень відповідає за доставку даних без помилок і в правильній послідовності. Звичайно, керування потоком відбувається саме на цьому рівні.

Система керування потоком стежить за передачею даних між пристроями для того, щоб передавальний пристрій не відправляв більше даних, ніж може

14

обробити приймаючий пристрій. Мультиплексування дозволяє передавати по одному фізичному каналу дані від декількох прикладних програм. На транспортному рівні також створюються, підтримуються й ліквідуються віртуальні канали. З метою контролю помилок створюються різні механізми розпізнавання помилок передачі, а для їхнього виправлення виконуються певні дії, наприклад, запит на повторну передачу даних.

У мережі Internet застосовуються транспортні протоколи TCP і UDP.

На сеансовому рівні встановлюються сеанси обміну даними, відбувається керування ними і їхнє завершення. Сеанси взаємодії складаються із запитів до служб і відповідей від них, переданих між прикладними програмами, які перебувають на різних мережних пристроях. Ці запити й відповіді координуються протоколами, реалізованими на сеансовому рівні. Як приклад реалізації сеансового рівня можна привести протокол керування сеансом (Session Control

Protocol – SCP).

Представницький рівень забезпечує виконання різних операцій кодування

йперетворення, яким піддаються дані прикладного рівня. Ці функції гарантують, що інформація, отримана з прикладного рівня однієї системи, може бути прочитана прикладним рівнем іншої системи. Як приклад схеми кодування й перетворення представницького рівня можна навести загальновживані формати подання даних, перетворення символьних форматів, загальноприйняті схеми стиску й шифрування даних.

Стандартні формати представлення даних, у тому числі зображень, звуку

йвідео, дозволяють обмінюватися даними програмам, встановленим на ком- п'ютерних системах різних типів. Для обміну інформацією із системами, що використовують різні подання тексту й даних, такі як EBCDIC і ASCII, застосовуються схеми перетворення. Стандартні схеми стиснення дозволяють правильно розпаковувати, а схеми шифрування – розшифровувати на пристроїодержувачі дані, стислому або зашифровані на пристрої-джерелі.

Реалізації представницького рівня, звичайно, не пов'язані з яким-небудь певним стеком протоколів. У число популярних стандартів для передачі відео-

даних входять QuickTime і Motion Picture Experts Group (MPEG). QuickTime є

специфікацією компанії Apple Computer для обробки відео й аудіоданих, a MPEG становить собою стандарт стиснення й кодування відеоданих.

Прикладний рівень становитьсобою найближчий до користувача рівень OSI. Прикладний рівень еталонної моделі OSI, як і користувач, безпосередньо взаємодіють із прикладним програмним забезпеченням.

Цей рівень взаємодіє з прикладними програмами, які мають у своєму складі комунікаційні компоненти. Такі прикладні програми виходять за рамки еталонної моделі OSI. Функції прикладного рівня звичайно полягають у тому, щоб визначити партнерів для обміну даними, доступність ресурсів і синхронізувати обмін інформацією.

Визначаючи партнерів для обміну даними, прикладний рівень ідентифікує їх і визначає їхню доступність для прикладної програми, яка передає дані. Визначаючи доступність ресурсів, рівень прикладних програм повинен з'ясува-

15

ти, чи достатньо мережних ресурсів для задоволення запиту на обмін даними. При синхронному обміні даними взаємодія між додатками вимагає погодженості, що забезпечується рівнем додатків.

Як приклад реалізації прикладного рівня можна привести протоколи Telnet, протокол передачі файлів (File Transfer Protocol – FTP) і простий прото-

кол передачі електронної пошти (Simple Mail Transfer Protocol – SMTP).

1.1.6. Інформаційні формати

Дані й керуюча інформація, передані мережею, набувають безліч форм. У мережній індустрії ще немає усталеної термінології для позначення цих інформаційних форматів, і іноді під одним терміном маються на увазі різні поняття. Загальновживаними форматами передачі інформації є фрейми, пакети, дейтаграми, сегменти, повідомлення, комірки й модулі даних.

Фрейм (frame) становить собою модуль даних, що передається від джерела до одержувача на канальному рівні. Фрейм складається із заголовка (і, можливо, трейлера) канального рівня й даних верхнього рівня. Заголовок і трейлер містять керуючу інформацію, призначену для канального рівня системиодержувача. Дані, передані з верхніх рівнів, інкапсулюються між заголовком і трейлером канального рівня.

Пакет становить собою модуль даних, що передається від джерела до одержувача на мережному рівні. Пакет складається із заголовка (і, можливо, трейлера) мережного рівня та з даних верхнього рівня. Заголовок і трейлер містять керуючу інформацію, призначену для обробки на мережному рівні систе- ми-одержувача. Дані, передані з верхніх рівнів, інкапсулюються між заголовком і трейлером мережного рівня.

Дейтаграмою (datagram), звичайно, називають модуль даних, що передається від джерела до одержувача на мережному рівні за допомогою мережної служби, що не вимагає підтвердження з'єднання.

Сегментом, звичайно, називають модуль даних, що передається від джерела до одержувача на транспортному рівні.

Повідомлення становить собою модуль даних, що передається від джерела до одержувача на рівнях вище мережного (найчастіше це прикладний рівень).

Комірка становить собою модуль даних фіксованого розміру, що передається від джерела до одержувача на канальному рівні. Комірки використовуються в комутованих середовищах, таких як мережі асинхронного режиму передачі (Asynchronous Transfer Mode – ATM) і комутованої мультимегабітової служби даних (Switched Multimegabit Data Service – SMDS). Комірка складаєть-

ся із заголовка й тіла. Заголовок містить керуючу інформацію, призначену для обробки на канальному рівні приймаючої системи, і, звичайно, має довжину 5 байтів. Тіло комірки становить собою дані вищестоящих рівнів, які інкапсулюються після заголовка комірки. Звичайно воно має довжину 48 байт. Довжина поля заголовка й тіла у всіх комірках однакова.

Модуль даних (data unit) становить собою базовий термін, який позначає різні блоки інформації. Прикладами таких модулів можуть служити модулі да-

16

них служб (Service Data Unit – SDU), модулі даних протоколу (Protocol Data Unit – PDU) і модулі даних протоколу моста (Bridge Protocol Data Unit – BPDU).

Модулі SDU є модулями даних протоколів верхнього рівня, які визначають запит на обслуговування протоколом більш низького рівня. Модулем PDU у термінології OSI називається пакет. Модулі BPDU використовуються алгоритмом сполучного дерева як повідомлення вітання (hello messages).

1.1.7. Ієрархія мереж за стандартом ISO

Великі мережі, звичайно, мають ієрархічну структуру. Ієрархічна організація має такі переваги, як простота керування, гнучкість і скорочення передачі зайвих даних. Міжнародна організація із стандартизації (International Organization for Standardization – ISO) ввела деякі термінологічні угоди для позначення елементів мережі. У цьому розділі будуть дані визначення наступних ключових термінів: кінцева система (ES), проміжна система (IS), зона й автономна система (AS).

Кінцева система (End System – ES) становить собою мережний пристрій, який не виконує маршрутизації або інших функцій перенапрямку даних. Звичайно, до кінцевих систем ставляться такі пристрої, як термінали, персональні комп'ютери й принтери.

Проміжна система (Intermediate System – IS) становить собою мережний пристрій, який здійснює маршрутизацію або інші функції перенаправлення даних. Звичайно, до проміжних пристроїв відносять такі пристрої, як маршрутизатори, комутатори й мости. Існує два види мережних проміжних систем: внутрішньодоменні й міждоменні. Внутрішньодоменні IS здійснюють обмін даними із пристроями всередині однієї автономної системи, а міждоменні - як всередині своєї автономної системи, так і з іншими автономними системами.

Зона (area) становить собою логічну групу мережних сегментів і підключених до них пристроїв. Зони є підрозділами автономних систем.

Автономна система (Autonomous System – AS) становить собою набір мереж, адміністрованих спільно й використовують ту саму стратегію маршрутизації. Автономні системи діляться на зони. Іноді автономні системи AS називаються доменами.

1.1.8.Мережні служби, орієнтовані на з'єднання, і служби, що не вимагають підтвердження з'єднання

Звичайно, транспортні протоколи діляться на з'єднання, які вимагають підтвердження, і з'єднання, які не вимагають його. Служби, орієнтовані на з'єднання, перш ніж передавати дані, повинні спочатку встановити з'єднання з необхідною службою. Служби, які не вимагають підтвердження з'єднання, можуть пересилати дані без попередньої установки з'єднання. Як правило, служби, орієнтовані на з'єднання, надають деяку гарантію доставки, тоді як служби, що не вимагають підтвердження з'єднання, не можуть цього гарантувати.

17

Служба, орієнтована на з'єднання, працює в три етапи: установлює з'єднання, передає дані й ліквідує з'єднання.

При установленні з'єднання кінцеві вузли можуть зарезервувати ресурси для цього з'єднання. Вони також можуть провести переговори й установити певні критерії передачі даних, наприклад, розмір вікна, як це робиться при використанні з'єднань протоколу TCP. Саме резервування ресурсів іноді використовується для атак типу "відмова в обслуговуванні" (Denial Of Service – DOS). Атакуюча система посилає велику кількість запитів на установку з'єднання, але не розриває ці з'єднання. У результаті на атакуючому комп’ютері, всі ресурси виявляються зарезервовані для незакінчених з'єднань, і при спробі встановити справжнє з'єднання виявляється, що для цього не вистачає ресурсів.

Етап передачі даних починається в той момент, коли по встановленому з'єднанню починається пересилання самих даних. Під час передачі даних більшість служб, орієнтованих на з'єднання, стежать за тим, щоб пакети не пропадали, і якщо це все ж трапляється, то запитує їхню повторну передачу. Як правило, протоколи відповідають також за розташування прийнятих пакетів у правильній послідовності, перш ніж дані будуть передані вище по стеку протоколів.

Коли передача даних закінчена, кінцеві вузли розривають з'єднання й звільняють зарезервовані для нього ресурси.

Мережні служби, орієнтовані на з'єднання викликають у мережі більше навантаження, ніж служби, що не вимагають підтвердження з'єднання, тому що першим потрібно провести переговори для установлення з'єднання, передати дані або ліквідувати з'єднання, а другим досить просто відправити дані, не завантажуючи мережу створенням і ліквідацією з'єднань. Кожний із цих способів передачі знаходить своє застосування в об'єднаних мережах.

1.1.9. Адресація в об'єднаних мережах

Мережні адреси (internetwork addresses) ідентифікують пристрої окремо або як члени якоїсь групи. Схема адресації залежить від використовуваного сімейства протоколів і рівня OSI. Широко використовуються три види мережних адрес: адреси канального рівня, адреси керування доступом до носія, або МАСадреси (Media Access Control – MAC), і адреси мережного рівня.

Адреса канального рівня унікальним чином ідентифікує кожне фізичне з'єднання пристрою з мережею. Такі адреси іноді називають фізичними або апаратними адресами. Адреси канального рівня, звичайно, утворюють лінійний простір адрес. Вони заздалегідь і, як правило, жорстко прив'язані до певного пристрою.

Кінцеві системи, звичайно, мають тільки одне фізичне з'єднання з мережею, отже, тільки одна адреса каналу передачі даних. Маршрутизатори й інші мережні пристрої найчастіше мають кілька фізичних мережних з'єднань і, відповідно, кілька адрес каналу передачі даних. Кожний інтерфейс пристрою унікальним чином ідентифікується адресою канального рівня.

Адреси керування доступом до середовища передачі (Media Access Control – MAC) складаються з набору адрес канального рівня. МАС-адреси іде-

18

нтифікують мережні пристрої в локальних мережах з використанням адреси канального рівня відповідно до стандарту IEEE MAC. Як і більшість адрес каналу передачі даних, МАС-адреси унікальні для кожного інтерфейсу локальної мережі LAN. Відносини між МАС-адресами, адресами каналу передачі даних і підрівнями канального рівня відповідно до стандарту IEEE показані на рис. 1.5.

МАС-адреси є 48-розрядними й записуються у вигляді 12-значного шістнадцяткового числа. Перші 6 шістнадцяткових цифр, які визначаються стандартом ШЕЕ, ідентифікують виробника або постачальника й тому є унікальним ідентифікатором організації (Organizationally Unique Identifier – OUI). Останні 6 шістнадцяткових цифр містять серійний номер інтерфейсу або інше значення, обумовлене стандартом зазначеного виробника. МАС-адреси іноді називають прошитими адресами (Burned-In Address – BIA), тому що вони перебувають у постійній пам'яті (ROM) і копіюються звідти в оперативну пам'ять (RAM) при ініціалізації інтерфейсної плати. Формат МАС-адреси показаний на рис. 1.6.

Рисунок 1.5 – Взаємозв'язок МАС-адрес, адрес канальних підрівнів відповідно до стандарту IEEE

МАС адреса

Рисунок 1.6 – МАС-адреса становить собою унікальне шістнадцяткове число

(48 біт)

Оскільки для маршрутизації пакетів в об'єднаних мережах використовуються, як правило, мережні адреси, виникає необхідність у їхньому перетворенні в МАС-адреси. На мережному рівні визначається мережна адреса станціїодержувача, проте, при передачі фізичною мережею необхідне використання МАС-адреси. Різні набори протоколів використовують різні методи такого перетворення, але найбільш популярним методом є використання протоколу пе-

ретворення адрес (Address Resolution Protocol – ARP).

Протокол перетворення адрес (Address Resolution Protocol – ARP) становить собою метод перетворення адрес, використовуваний у наборі протоколів TCP/IP. Коли мережному пристрою потрібно відправити дані іншому пристрою в тій же мережі, він використовує для цього мережні адреси джерела й одержу-

19

вача даних. Перш ніж направити дані, пристрій повинен перетворити адресу одержувача в МАС-адресу. Спочатку робоча станція, яка відправляє дані, переглядає свою ARP-таблицю, перевіряючи, чи була у неї раніше занесена МАСадреса робочої станції-одержувача. Якщо в таблиці така адреса відсутня, то станція посилає в мережу широкомовний запит, що містить IP-адресу станціїодержувача. Всі станції в мережі, що одержали цей запит, порівнюють збереженув ньому IP-адресу із власною, і тільки та станція, чия IP-адреса збіглася із запитаною, посилає станції, яка відправляє, пакет, який містить її МАС-адресу. Після цього перша станція додає цю інформацію в ARP-таблицю для випадку, якщо він буде потрібен в майбутньому й пересилає дані.

Якщо пристрій-одержувач перебуває у вилученій мережі, підключеній через маршрутизатор, то виконується цей самий процес, але станція, що відправляє дані, відправляє ARP-запит на одержання МАС-адреси свого шлюзу, використовуваного за замовчуванням. Після цього вона направляє інформацію на шлюз, а він у свою чергу передає її у відповідному напрямку, щоб доставити пакет туди, де перебуває пристрій-одержувач. Потім маршрутизатор мережі, у якій перебуває пристрій-одержувач, використовує ARP для одержання МАСадреси цього пристрою й доставляє йому пакет.

Протокол вітання (Hello protocol) становить собою протокол мережного рівня, що дозволяє мережним пристроям ідентифікувати один одного й повідомляти всі інші пристрої про свою присутність у мережі. Наприклад, коли включається чергова кінцева система, вона розсилає по мережі повідомлення вітання й одержує від інших пристроїв цієї мережі відповіді на них. Потім розсилання повідомлень вітання повторюється через певні інтервали часу, щоб повідомити про те, що пристрій продовжує бути присутнім у мережі. Мережні пристрої довідуються МАС-адреси інших пристроїв, переглядаючи пакети протоколу вітання.

Передбачувані МАС-адреси використовуються трьома протоколами: Xerox Network Systems (XNS), протоколом мережного пакетного обміну (Novell

Internetwork Packet Exchange – IPX) і протоколом DECnet Phase IV. У цих набо-

рах протоколів МАС-адреси передбачувані тому, що мережний рівень або включає МАС-адресу в адресу мережного рівня, або використовує алгоритм визначення МАС-адреси.

Адреса мережного рівня ідентифікує об'єкт на мережному рівні моделі OSI. Мережні адреси, звичайно, утворять ієрархічний простір і іноді називаються віртуальними або логічними адресами.

Відносини між мережною адресою й пристроєм – логічні й непостійні; вони, звичайно, ґрунтуються або на фізичних характеристиках мережі (пристрій перебуває в певному сегменті мережі), або на групуванні, що не має під собою фізичної основи. Кінцеві системи вимагають однієї адреси мережного рівня для кожного підтримуваного ними протоколу мережного рівня (виходячи із припущення, що пристрій має тільки одне фізичне мережне з'єднання.) Маршрутизатори й інші міжмережні пристрої вимагають однієї адреси мережного рівня на кожне фізичне мережне з'єднання для кожного підтримуваного протоколу ме-

20