Информационные сети Аксарин м.Ю.
Функции уровней эталонных моделей OSI и TCP/IP. Инкапсуляция.
Эталонная модель OSI — это описательная схема сети; ее стандарты гарантируют высокую совместимость и способность к взаимодействию различных типов сетевых технологий. Кроме того, она иллюстрирует процесс перемещения информации по сетям. Это концептуальная структура, определяющая сетевые функции, реализуемые каждом уровне. Модель OSI описывает, каким образом информация проходит через сетевую среду (например, провода) от одной прикладной програмы (например, программы обработки таблиц) к другой, находящейся в другом подключенном к сети компьютере.
Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации через сетевую среду на семь менее крупных и, следовательно, более легко решаемых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением.Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач (рис. 1)
Уровень 7 (уровень приложений)
Уровень приложений — это самый близкий к пользователю уровень модели OSI. Уровень приложений идентифицирует и устанавливает доступность предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает договоренность о процедурах восстановления после ошибок и контроля целостности данных. Уровень приложений также определяет степень достаточности ресурсов для осуществления предполагаемой связи.
Уровень 6 (уровень представлений)
Уровень представлений отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из уровня приложений одной системы, была читаемой для уровня приложений другой системы. При необходимости уровень представлений преобразовывает форматы данных путем использования общего формата представления информации.
Уровень 5 (сеансовый)
Cеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия приложений. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами уровня представлений и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основным функциям сеансовый уровень предоставляет средства для синхронизации участвующих в диалоге сторон, обеспечивает класс услуг и средства формирования отчетов об особых ситуациях, возникающих на сеансовом уровне, а также на уровнях приложений и представлений.
Уровень 4 (транспортный) (TCP)
Транспортный уровень сегментирует и повторно собирает данные в один поток. Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые изолируют верхние уровни от деталей ее реализации. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через многосетевой комплекс. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, обнаружения и устранения неисправностей транспортировки, а также управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения одной системы данными от другой системы).
Уровень 3 (сетевой) - IP
Сетевой уровень — это комплексный уровень, который обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, которые могут находиться в географически разных сетях.
Уровень 2 (канальный) - MAC
Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, дисциплины в канале связи (т.е. каким образом конечная система использует сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров, а также вопросы управления потоком данных.
Уровень 1 (физический)
Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, временные параметры изменения напряжений, скорости физической передачи данных, максимальные расстояния передачи информации, физические разъемы, и другие подобные характеристики.
Программные и аппаратные особенности различных способов организации локальных сетей. Топологии шина, кольцо, звезда, расширенная звезда. Преимущества и недостатки Ethernet технологии.
Локальные вычислительные сети (ЛВС) — это высокоскоростные сети с малым количеством ошибок, которые охватывают небольшие географические пространства (до нескольких тысяч метров). ЛВС объединяют рабочие станции, терминалы и периферийные устройства в одном здании или другой пространственно ограниченной области. Локальные сети обеспечивают множеству подключенных настольных устройств (обычно ПК) доступ к среде передачи данных с высокой пропускной способностью. Они подключают компьютеры и службы к общей среде уровня 1.
К устройствам локальной сети относятся следующие устройства
• Мосты.Подключают сегменты локальной сети и помогают фильтровать трафик.
• Концентраторы (хабы).Концентрируют соединения локальной сети и позволяют использовать в качестве среды передачи данных витую пару.
• Коммутаторы (свичи) Ethernet.Обеспечивают сегментам и настольным системам полнодуплексную связь и выделенную полосу пропускания.
• Маршрутизаторы.Обеспечивают большое количество сервисов, включая организацию взаимодействия сетей и управление широковещанием.
Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet,FiberDistributedDataInterface(FDDI) иTokenRing, которые применяются практически во всех существующих локальных сетях .
Стандарты локальных сетей определяют вид кабельных систем и сигналы на физическом и канальном уровнях эталонной модели OSI. Большинство локальных сетей работают в соответствии с этими стандартамиEthernetиIEEE802.3.
Сетевые стандарты EthernetиIEEE802.3
Ethernetбыл разработан Исследовательским центром корпорацииXeroxв Пало Альто (PARC) в 1970 году и является на сегодняшний день наиболее популярным стандартом. Миллионы устройств и узлов подключены к сетям, использующимEthernet. Первым локальным сетям требовалась очень небольшая пропускная способность для выполнения простых сетевых задач, существовавших в то время, — отправка и прием электронной почты, передача файлов данных и обработка заданий по выводу на печать.
Сети на основе Ethernetиспользуются для транспортировки данных между различными устройствами — компьютерами, принтерами и файл-серверами. ТехнологияEthernetдает возможность устройствам коллективно пользоваться одними и теми же ресурсами, т.е. все устройства могут пользоваться одной средой доставки.Средой доставкиназывается метод передачи и приема данных. Например, рукописное письмо может быть послано с использованием различных способов доставки: через почтовую службу, через курьерскую службу доставкиFederalExpressили по факсу. Электронные данные могут передаваться по медному кабелю, по тонкому или толстому коаксиальному кабелю, по беспроводным линиям связи и т.д.
Ethernet представляет архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей, т. е. сетевой пакет посылается сразу на все узлы сегмента сети. Поэтому для приема адаптер должен принимать все сигналы, а уже потом отбрасывать ненужные, если они предназначались не ему. Перед началом передачи данных адаптер прослушивает сеть. Если в данный момент сеть кем-то используется, то адаптер задерживает передачу и продолжает прослушивание. В Ethernet может произойти ситуация, когда два сетевых адаптера, обнаружив «тишину» в сети, начинают одновременно передавать данные. В этом случае происходит коллизия, и адаптеры начинают передачу заново через небольшой случайный промежуток времени.
Существенным недостатком сети Ethernet является способ передачи данных. Так как сетевой пакет посылается сразу на все станции в сети, то при увеличении количества станций начинает расти количество коллизий, и пропускная способность сети резко снижается. Чтобы устранить этот недостаток, используются коммутаторы (switch, свитч), которые запоминают сетевые адреса рабочих станций и фильтруют трафик, посылая принятые данные только той станции, для которой они предназначены и только в тот момент, когда ее сетевой порт открыт.
В локальной вычислительной сети (ЛВС) все рабочие станции должны быть соединены между собой. Если в ЛВС входит файл-сервер, он также должен быть подключен к рабочим станциям. Физическая схема, которая описывает структуру локальной сети, называется топологией.
Шинная топологияпредставляет собой топологию, в которой все устройства локальной сети подключаются к линейной сетевой среде передачи данных. Такую линейную среду часто называют каналом, шиной или трассой. Каждое устройство, например, рабочая станция или сервер, независимо подключается к общему шинному кабелю с помощью специального разъема.
Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость ее реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации.
Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.
В сетях, использующих топологию "звезда", сетевой носитель соединяет центральный концентратор с каждым устройством, подключенным к сети. В этой топологии используется управление из центральной точки, а связь между устройствами, подключенными к сети, осуществляется посредством двухточечных линий между каждым устройством и центральным каналом или концентратором.
Весь сетевой трафик в звездообразной топологии проходит через концентратор. Вначале данные посылаются концентратору, а затем концентратор переправляет их устройству в соответствии с адресом, содержащимся в данных. В сетях с топологией "звезда" концентратор может быть активным или пассивным. Активный концентратор не только соединяет участки среды передачи, но и регенерирует сигнал, т.е. работает как многопортовый повторитель. Благодаря выполнению регенерации сигналов, активный концентратор позволяет данным перемещаться на более значительные расстояния. В отличие от активного концентратора, пассивный только соединяет участки сетевой среды передачи данных.
Топология "звезда"является самой простой с точки зрения проектирования и установки. Это объясняется тем, что сетевая среда выходит непосредственно из концентратора и прокладывается к месту установки рабочей станции. Другим достоинством этой топологии является простота обслуживания: единственной областью концентрации является центр сети. Также топология "звезда" позволяет легко диагностировать проблемы и изменять схему прокладки. Кроме того, к сети, использующей топологию "звезда", легко добавлять рабочие станции. Если один из участков сетевой среды передачи данных обрывается или закорачивается, то теряет связь только устройство, подключенное к этой точке. Остальная часть сети будет функционировать нормально.
В некотором смысле достоинства топологии "звезда" могут считаться и ее недостатками. Например, наличие отдельного отрезка кабеля для каждого устройства позволяет легко диагностировать отказы, однако, это же приводит и к увеличению количества отрезков. В результате повышается стоимость установки сети с топологией "звезда". Если простая звездообразная топология не может покрыть предполагаемую область сети, то ее можно расширить путем использования межсетевых устройств, результирующая топология называется топологией «расширенная звезда»
Назначение сетевого адаптера. MAC адрес. Протоколы ARP, RARP, ARP-запросы, RARP – сервера.
Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) зашит на плате сетевого адаптера.Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной моделиOSI, имеет свой уникальный МАС-адрес. В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.
МАС-адрес – 48 разрядное двоичное число (6 байт). Первые 24 бита – двоичный номер производителя. Вторые 24 бита – двоичный номер адаптора
Для удобства запоминания и наборы эти параметры представляются в шестнадцатиричной записи, например, 2B-00-1F-00-00-01 - первая карта, которую произвела компания с номером 2B-00-1F. В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом. Отправляемые источником данные солержат МАС-адресс пункта назначения. По-мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству.
Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения.
Для взаимодействия устройств друг с другом необходимо, чтобы у передающего устройства был IP- и МАС-адреса получателя. Когда одно из устройств пытается установить связь с другим, с известным IP-адресом, ему необходимо определить МАС-адрес получателя. Набор протоколов TCP/IP имеет в своем составе специальный протокол, называемый ARP (Address Resolution Protocol — протокол преобразо- вания адресов), который позволяет автоматически получить МАС-адрес.
Некоторые устройства хранят специальные ARP-таблицы, в которых содержится информация о MAC- и IP-адресах других устройств, подключенных к той же локальной сети. ARP-таблицы позволяют установить однозначное соответствие между IP- и МАС-адресами. Такие таблицы хранятся в определенных областях оператив- ной памяти и обслуживаются автоматически на каждом из сетевых устройств. В редких случаях приходится создавать ARP-таблицы вручную.
Для передачи данных от одного узла другому отправитель должен знать IP- и МАС-адрес получателя. Если он не может получить искомый физический адрес из собственной ARP-таблицы, инициируется процесс, называемый ARP-запросом ARP-запрос позволяет узлу определить МАС-адрес получателя. Узел создает фрейм ARP-запроса и рассылает его всем сетевым устройствам. Фрейм ARP-запроса состоит из двух частей:
• заголовка фрейма;
• сообщения ARP-запроса.
Для того чтобы все устройства могли получить ARP-запрос, используется широковещательный МАС-адрес. В схеме МАС-адресации широковещательный адрессодержит во всех битах шестнадцатеричное число F и имеет, таким образом, вид FF-FF-FF-FF-FF-FF5. Поскольку пакеты ARP-запроса передаются в широковещательном режиме, все сетевые устройства, подключенные к локальной сети, могут получить такие пакеты и передать их протоколам более высоких уровней для последующей обработки. Если IP-адрес устройства совпадает с IP-адресом получателя в широковещательном ARP-запросе, это устройство отвечает отправителю, сообщая свой МАС-адрес. Такое сообщение называется ARP-ответом.
После получения ARP-ответа устройство-отправитель широковещательного ARP-запроса извлекает МАС-адрес из поля аппаратного адреса отправителя и обновляет свою ARP-таблицу. Теперь это устройство может надлежащим образом адресовать пакеты, используя как MAC-, так и IP-адрес.
Протокол определения сетевого адреса по местоположению узла (Reverse Address Resolution Protocol — RARP) устанавливает соответствие между MAC-адресами и IP-адресами. Возможна ситуация, когда сетевому устройству или рабочей станции известен МАС-адрес, но не известен собственный IP-адрес. Для устройств, использующих протокол RARP, требуется присутствие RARP-сервера. Отправитель инициирует процесс, называемый RARP-запросом, который поможет определить ему свой IP-адрес. Устройство создает пакет RARP-запроса и отправляет его через сеть. Для того чтобы все устройства в сети могли получить пакеты RARP-запроса, используется широковещательный МАС-адрес.
Протокол RARP использует тот же формат пакета, что и протокол ARP. Однако значения МАС-заголовка и кода операции для RARP-запроса отличаются от аналогичных полей ARP-запроса. Формат пакета RARP содержит позиции для МАС-адресов отправителя и получателя, поле IP-адреса отправителя пусто. Широковещательный запрос адресуется всем абонентам в сети, для этого адрес получателя состоит из одних единиц. Станция, использующая протокол RARP, содержит в своем ПЗУ программный код, который запускает процесс поиска адреса RARP.
Назначение и функции сетевых устройств: хабы, свичи, маршрутизаторы.
• Концентраторы (хабы).многопортовый повторитель сети с автосегментацией. Все порты концентратора равноправны. Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты. При этом, если на каком-либо из портов обнаружена неисправность, то этот порт автоматически отключается (сегментируется), а после ее устранения снова делается активным. Концентраторы можно использовать как автономные устройства или соединять друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая более сложные топологии. Кроме того, возможно их соединение магистральным кабелем в шинную топологию. Автосегментация необходима для повышения надежности сети.
Назначение концентраторов - объединение отдельных рабочих мест в рабочую группу в составе локальной сети. Концентрируют соединения локальной сети и позволяют использовать в качестве среды передачи данных витую пару.
• Мосты.Подключают сегменты локальной сети и помогают фильтровать трафик. Это сетевое устройство 2 уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов (подсети) компьютерной сети разных топологий и архитектур. В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов). В настоящее время мосты практически не используются (так как для работы требуют производительный процессор).
Мост обеспечивает:
ограничение домена коллизий
задержку фреймов, адресованных узлу в сегменте отправителя
ограничение перехода из домена в домен ошибочных фреймов:
• Коммутаторы (свичи) Ethernet.Обеспечивают сегментам и настольным системам полнодуплексную связь и выделенную полосу пропускания.
устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Коммутатор работает на канальном (2) уровне модели OSI и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.
• Маршрутизаторы.Обеспечивают большое количество сервисов, включая организацию взаимодействия сетей и управление широковещанием. Это сетевое устройство, пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором. Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на более высоком «сетевом» уровне 3 сетевой модели OSI, нежели коммутатор и сетевой мост.
Глобальные сети – WAN. Протоколы.
Глобальные сети работают за пределами географических возможностей ЛВС, используя последовательные соединения различных типов для обеспечения связи в пределах значительных географических областей.
Протоколы физического уровня WANописывают, как обеспечить электрическое, механическое, операционное и функциональное подключение к WAN-сервисам. Как правило, эти сервисы предоставляютсяпровайдерами услуг глобальной сети (WAN service providers),например, региональными и национальными операторами связи, почтовыми, телефонными и телеграфными агентствами.
Протоколы канального уровня WANописывают, каким образом кадры переносятся между системами по одному каналу передачи данных. Они включают протоколы, обеспечивающие работу через службы двухточечной и многоточечной связи, а также службу множественного доступа по коммутируемым каналам типаFrameRelay.
Существует несколько методов канальной инкапсуляции, связанных с линиями синхронной последовательной передачи данных :
• HDLC(High-levelDataLinkControl— высокоуровневый протокол управления каналом).
• Frame Relay.
• РРР (Point-to-PointProtocol— протокол связи "точка-точка").
• ISDN.
HDLC— это битово-ориентированный протокол, разработанный Международной организацией по стандартизации (ISO).HDLCописывает метод инкапсуляции в каналах синхронной последовательной связи с использованием символов кадров и контрольных сумм. HDLC является ISO-стандартом, реализации которого различными поставщиками могут быть несовместимы между собой по причине различий в способах его реализации, и поэтому этот стандарт не является общепринятым для глобальных сетей. Протокол HDLC поддерживает как двухточечную, так и многоточечную конфигурации.
FrameRelayпредусматривает использование высококачественного цифрового оборудования. Используя упрощенный механизм формирования кадров без коррекции ошибок,FrameRelayможет отправлять информацию канального уровня намного быстрее, чем другие протоколы глобальных сетей.FrameRelayявляется стандартным протоколом канального уровня при организации связи по коммутируемым каналам, позволяющим работать сразу с несколькими виртуальными каналами, в которых используется инкапсуляция по методуHDLC.
РРР обеспечивает соединение маршрутизатор—маршрутизатор и хост-сеть как по синхронным, так и по асинхронным каналам. РРР содержит поле типа протокола для идентификации протокола сетевого уровня.
ISDNявляется набором цифровых сервисов для передачи голоса и данных. Разработанный телефонными компаниями, этот протокол позволяет передавать по телефонным сетям данные, голос и другие виды графика.