5.3. Межсетевые технологии и протоколы
Согласование глобальных сетей между собой, а также с локальными сетями осуществляется в основном на сетевом и транспортном уровнях. Исторически сложилось и в настоящее время существует два основных подхода к обеспечению межсетевого взаимодействия:
объединение сетей в рамках сети Интернет в соответствии с межсетевым протоколом IP;
объединение сетей коммутации пакетов (Х.25) в соответствии с Рекомендацией МККТТ X.75.
Основное различие в этих подходах заключается в следующем: протокол IP относится к протоколам без установления логического соединения (дейтаграммным), а Рекомендация Х.75 предполагает организацию виртуального соединения (канала). Становление глобальных компьютерных сетей тесно связано с сетью Интернет, в рамках которой были реализованы и апробированы основные принципы и протоколы межсетевых соединений.
С сетью Интернет связано появление новой группы протоколов, так называемых межсетевых протоколов или IP-протоколов (сокращение от Internet Protocol). Территориально располагаясь на сетевом уровне Эталонной модели, межсетевой протокол согласовывает транспортную и сетевую службы различных компьютерных сетей.
Интернет - обширная, разветвленная сеть, которая включает в себя компьютерные узлы, разбросанные по всему миру. Абонентами этой сети являются сотни миллионов человек по всему миру. Согласно некоторым источникам, Интернет охватила более 100 стран. В 1969 г. Министерство обороны США создало Агентство передовых исследовательских проектов (ARPA – Advanced Research Project Agency) для решения задачи создания коммуникационной сети, позволяющей передавать сообщения адресату в случае ее частичного разрушения. В 1983 г. из сети ARPAnet была выделена MILNET – для военных целей. Обе сети оставались связанными, так что пользователи могли обмениваться информацией – так и образовалась Интернет. В 1986 г. сотрудники Национального научного фонда США создали NSFNET для соединения нескольких суперкомпьютеров по всей стране, в результате чего ARPAnet прекратила свое существование, а NSFNET стала основой для существующей ныне Интернет. Дальнейшее развитие Интернет подобно взрыву: сегодня в сети работает более девяти миллионов компьютеров.
По мере развития различных компьютерных сетей стала очевидной потребность в их объединении. В связи с этим, начиная с 1973 г., агентство ARPA начало осуществлять программу Internetting Project. Ее целью было определить, как связать сети между собой с учетом того, что каждая из них использует различные протоколы передачи информации. Для этой цели в рамках Интернет был предложен протокол ТСР/IР (Transmission Control Protocol/Internet Ргоtосо1). В 1983 г. было принято решение об использовании протокола ТСР/IР на всех узловых машинах ARPANET. Таким образом, был установлен стандарт, согласно которому смогла развиваться сеть Интернет. С этого момента стало возможным подсоединять к ней новые компьютерные сети без изменения первоначального ядра сети.
Основные возможности Интернет - технологий:
- создание Web-страниц на языках HTML, VRML;
- распространение через сеть справочной информации, включая руководства и полные программы через Web;
- разработка сценариев, позволяющих создавать анимационные Web-страницы;
- создание мультимедийных приложений внутри Web-страниц;
- проведение видео- и других типов конференций в реальном масштабе времени и др.
Интернет также обеспечивает возможность выполнения ряда других функций, перечисленных ниже:
Электронная почта, позволяющая отправлять и принимать сообщения по конкретному адресу. Для общения с почтовым сервером программа-клиент электронной почты использует протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – для отправки почты, а POP3 (Post Office Protocol version 3) – для получения.
Программа чтения новостей USENet, помогающая определить нужную конференцию и регулярно получать обновляемую информацию по выбранным темам.
Передача и прием файлов FTP (File Transfer Protocol) – стандартный способ передачи файлов в Интернет.
Создание гипертекстовых документов Word Wide Web. Язык HTML (Hyper Text Markup Language), определяющий, как выводятся на экран текст и графика, какие используются шрифты, какие поля ввода данных изображены и как определяются связи с другими Web-страницами. Для передачи гипертекста используется протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Каждая Web- страница имеет свой адрес, называемый URL (Uniform Resource Locator – универсальный локатор ресурса). Следующим шагом явился язык моделирования виртуальной реальности VRML (Virtual Reality Modeling Language), позволяющий моделировать в Web трехмерные объекты.
Прослушивание звука в Web по мере того, как аудиофайлы присылаются на компьютер. Такую возможность реализует программа Real Audio Player. С помощью нее можно прослушивать радио, музыку и различные звуковые сообщения, не ожидая окончания загрузки аудиофайла.
Просмотр документов в PDF-формате. Программа Abobe Acrobat позволяет просматривать документы правительственных и коммерческих организаций, распространяемых в Web в форме бумажных документов.
Создание объектов ActiveX. Это небольшие программы, которые могут вставляться в Web-страницы. При просмотре такой страницы Web-броузер пытается загрузить и запустить любые программы, находящиеся на ней.
Аналог телефонного разговора IRC (Internet Relay Chat) позволит организовать беседу с помощью клавиатуры.
Для входа в сеть Интернет необходима специальная программа просмотра Web-страниц – Web-browser. Самыми распространенными такими программами являются Microsoft Internet Explorer и Netscape Navigator.
В настоящее время Интернет в действительности превратилась в многопротокольную сеть, интегрирующую другие стандарты. Основные среди них - протоколы Эталонной модели взаимодействия открытых систем, предложенные Международной организацией по стандартизации. В первую очередь это касается протоколов сетей коммутации пакетов (Х.25). Хотя Х.25 и ТСР/IР - разные протоколы, идея, лежащая в их основе, одна и та же: данные транспортируются к месту своего назначения в виде пакетов с четко указанными адресами.
Собственно протокол ТСР/IР состоит из двух протоколов: ТСР и IР. Протокол ТСР является стандартным транспортным протоколом и представляет сервис для надежной передачи информации между клиентами сети. В свою очередь протокол IР обеспечивает сервис доставки пакетов между узлами сети Интернет. Протокол IР отвечает за адресацию сетевых узлов. В процессе своего функционирования протокол IР постоянно взаимодействует с протоколом межсетевых управляющих сообщений (ICMP – сокращение от Internet Control Massage Protocol), образуя с ним так называемый межсетевой модуль (IР-модуль). Естесственно, что IР-модуль должен быть реализован как в шлюзах, так и в подключаемых к ним абонентских системах (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Расположение IР-модулей в элементах корпоративной сети
При передаче информации из абонентской системы одной подсети в абонентскую систему другой подсети, например, из абонентской системы 1 в абонентскую систему 2, осуществляются следующие процедуры. Абонентская система – отправитель средствами транспортного уровня делит полученный блок данных на сегменты, добавляя к каждому из них заголовок и порядковый номер. Сформированные таким образом дейтаграммы поступают на IР-модуль, где они упаковываются в IР-пакеты. Затем IР-пакеты обрабатываются модулем сетевых протоколов подсети А. Состав модуля сетевых протоколов определяется типом используемой подсети, например для подсети Ethernet такими протоколами являются IEEE 802.2 и 802.3. Модуль сетевых протоколов формирует соответствующий кадр данных, помещая в него IР-пакет. В соответствии с протоколом канального уровня подсети кадр передается шлюзу, подключенному к абонентской системе 1. Получив кадр данных, шлюз с помощью модуля сетевых протоколов извлекает из него IР-пакет, который затем обрабатывается IP-модулем. Затем с помощью модуля сетевых протоколов формируется новый кадр данных, при этом определяется адрес следующего шлюза или, как в данном случае, - адрес получателя. Формат кадра данных и содержимое его заголовка определяются протоколами канального уровня подсети В и, естественно, могут отличаться от исходных. Достигнув адресата, кадр данных последовательно распаковывается, а именно: из него извлекается IР-пакет, дейтаграмма и исходный блок данных.
Универсальность данной схемы взаимодействия систем заключается в том, что одноименные модули в различных системах взаимодействуют между собой как бы напрямую, аналогично взаимодействию протоколов в рамках Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Таким образом, различие в протоколах модуля сетевого управления не сказывается на IP-протоколах и наоборот.
Протоколы ТСР и IP располагаются в середине Эталонной модели взаимодействия открытых систем и тесно связаны с протоколами других уровней. В связи с этим термин "ТСР\IP" обычно охватывает все, что связано с протоколами ТСР и IP. Сюда входит целое семейство протоколов, прикладные программы и даже сама сеть.
Протокол UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм является одним из двух основных протоколов, расположенных непосредственно над протоколом IP. Он предоставляет прикладным процессам ограниченный набор транспортных услуг, обеспечивая ненадежную доставку дейтаграмм. Протокол UDP использует такие сетевые приложения, как NFS (Network File System - сетевая файловая система) и SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).
В отличие от UDP, протокол ТСР обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений в виде потоков байт.
Протокол Telnet является протоколом эмуляции терминала и позволяет рассматривать все удаленные терминалы как стандартные "сетевые виртуальные терминалы". Протокол FTP (File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) позволяет пользователю просмотреть каталог удаленного компьютера, скопировать один или нескольких файлов.
Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи почты) поддерживает передачу электронной почты между произвольными узлами сети Интернет.
Протокол ARP (Address Resolution Protocol - протокол разрешения адресов) осуществляет преобразование (отображение) IP-адресов в Ethernet адреса. Обратное преобразование осуществляется с помощью протокола RARP (Reverse Address Resolution Protocol - обратный протокол разрешения адресов).
Последовательность протоколов, непосредственно участвующих в передаче информации, называется стеком протоколов или протокольным стеком. Например, при передаче файлов через сеть Ethernet протокольный стек содержит: FTP/TCP/IP/IEEE 802.3 протоколы.
В глобальной сети важную роль играют механизмы преобразования физических адресов конкретной сети в межсетевые (Интернет) адреса и обратно. В рамках каждой отдельной сети абонентские системы взаимодействуют между собой на канальном уровне, используя для этого свою систему адресации. Так, физический адрес в сети Ethernet задается 6-байтовым числовым значением, каждый байт записывается в шестнадцатиричной системе счисления и отделяется двоеточием, например 07:01:А0:47:54:С3.
Для обеспечения условия "открытости" систем межсетевые адреса, называемые IP-адресами, являются логическими и не зависят от аппаратуры или конфигурации сети. IP-адрес состоит из четырех десятичных цифр (каждая по величине не больше 255), отделенных друг от друга точками, например 192.33.33.22. Крайнее слева число обозначает базовую сеть, числа, которые стоят правее, указывают на более мелкие участки внутри этой сети и так до адреса конкретного компьютера. Для облегчения запоминания адресов широко используется их именное обозначение, называемое доменным. Преобразование домена в цифровой адрес осуществляется автоматически при маршрутизации сообщения. Доменные имена обладают постоянной структурой, опираясь на которую можно понять, к чему они относятся. Система доменных имен (DNS), описывающая компьютеры и организации, в которых они установлены, устроена зеркально по отношению к цифровой IP-адресации. Если в IP-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она стоит справа (например, Интернет-адрес Академии ГПС – agps@post.mos.ru).
Как было сказано выше, IР-пакет помещается в физический кадр той сети, по которой он в настоящий момент передается. IР-пакет содержит межсетевой адрес узла-получателя, в свою очередь, сетевой кадр данных должен содержать физический адрес узла-получателя. Особую актуальность приобретает механизм преобразования (отображения) адресов для широковещательных сетей, таких как Ethernet, Token Ring и им подобных. Эта процедура реализуется с помощью протокола ARP. Перед началом передачи IP-пакета узел должен определить, какой физический адрес в сети соответствует адресу получателя, заданному в IP-пакете. Для этого узел посылает широковещательный пакет ARP, содержащий IP-адрес получателя. После этого он ожидает ответ от узла с данным IP-адресом. Получатель посылает информационный кадр с указанием своего физического адреса. С целью сокращения времени передачи пакетов и уменьшения числа широковещательных запросов каждый узел содержит кэш-память, в которой хранится таблица разрешения адресов. С помощью этой таблицы задается соответствие между физическими и IP-адресами. Сначала физический адрес ищется в таблице разрешения адресов. Если узел находит соответствующий физический адрес для IP-пакета, то он использует его для обращения к получателю. В противном случае узел запускает процедуру ARP, по завершению которой осуществляется соответствующая коррекция таблицы разрешения адресов.
В последнее время возрос интерес к технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode), обеспечивающей высокоскоростную передачу информации в рамках глобальных и локальных сетей. По сравнению с сетями типа FDDI и Fast Ethernet, технология АТМ предполагает увеличение скорости в основном за счет более эффективных протоколов и процедур обмена информацией. АТМ предлагает более гибкий выбор условий передачи, определяемый характером пересылаемой информации. Так, файлы данных передаются с достаточно высокой степенью точности, а при передаче видеосигналов допускается незначительная потеря информации в рамках допустимой точности отображения сигналов.
Сети АТМ рассчитаны на скорость передачи данных от 52 Мбит/с до 2,4 Гбит/с. Передача информации осуществляется с помощью относительно коротких кадров фиксированной длины (53 байта). Структура кадра достаточно проста: 5 байтов отводится под заголовок, а остальные 48 байтов для данных. Заголовок содержит информацию о соединении от одной точки к другой. Конечный адрес назначения и контрольная последовательность кадра отсутствуют. 20-байтовыми адресами источник и получатель обмениваются только в момент установления логического соединения. Передача кадров через коммутаторы АТМ осуществляется на основе идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала, определяющих организованные виртуальные соединения.
Контрольная сумма считается ненужной, поскольку используются высококачественные каналы передачи данных. Предполагается, что при необходимости контроль достоверности передачи реализуется на более верхних уровнях Эталонной модели взаимодействия открытых систем.