Стандартные сетевые протоколы

Протоколы – это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы в результате передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.

О протоколах нижних уровней (физического и канального), относящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В частности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, а также управления обменом в сети. Подробнее некоторые из них будут изложены в лекциях, посвященных стандартным сетям. А сейчас следует остановиться на особенностях протоколов более высоких уровней, реализуемых программно.

Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуществляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу компьютер может не знать никаких аппаратных особенностей адаптера (его адресов, правил обмена с ним, его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным взаимодействие программных средств высокого уровня с любым адаптером данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково работать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют функции канального уровня, хотя иногда они реализуют и часть функций сетевого уровня (рис. 6.1). Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу, информируют компьютер о приеме пакета.

Рис. 6.1. Функции драйвера сетевого адаптера в модели OSI

Качество написания программы драйвера во многом определяет эффективность работы сети в целом. Даже при самых лучших характеристиках сетевого адаптера некачественный драйвер может резко ухудшить обмен по сети.

Прежде чем приобрести плату адаптера, необходимо ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в перечень HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше его не покупать.

Протоколы высоких уровней.

Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, стеков ) протоколов, получивших сейчас широкое распространение:

• набор протоколов ISO/OSI;
• IBM System Network Architecture (SNA);
• Digital DECnet;
• Novell NetWare;
• Apple AppleTalk;
• набор протоколов глобальной сети Интернет, TCP/IP.

Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь, как уже отмечалось, модель OSI используется для любой открытой системы: на базе как локальной, так и глобальной сети или комбинации локальной и глобальной сетей.

Протоколы перечисленных наборов делятся на три основных типа:

• Прикладные протоколы (выполняющие функции трех верхних уровней модели OSI – прикладного, представительского и сеансового);
• Транспортные протоколы (реализующие функции средних уровней модели OSI – транспортного и сетевого);
• Сетевые протоколы (осуществляющие функции трех нижних уровней модели OSI).

Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. Наиболее популярны:

• FTAM (File Transfer Access and Management) – протокол OSI доступа к файлам;
• X.400 – протокол CCITT для международного обмена электронной почтой;
• Х.500 – протокол CCITT служб файлов и каталогов на нескольких системах;
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол глобальной сети Интернет для обмена электронной почтой;
• FTP (File Transfer Protocol) – протокол глобальной сети Интернет для передачи файлов;
• SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компонентов и управления ими;
• Telnet – протокол глобальной сети Интернет для регистрации на удаленных серверах и обработки данных на них;
• Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Microsoft;
• NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Novell.

Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярные из них следующие:

• TCP (Transmission Control Protocol) – часть набора протоколов TCP/IP для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;
• SPX – часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложенных компанией Novell;
• NWLink – реализация протокола IPX/SPX компании Microsoft;
• NetBEUI – (NetBIOS Extended User Interface, расширенный интерфейс NetBIOS) – устанавливает сеансы связи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI).

Сетевые протоколы управляют адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запросами на повторную передачу. Широко распространены следующие из них:

• IP (Internet Protocol) – TCP/IP-протокол для негарантированной передачи пакетов без установления соединений;
• IPX (Internetwork Packet Exchange) – протокол компании NetWare для негарантированной передачи пакетов и маршрутизации пакетов;
• NWLink – реализация протокола IPX/SPX компании Microsoft;
• NetBEUI – транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспортировки данных для сеансов и приложений NetBIOS.

Все перечисленные протоколы могут быть поставлены в соответствие тем или иным уровням эталонной модели OSI. Но при этом надо учитывать, что разработчики протоколов не слишком строго придерживаются этих уровней. Например, некоторые протоколы выполняют функции, относящиеся сразу к нескольким уровням модели OSI, а другие – только часть функций одного из уровней. Это приводит к тому, что протоколы разных компаний часто оказываются несовместимы между собой. Кроме того, протоколы могут быть успешно использованы исключительно в составе своего набора протоколов (стека протоколов), который выполняет более или менее законченную группу функций. Как раз это и делает сетевую операционную систему "фирменной", то есть, по сути, несовместимой со стандартной моделью открытой системы OSI.

В качестве примера на рис. 6.2, рис. 6.3 и рис. 6.4 схематически показано соотношение протоколов, используемых популярными фирменными сетевыми операционными системами, и уровней стандартной модели OSI. Как видно из рисунков, практически ни на одном уровне нет четкого соответствия реального протокола какому-нибудь уровню идеальной модели. Выстраивание подобных соотношений довольно условно, так как трудно четко разграничить функции всех частей программного обеспечения. К тому же компании-производители программных средств далеко не всегда подробно описывают внутреннюю структуру продуктов.

Теперь следует подробнее рассмотреть некоторые наиболее распространенные протоколы.

Модель OSI допускает два основных метода взаимодействия абонентов в сети:

• Метод взаимодействия без логического соединения (или метод дейтаграмм ).
• Метод взаимодействия с логическим соединением.

Метод дейтаграмм – это простейший метод, в котором каждый пакет рассматривается как самостоятельный объект (рис. 6.5).

Пакет при этом методе передается без установления логического канала, то есть без предварительного обмена служебными пакетами для выяснения готовности приемника, а также без ликвидации логического канала, то есть без пакета подтверждения окончания передачи. Дойдет пакет до приемника или нет – неизвестно (проверка факта получения переносится на более высокие уровни).

Метод дейтаграмм предъявляет повышенные требования к аппаратуре (так как приемник всегда должен быть готов к приему пакета). Достоинства метода в том, что передатчик и приемник работают независимо друг от друга, к тому же пакеты могут накапливаться в буфере и затем передаваться вместе, можно также использовать широковещательную передачу, то есть адресовать пакет всем абонентам одновременно. Недостатки метода – это возможность потери пакетов, а также бесполезной загрузки сети пакетами в случае отсутствия или неготовности приемника.

Метод с логическим соединением (рис. 6.6, рис. 4.5) разработан позднее, чем метод дейтаграмм, и отличается усложненным порядком взаимодействия.

При этом методе пакет передается только после того, как будет установлено логическое соединение (канал) между приемником и передатчиком. Каждому информационному пакету сопутствует один или несколько служебных пакетов (установка соединения, подтверждение получения, запрос повторной передачи, разрыв соединения). Логический канал может устанавливаться на время передачи одного или нескольких пакетов.

Рис. 6.2. Соотношение уровней модели OSI и протоколов сети Интернет

Рис. 6.3. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы Windows Server

Рис. 6.4. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы NetWare

Рис. 6.5. Метод дейтаграмм

Рис. 6.6. Метод с логическим соединением

Метод с логическим соединением, как уже говорилось, более сложен, чем метод дейтаграмм, но гораздо надежнее, поскольку к моменту ликвидации логического канала передатчик уверен, что все его пакеты дошли до места назначения, причем дошли успешно. Не бывает при данном методе и перегрузки сети из-за бесполезных пакетов. Недостаток метода с логическим соединением состоит в том, что довольно сложно разрешить ситуацию, когда принимающий абонент по тем или иным причинам не готов к обмену, например, из-за обрыва кабеля, отключения питания, неисправности сетевого оборудования, сбоя в компьютере. При этом требуется алгоритм обмена с повторением неподтвержденного пакета заданное количество раз, причем важен и тип неподтвержденного пакета. Не может этот метод передавать широковещательные пакеты (то есть адресованные всем абонентам), так как нельзя организовать логические каналы сразу со всеми абонентами.

Примеры протоколов, работающих по методу дейтаграмм — это протоколы IP и IPX.

Примеры протоколов, работающих по методу с логическим соединением – это TCP и SPX.

Именно для того, чтобы объединить достоинства обоих методов, эти протоколы используются в виде связанных наборов: TCP/IP и IPX/SPX, в которых протокол более высокого уровня (TCP, SPX), работающий на базе протокола более низкого уровня (IP, IPX), гарантирует правильную доставку пакетов в требуемом порядке.

Протоколы IPX/SPX, разработанные компанией Novell, образуют набор (стек), используемый в сетевых программных средствах довольно широко распространенных локальных сетей Novell (NetWare). Это сравнительно небольшой и быстрый протокол, поддерживающий маршрутизацию. Прикладные программы могут обращаться непосредственно к уровню IPX, например, для посылки широковещательных сообщений, но значительно чаще работают с уровнем SPX, гарантирующим быструю и надежную доставку пакетов. Если скорость не слишком важна, то прикладные программы применяют еще более высокий уровень, например, протокол NetBIOS, предоставляющий удобный сервис. Компанией Microsoft предложена своя реализация протокола IPX/SPX, называемая NWLink. Протоколы IPX/SPX и NWLink поддерживаются операционными системами NetWare и Windows. Выбор этих протоколов обеспечивает совместимость по сети любых абонентов с данными операционными системами.

Набор (стек) протоколов TCP/IP был специально разработан для глобальных сетей и для межсетевого взаимодействия. Он изначально ориентирован на низкое качество каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот протокол принят во всемирной компьютерной сети Интернет, значительная часть абонентов которой подключается по коммутируемым линиям (то есть обычным телефонным линиям). Как и протокол IPX/SPX, протокол TCP/IP также поддерживает маршрутизацию. На его основе работают протоколы высоких уровней, такие как SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP —более низкая скорость работы, чем у IPX/SPX. Однако сейчас протокол TCP/IP используется и в локальных сетях, чтобы упростить согласование протоколов локальных и глобальных сетей. В настоящее время он считается основным в самых распространенных операционных системах.

В стек протоколов TCP/IP часто включают и протоколы всех верхних уровней (рис. 6.7). И тогда уже можно говорить о функциональной полноте стека TCP/IP.

Как протокол IPX, так и протокол IP являются самыми низкоуровневыми протоколами, поэтому они непосредственно инкапсулируют свою информацию, называемую дейтаграммой, в поле данных передаваемого по сети пакета (см. рис. 4.6). При этом в заголовок дейтаграммы входят адреса абонентов (отправителя и получателя) более высокого уровня, чем MAC-адреса, – это IPX-адреса для протокола IPX или IP-адреса для протокола IP. Эти адреса включают номера сети и узла, хоста (индивидуальный идентификатор абонента). При этом IPX-адреса (рис. 6.8) более простые, имеют всего один формат, а в IP-адрес (рис. 6.9) могут входить три формата (класса A, B и C), различающиеся значениями трех начальных битов.

Рис. 6.7. Соотношение уровней модели OSI и стека протоколов TCP/IP

Рис. 6.8. Формат IPX- адреса

Рис. 6.9. Форматы IP-адреса

Интересно, что IP-адрес не имеет никакой связи с MAC-адресами абонентов. Номер узла в нем присваивается абоненту независимо от его MAC-адреса. В качестве идентификатора станции IPX-адрес включает в себя полный MAC-адрес абонента.

Номер сети – это код, присвоенный каждой конкретной сети, то есть каждой широковещательной области общей, единой сети. Под широковещательной областью понимается часть сети, которая прозрачна для широковещательных пакетов, пропускает их беспрепятственно.

Протокол NetBIOS (сетевая базовая система ввода/вывода) был разработан компанией IBM для сетей IBM PC Network и IBM Token-Ring по образцу системы BIOS персонального компьютера. С тех пор этот протокол стал фактическим стандартом (официально он не стандартизован), и многие сетевые операционные системы содержат в себе эмулятор NetBIOS для обеспечения совместимости. Первоначально NetBIOS реализовывал сеансовый, транспортный и сетевой уровни, однако в последующих сетях на более низких уровнях используются стандартные протоколы (например, IPX/SPX), а на долю эмулятора NetBIOS остается только сеансовый уровень. NetBIOS обеспечивает более высокий уровень сервиса, чем IPX/SPX, но работает медленнее.

На основе протокола NetBIOS был разработан протокол NetBEUI, который представляет собой развитие протокола NetBIOS до транспортного уровня. Однако недостаток NetBEUI состоит в том, что он не поддерживает межсетевое взаимодействие и не обеспечивает маршрутизацию. Поэтому данный протокол используется только в простых сетях, не рассчитанных на подключение к Интернет. Сложные сети ориентируются на более универсальные протоколы TCP/IP и IPX/SPX. Протокол NetBEUI в настоящее время считается устаревшим, хотя даже в операционной системе Windows XP предусмотрена его поддержка, правда, только как дополнительная опция.

Наконец, упоминавшийся уже набор протоколов OSI – это полный набор (стек) протоколов, где каждый протокол точно соответствует определенному уровню стандартной модели OSI. Набор содержит маршрутизируемые и транспортные протоколы, серии протоколов IEEE 802, протокол сеансового уровня, представительского уровня и несколько протоколов прикладного уровня. Пока широкого распространения этот набор протоколов не получил, хотя он и полностью соответствует эталонной модели OSI.