Компьютерные сети. Топология сетей

Локальная сеть (LAN) – сеть расположенная в отдельном здании или группе рядом стоящих зданий.

Локальная сеть - позволяет пользователям не замечать связи. Еще можно сказать, что локальная сеть должна обеспечивать прозрачную связь. По сути, компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам, входящим непосредственно в каждый отдельный компьютер.

MAN

• Городские, региональные сети (MAN, Metropolitan Area Network) - обычно по своим характеристикам ближе к глобальным сетям, хотя иногда все-таки имеют некоторые черты локальных сетей, например, высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости передачи. В принципе городская сеть может быть локальной со всеми ее преимуществами.
• Первоначально сети мегаполисов были разработаны только для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста (например IP телефония).

WAN

• Глобальная сеть - (Wide Area Network - WAN) - компьютерная сеть, которая объединяет территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и даже странах.

• В глобальных сетях, конечно, не развернешься на покупку дорогих высококачественных линий связи. Поэтому чаще всего используются уже существующие линий связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения, с использованием спутниковых линий. Но такие линии имеют существенно более низкие скорости.
• Тенденция к увеличению пропускной способности каналов

Основные понятия

• Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети.
• Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам и обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый мощный компьютер.
• Выделенный (dedicated) сервер — это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера — это сервер печати, файловый сервер, контроллер домена .
• Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.

Аппаратные средства

Физическое устройство передающих каналов

¨ экранированная витая пара ,

¨ витая пара,

¨ коаксиальный кабель,

¨ оптоволокно,

¨ беспроводные сети (ИК, радио, спутниковые)

Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии (звезда, кольцо), назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации (без коммутации, телефонная коммутация, коммутация цепей, сообщений, пакетов и диаграмм и т. д.), видам среды передачи и т. д.

Существует два основных принципа управления в локальных сетях: централизация и децентрализация. Согласно этим принципам локальные сети бывают одноранговыми и серверными.

Одноранговая сеть - сеть, в которой компьютеры равноправны. Пользователь каждого компьютера самостоятельно решает вопрос о предоставлении доступа к своим ресурсам другим пользователям сети. Это наиболее простой вариант сети, не требующий особых профессиональных знаний. Установка такой сети не занимает много времени.

Серверная сеть - сеть с компьютерами, выполняющими разные роли.

Конфигурация соединения элементов в сеть (топология) во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т. д.

Топология локальных сетей

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.

Существует три базовые топологии сети:

· Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.5).

В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.

Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).

Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.

Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать.

. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.

Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.

При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.

Если принять, что сигнал в кабеле сети ослабляется до предельно допустимого уровня на длине L_пр, то полная длина шины не может превышать величины L_пр. В этом смысле шина обеспечивает наименьшую длину по сравнению с другими базовыми топологиями.

Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов — репитеров или повторителей (на рис. 1.10 показано соединение двух сегментов, предельная длина сети в этом случае возрастает до 2 L_пр, так как каждый из сегментов может быть длиной L_пр). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.

Рис. 1.5. Сетевая топология шина

· Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 1.6). Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — одному или нескольким периферийным.

Рис. 1.6. Сетевая топология звезда

Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.

Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.

Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.

В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача точка-точка. Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов.

Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в звезде проще, чем в случае шины, ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети с топологией звезда может быть вдвое больше, чем в шине (то есть 2 L_пр), так как каждый из кабелей, соединяющий центр с периферийным абонентом, может иметь длину L_пр.

Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8—16 периферийных абонентов. В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).

Большое достоинство звезды состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два (каждый кабель передает в одном из двух встречных направлений), причем последнее встречается гораздо чаще.

Общим недостатком для всех топологий типа звезда является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию то при выборе топологии звезда понадобится в несколько раз больше кабеля, чем при топологии шина. Это существенно влияет на стоимость сети в целом и заметно усложняет прокладку кабеля.

· Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Сетевая топология кольцо

. Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.

Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.

Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.

На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.

Аппаратные средства

• СЕТЕВОЙ АДАПТЕР- устройство, служащее для подключения компьютера к локальной сети. Контролирует доступ к среде передачи данных и обмен данными между единицами сети.
• ПОВТОРИТЕЛЬ, РЕПИТЕР [repeater] - устройство, объединяющее два смежных сегмента. Репитер осуществляет восстановление и усиление сигналов в целях компенсации их затухания и искажения в канале связи. Использование повторителей позволяет увеличить протяженность локальной сети.

• КОНЦЕНТРАТОР[concentrator, hub] – многопортовый повторитель. Транслирует пакеты во все ветви сети.

• МУЛЬТИПЛЕКСОР [multiplexer] - устройство, обеспечивающее сопряжение (мультиплексирование) нескольких каналов передачи данных в один общий канал путем использования одного из методов цифрового мультиплексирования

• МОСТ [bridge] делит разделяемую среду передачи сети на логические сегменты, передавая информацию из одного сегмента в другой только если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров.

• СЕТЕВОЙ КОММУТАТОР(switch, switching hub) - концентратор, который может одновременно устанавливать соединения между несколькими парами портов и реализует виртуальные соединения между сетевыми сегментами. Транслирует пакеты в заданные ветви.
• МАРШРУТИЗАТОР [router] - устройство, предназначенное для обеспечения доступа к удаленным ЛВС и Интернет, а также организации связи между сетями и их взаимодействия. Выбор пути передачи данных в сложных вычислительных сетях производится с учетом адресов и местоположения абонентов.

Беспроводные сети.

Беспроводная среда постепенно входит в нашу жизнь. Как только технология окончательно сформируется, производители предложат широкий выбор продукции по приемлемым ценам, что приведет к росту спроса на нее, и к увеличению объема продаж. В свою очередь, это вызовет дальнейшее совершенствование и развитие беспроводной среды.

Словосочетание «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети. В действительности же обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой – как среда передачи – используется кабель. Такая сеть со смешанными компонентами называется гибридной.

В зависимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

Ø локальные вычислительные сети;

Ø расширенные локальные вычислительные сети;

Ø мобильные сети (переносные компьютеры).

Способы передачи:

Ø инфракрасное излучение;

Ø лазер;

Ø радиопередача в узком спектре (одночастотная передача);

Ø радиопередача в рассеянном спектре.

Кроме этих способов передачи и получения данных можно использовать мобильные сети, пакетное радиосоединение, сотовые сети и микроволновые системы передачи данных.

Сетевой протокол - набор правил и соглашений, используемый при передаче данных между компьютерами в сети.

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей протокол Интернета/протокол Интернета) - протокол (семейство протоколов), являющийся стандартом для передачи данных между сетями, в том числе в Интернете.

Протокол TCP (протокол управления передачей) разбивает информацию на порции (пакеты) и нумерует их. Затем протокол IP (протокол Интернета) добавляет к каждой порции служебную информацию с адресами отправителя и получателя и обеспечивает доставку всех пакетов.

Благодаря такому способу передачи информации, в Интернете, как и в обычной почте, нет понятия "занято" - каждый компьютер может одновременно принимать пакеты от большого количества других компьютеров. В этом случае нет необходимости устанавливать отдельный канал связи межу двумя компьютерами.

Протоколы и службы Интернета можно использовать и в рамках локальной сети. В этом случае такая сеть имеет название intranet(интрасеть).

Intranet - локальная сеть, в которой для передачи информации используются средства, программное обеспечение и протоколы Интернета.

Для объединения нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, используют специальные средства - шлюзы.

Шлюз - специальные средства (аппаратные или программные) для связи между собой локальных сетей, работающих по разным протоколам.

При любом виде соединения чрезвычайно важным фактором является безопасность. Интернет используют сотни миллионов людей и не все они исполнены добрых намерений. Поэтому для обеспечения сетевой безопасности между локальной и глобальной сетью устанавливают брандмауэр.

Брандмауэр - специальный компьютер или программа, препятствующая несанкционированному перемещению данных между сетями.

Брандмауэр предотвращает несанкционированный доступ к вашей сети, ограничивает входящий и исходящий трафик, распознает пользователей и регистрирует информацию о трафике.

Каждый компьютер сети имеет уникальное сетевое имя, позволяющее однозначно его идентифицировать. Для каждого пользователя серверной сети необходимо иметь свое сетевое имя и сетевой пароль. Имена компьютеров, сетевые имена и пароли пользователей прописываются на сервере.

Для удобства управления локальной компьютерной сетью, несколько компьютеров, имеющих равные права доступа, объединяют в рабочие группы.

Совокупность приемов разделения и ограничения прав доступа участников компьютерной сети к ресурсам называется политикой сети. Обеспечением работоспособности сети и ее администрированием занимается системный администратор - человек, управляющий организацией работы локальной сети.

Произвольная глобальная сеть может включать другие глобальные сети, локальные сети, а также отдельно подключаемые к ней компьютеры (удаленные компьютеры) или отдельно подключаемые устройства ввода-вывода. Глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве устройств ввода-вывода могут использоваться, например, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, дисплеи (терминалы) и факсы. Перечисленные элементы сети могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние

Эталонная модель OSI

1984 г - Международный Институт Стандартизации ISO (International Standart Organization) предложил модель OSI (model of Open System Interconnections)

Физический уровень

• имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал.
• относятся характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие.
• определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов.
• стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Канальный уровень

• одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи.
• другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра
• В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами (топология) и способы их адресации.
• В глобальных сетях канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов «точка-точка» могут служить широко распространенные протоколы РРР

Сетевой уровень

• служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей.
• сети соединяются между собой маршрутизаторами, пересылающими сетевые пакеты в сеть назначения
• маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет
• Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня.
• определяются два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Второй вид - протоколы маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений

Транспортный уровень

• обеспечивает приложениям или верхним уровням стека передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется

• Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов

Сеансовый уровень

• обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала.

Прикладной уровень

• набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты.
• единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message)

Организация взаимодействия между элементами сети является сложной задачей, поэтому ее разбивают на несколько более простых задач.

Международной организацией по стандартизации (ISO) был предложен стандарт, который покрывает все аспекты сетевой связи, — это модель взаимодействия открытых систем (OSI). Он был введен в конце 1970-х.

Открытая система — это стандартизированный набор протоколов и спецификаций, который гарантирует возможность взаимодействия оборудования различных производителей. Она реализуется набором модулей, каждый из которых решает простую задачу внутри элемента сети. Каждый из модулей связан с одним или несколькими другими модулями. Решение сложной задачи подразумевает определенный порядок следования решения простых задач, при котором образуется многоуровневая иерархическая структура на рис. 1.2.. Это позволяет любым двум различным системам связываться независимо от их основной архитектуры.

Рис. 1.2. Модель взаимодействия открытых систем OSI

Модель OSI составлена из семи упорядоченных уровней: физического (уровень 1), звена передачи данных (уровень 2), сетевого (уровень 3), транспортного (уровень 4), сеансового (уровень 5), представления (уровень 6) и прикладного (уровень 7).

Обмен информацией между модулями происходит на основе определенных соглашений, которые называются интерфейсом. При передаче сообщения модуль верхнего уровня решает свою часть задачи, а результат, понятный только ему, оформляет в виде дополнительного поля к исходному сообщению (заголовка) и передает измененное сообщение на дообслуживание в нижележащий уровень. Этот процесс называется инкапсуляцией.

Заголовки добавляются к началу передаваемых данных, как это показано на рис. 1.2. в уровнях 6, 5, 4, 3 и 2. На уровне 2 кроме заголовков добавляются конечные метки (окончания). На уровне 1 полный комплект преобразуется к форме, которая может быть передана к приемному устройству.

С другой стороны, при приеме сообщения нижележащий уровень после обработки своей части сообщения удаляет его и оставшееся сообщение передает вышележащему уровню. Например, уровень 2 удаляет данные, предназначенные для него, затем передает остальные к уровню 3. Уровень 3 затем удаляет данные, предназначенные для него, и передает остальные к уровню 4, и так далее.

Прохождение данных и сетевой информации вниз через уровни устройства передачи и назад через уровни устройства приема делается возможным с помощью интерфейсов и протоколов между каждой парой смежных уровней.

Интерфейс определяет формат, физические и электрические свойства сигналов обмена между модулями различных уровней, а протокол описывает логические процедуры по обработке сообщения удаленному узлу сети равного уровня.

Четкие интерфейсы и протоколы обеспечивают модульность, реализация функций каждого уровня может быть обновлена или удалена, не требуя изменений уровней, находящихся выше или ниже его.

Семь уровней можно рассматривать, исходя из принадлежности их к трем подгруппам. Нижние уровни 1, 2 и 3 — физический, звена данных и сетевой — имеют дело с физическими аспектами данных, перемещающихся от одного устройства до другого (таких как электрические спецификации, физические подключения, физическая адресация и синхронизация передачи и надежность). Верхние уровни 5, 6 и 7 — сеансовый, представления и прикладной — позволяют обеспечивать способность к взаимодействию среди несвязанных программных систем. Уровень 4 — транспортный уровень — связывает эти две подгруппы и гарантирует, что более низкие уровни передачи находятся в формате, который верхние уровни могут использовать. Верхние уровни OSI почти всегда реализовывались в программном обеспечении; более низкие уровни — комбинация аппаратных средств и программного обеспечения, исключая физический уровень, который является главным образом аппаратным.

Краткие итоги

• Международная организация по стандартизации (ISO) создала модель, называемую взаимодействием открытых систем (OSI), которая позволяет связываться между собой разнообразным системам.
• Модель OSI с семью уровнями обеспечивает рекомендации для развития универсально совместимых протоколов организации сети.
• Физический, канальный и сетевой уровни – это уровни поддержки сети.
• Сеансовый, представительский и прикладной уровни — пользовательские уровни поддержки.
• Транспортный уровень связывает уровни поддержки сети и пользовательские уровни поддержки.
• Физический уровень координирует функции, для того чтобы передать битовый поток по физической среде.
• Канальный уровень предназначен для того, чтобы доставлять модули данных от одной станции до следующей без ошибок.
• Сетевой уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения" пакета через множество сетевых линий связи.
• Транспортный уровень отвечает за доставку "источник - пункт назначения" полного сообщения.
• Сеансовый уровень устанавливает, обслуживает и синхронизирует взаимодействие между средствами связи.
• Уровень представления гарантирует способность к взаимодействию между средствами связи с помощью преобразования данных во взаимно согласованные форматы.
• Прикладной уровень дает возможность пользователям обратиться к сети.
• TCP/IP — иерархический набор протокола с пятью уровнями, разработанный до модели OSI.
• Прикладной уровень TCP/IP эквивалентен объединению сеансового, представительного и прикладного уровней модели OSI.
• Три типа адресов используются системами, применяющими протокол TCP/IP: физический адрес, межсетевой адрес (адрес IP) и адрес порта.
• Физический адрес, также известный как адрес связи, является адресом узла, определяемым его LAN или WAN.
• Адрес IP уникально определяет хост в Интернете.
• Адрес порта идентифицирует процесс.
• IPv6, как предполагается, в ближайшем будущем заменит IPv4.

Стек протоколов TSP/IP

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.

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - Протокол управления передачей/Межсетевой протокол) был и остается протоколом, с помощью которого работает интернет. За то время, что интернет базировался на TCP/IP, он превратился в протокол, который используется в сетях любых конфигураций и размеров. В этой лекции исследуется протокол TCP/IP и возможность его применения в сети, работающей под операционной системой Windows XP Professional.   TCP/IP Вся прелесть протокола TCP/IP заключается в том, что он позволяет обмениваться информацией между компьютерами, работающими в разных операционных системах. Например, Novell NetWare умеет "разговаривать" на языке TCP/IP, как и Windows XP Professional. TCP/IP разработан DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) в 1970-х годах. Целью его разработки являлось создание возможности для обмена информацией между различными компьютерами, независимо от их местоположения. С самого начала TCP/IP разрабатывался на компьютерах UNIX, что способствовало росту популярности протокола, так как производители включали TCP/IP в набор программного обеспечения каждого UNIX-компьютера. TCP/IP находит свое отображение в эталонной модели OSI, как это показано на рисунке 3.1. Вы видите, что TCP/IP располагается на третьем и четвертом уровнях модели OSI. Смысл этого состоит в том, чтобы оставить технологию работы LAN разработчикам. Целью TCP/IP является передача сообщений в локальных сетях любого типа и установка связи с помощью любого сетевого приложения. Протокол TCP/IP функционирует за счет того, что он связан с моделью OSI на двух самых нижних уровнях - на уровне передачи данных и физическом уровне. Это позволяет TCP/IP находить общий язык практически с любой сетевой технологией и, как результат, с любой компьютерной платформой. TCP/IP включает в себя четыре абстрактных уровня, перечисленных ниже. Стек протоколов TCP/IP соответствует эталонной модели OSI Сетевой интерфейс. Позволяет TCP/IP активно взаимодействовать со всеми современными сетевыми технологиями, основанными на модели OSI. Межсетевой. Определяет, как IP управляет пересылкой сообщений через маршрутизаторы сетевого пространства, такого как интернет. Транспортный. Определяет механизм обмена информацией между компьютерами. Прикладной. Указывает сетевые приложения для выполнения заданий, такие как пересылка, электронная почта и прочие. Для того чтобы при обмене данными компьютеры, объединенные в сеть, действовали согласованно, разработан ряд стандартов и правил, называемых протоколами. Весь набор сетевых протоколов, на которых базируется Интернет, называется TCP/IP. Название образовано из аббревиатур двух базовых протоколов – TCP, отвечающего за гарантированную транспортировку данных по каналам связи, и IP, содержащего правила адресации. Протоколы, входящие в семейство TCP/IP, разделяются на уровни: • физический уровень описывает среду передачи данных (будь то кабель, оптоволокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние); • канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (т.е. специальные последовательности битов, определяющих начало и конец пакета данных). Примеры протоколов канального уровня – Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS; • сетевой уровень изначально разработан для передачи данных из одной сети (подсети) в другую; • протоколы транспортного уровня могут решать проблему гарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. Транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные; • на прикладном уровне работает большинство сетевых приложений. Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие. Благодаря своему широкому распространению протокол TCP/IP фактически стал интернет-стандартом. Компьютер, на котором реализована сетевая технология, основанная на модели OSI (Ethernet или Token Ring), имеет возможность устанавливать связь с другими устройствами. Что такое TCP/IP То, что компьютеры могут общаться между собой, само по себе представляется чудом. Ведь это компьютеры от разных производителей, работающие с различными операционными системами и протоколами. При отсутствии какой-то общей основы такие устройства не смогли бы обмениваться информацией. При пересылке по сети данные должны иметь такой формат, который был бы понятен как отправляющему устройству, так и принимающему. TCP/IP удовлетворяет этому условию за счет своего межсетевого уровня. Этот уровень напрямую совпадает с сетевым уровнем эталонной модели OSI и основан на фиксированном формате сообщений, называемом IP-дейтаграммой. Дейтаграмма - это нечто вроде корзины, в которую помещена вся информация сообщения. Например, при загрузке веб-страницы в браузер то, что вы видите на экране, доставлено по частям дейтаграммой. Легко перепутать дейтаграммы с пакетами. Дейтаграмма - это информационная единица, в то время как пакет - это физический объект сообщения (созданный на третьем и более высоких уровнях), который действительно пересылается в сети. Хотя некоторые считают эти термины взаимозаменяемыми, их различие на самом деле имеет значение в определенном контексте - не здесь, конечно. Важно понять то, что сообщение разбивается на фрагменты, передается по сети и собирается заново на принимающем устройстве.   Положительным в таком подходе является то, что если один-единственный пакет будет испорчен во время передачи, то потребуется повторная передача только этого пакета, а не сообщения целиком. Другой положительный момент состоит в том, что ни одному хосту не приходится ждать неопределенно долгое время, пока не закончится передача на другом хосте, чтобы послать свое собственное сообщение. TCP и UDР При пересылке IP-сообщения по сети используется один из протоколов транспортировки: TCP или UDР. TCP (Transmission Control Protocol) составляет первую половину аббревиатуры TCP/IP. Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDР) используется вместо ТСР для транспортировки менее важных сообщений. Оба протокола служат для корректного обмена сообщениями в сетях TCP/IP. Между этими протоколами есть одно существенное различие. ТСР называют надежным протоколом, так как он связывается с получателем для проверки факта получения сообщения. UDР называют ненадежным протоколом, так как он даже не пытается устанавливать связь с получателем, чтобы убедиться в доставке.   Важно помнить, что для доставки сообщения можно воспользоваться только одним протоколом. Например, при загрузке веб-страницы доставкой пакетов управляет ТСР без всякого вмешательства UDP. С другой стороны, простой протокол передачи файлов (Trivial File Transfer Protocol, TFTP) загружает или отправляет сообщения под контролем протокола UDP. Используемый способ транспортировки зависит от приложения - это может быть электронная почта, НТТР, приложение, отвечающее за сетевую работу, и так далее. Разработчики сетевых программ используют UDP везде, где только можно, так как этот протокол снижает избыточный трафик. Протокол ТСР прилагает больше усилий для гарантированной доставки и передает гораздо больше пакетов, чем UDP. На рисунке 3.2 представлен список сетевых приложений, и показано, в каких приложениях применяется ТСР, а в каких - UDP. Например, FTP и TFTP делают практически одно и то же. Однако TFTP, в основном, применяется для загрузки и копирования программ сетевых устройств. TFTP может использовать UDP, потому что при неудачной доставке сообщения ничего страшного не происходит, поскольку сообщение предназначалось не конечному пользователю, а администратору сети, уровень приоритета которого гораздо ниже. Другим примером является сеанс голосовой видеосвязи, в котором могут быть задействованы порты как для ТСР-сессий, так и для UDP. Так, сеанс TCP инициируется для обмена данными при установке телефонной связи, в то время как сам телефонный разговор передается посредством UDP. Это связано со скоростью потоковой передачи голоса и видео. В случае потери пакета не имеет смысла повторно посылать его, так как он уже не будет соответствовать потоку данных.     ТСР и UDP управляют разными сетевыми приложениями (номерами портов)

Cтек протоколов TCP/IP

• стек протоколов TCP/IP является наиболее распространенным на сегодняшний день стеком протоколов
• гибкость и возможности маршрутизации трафика позволяют использовать его в сетях различного масштаба
• cтек протоколов TCP/IP представляет собой набор сетевых протоколов, регламентирующих все стороны процесса взаимодействия сетевых устройств

Требования-характеристики

• Отказоустойчивость. Сеть, построенная с использованием протокола, должна сохранять свою функциональность, даже если часть сети утратит свою работоспособность.
• Расширяемость. Протокол должен допускать возможность легкого расширения сети. Добавление к сети новых сегментов не должно приводить к нарушению работы существующих служб.
• Надежность. Протокол должен включать в себя механизмы, обеспечивающие надежную передачу информации внутри сети, независимо от надежности существующих коммуникаций.
• Внутренняя простота. Протокол должен иметь простую структуру, чтобы обеспечивать достаточную производительность.