3.3 Сетевые протоколы и стандарты
Чтобы упростить проектирование сетей, анализ взаимодействия и реализацию обмена сообщениями между пользователями и сетевыми узлами, применяют формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений на данном уровне эталонной модели ВОС, которые называют протоколами обмена сообщениями. Соответствующим образом иерархически организованную совокупность протоколов называют стеком коммуникационных протоколов. Протоколы соседних уровней модели ВОС на одном узле взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами, определяющими формат сообщений, которые принято называть интерфейсами. Интерфейс определяет набор и формат услуг, которые может предоставлять ниже лежащий уровень вышележащему уровню. В эталонной модели ВOC различают два основных вида протоколов: с установлением соединения и без предварительного установления соединения. Последние протоколы называют также дейтаграммными протоколами. Рассмотрим основные протоколы и стандарты в рамках архитектуры ВОС.
Протоколы физического уровня. Физический уровень в архитектуре открытых систем является нижним и обеспечивает взаимодействие со средой передачи, связывающей системы между собой. В соответствии с архитектурой открытых систем физический уровень должен предоставлять (канальному уровню) следующие услуги;
- реализовывать физическое соединение между двумя или большим числом компонентов канального уровня дня передачи данных;
- передавать по соединению некоторые определенные для физического уровня единицы данных физического уровня, например биты при последовательной передаче или байты при параллельной передаче;
- предоставлять канальному уровню оконечные точки доступа к соединению физического уровня, через которые передаются единицы данных физического уровня;
- идентифицировать цепи (или пути) передачи данных между компонентами физического уровня;
- обеспечивать требуемые параметры качества обслуживания.
- инициализация—обмен между взаимодействующими станциями служебными сообщениями, подтверждающими готовность к передаче данных;
- идентификация—обмен между взаимодействующими станциями служебной информацией, подтверждающей правильность соединения;
- синхронизация — выделение в последовательности передаваемых битов границ знаков;
- сегментация— формирование кадров для их передачи по каналу;
- обеспечение прозрачности — предоставление расположенному выше уровню возможности передачи произвольной последовательности битов или знаков;
- управление потоком— обеспечение согласования скоростей передачи и приема;
- контроль ошибок и управление последовательностью передачи—обнаружение ошибок в передаваемых кадрах и запроса повторной передачи искаженных кадров, обеспечение соответствия последовательности кадров на входе и выходе канала;
- выход из сбойных ситуаций— обнаружение нарушений нормальной передачи кадров и реализация процедур выхода из таких ситуаций;
- управление каналом— обеспечение возможности контроля работы канала, выявление отказов, восстановление, сбор статистики о работе канала;
- завершение работы каналаликвидация логического соединения, образованного при инициализации канала.
Тема 2.2. Понятие о сетевых протоколах и службах.
Понятия: сетевой протокол, сетевая служба. Виды сетевых протоколов и служб, их назначение.
Самостоятельная работа: Ознакомиться с ОС Linux
Сетевой протокол-это такой определенный набор правил и условий, который дает возможность осуществлять обмен и соединение между несколькими компьютерами, которые включены в сеть. Различные протоколы способны описывать разные стороны одного вида связи.
Главная цель, которая преследуется при соединении компьютеров в сеть — это возможность использования ресурсов каждого компьютера всеми пользователями сети. Для того, чтобы реализовать эту возможность, компьютеры, подсоединенные к сети, должны иметь необходимые для этого средства взаимодействия с другими компьютерами сети. Задача разделения сетевых ресурсов является сложной, она включает в себя решение множества проблем — выбор способа адресации компьютеров и согласование электрических сигналов при установление электрической связи, обеспечение надежной передачи данных и обработка сообщений об ошибках, формирование отправляемых и интерпретация полученных сообщений, а также много других не менее важных задач.
Обычным подходом при решении сложной проблемы является ее декомпозиция на несколько частных проблем — подзадач. Для решения каждой подзадачи назначается некоторый модуль. При этом четко определяются функции каждого модуля и правила их взаимодействия.
Частным случаем декомпозиции задачи является многоуровневое представление, при котором все множество модулей, решающих подзадачи, разбивается на иерархически упорядоченные группы — уровни. Для каждого уровня определяется набор функций-запросов, с которыми к модулям данного уровня могут обращаться модули выше лежащего уровня для решения своих задач. Такой формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом.
Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем выше лежащему уровню.
При организации взаимодействия компьютеров в сети каждый уровень ведет «переговоры» с соответствующим уровнем другого компьютера. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов, до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована.
Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.
Из приведенных определений можно заметить, что понятия «интерфейс» и «протокол», в сущности, обозначают одно и то же, а именно — формализовано заданные процедуры взаимодействия компонент, решающих задачу связи компьютеров в сети. Однако довольно часто в использовании этих терминов имеется некоторый нюанс: понятие «протокол» чаще применяют при описании правил взаимодействия компонент одного уровня, расположенных на разных узлах сети, а «интерфейс» — при описании правил взаимодействия компонентов соседних уровней, расположенных в пределах одного узла.
Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов.
Программные средства, реализующие некоторый протокол, также называют протоколом. При этом соотношение между протоколом — формально определенной процедурой взаимодействия, и протоколом — средством, реализующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу. Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно также и протокол может иметь несколько программных реализаций, например, протокол IPX, реализованный компанией Microsoft для Windows NT в виде программного продукта NWLink, имеет характеристики, отличающиеся от реализации этого же протокола компанией Novell. Именно поэтому, при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, то есть, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.
Протоколы реализуются не только программно-аппаратными средствами компьютеров, но и коммуникационными устройствами. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую — «компьютер-компьютер», а через различные коммуникационные устройства такие, например, как концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы. В зависимости от типа устройства, в нем должны быть встроены средства, реализующие некоторый набор сетевых протоколов.
При организации взаимодействия могут быть использованы два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения(connection-oriented network service, CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить логическое соединение, то есть договориться о параметрах процедуры обмена, которые будут действовать только в рамках данного соединения. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Когда устанавливается новое соединение, переговорная процедура выполняется заново. Телефон — это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.
Вторая группа протоколов — протоколы без предварительного установления соединения (connectionless network service, CLNS).
Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. Опускание письма в почтовый ящик — это пример связи без установления соединения.
Основные сетевые протоколы
Протокол Интернета осуществляет свою работу в основном на сетевом уровне. Он используется для передачи датаграмм между несколькими компьютерами. Каждая из них имеет полную информацию о том, куда необходимо доставить датаграмму. Каждая из них должна передаваться отдельно от остальных. Они могут передаваться по разным маршрутам. И соответственно могут быть получены не в том порядке, в котором их посылали.
Протоколы приложений могут соответствовать нескольким уровням ISO OSI. На данный момент известно множество различных протоколов приложений. Также они подразделяются на два основных типа: