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.
6. Сетевые протоколы и стандарты
Сети передачи данных — это системы оконечных и промежуточных устройств, а также средств передачи данных, соединяющих эти устройства. Для успешного обмена данными эти устройства должны знать, как обмениваться информацией.
Эти устройства должны соответствовать правилам и протоколам, регламентирующим процесс обмена данными. TCP/IP — пример набора протоколов. Большинство протоколов создаётся организациями по стандартизации, такими как Инженерная группа по развитию Интернета (IETF) или Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Институт инженеров по электротехнике и электронике — профессиональная организация для специалистов, работающих в области электротехники и электроники. ISO, Международная организация по стандартизации, является крупнейшим в мире разработчиком международных стандартов для широкого спектра продуктов и услуг.
Наиболее широко распространёнными сетевыми моделями являются модели OSI и TCP/IP. Связывание протоколов, которые используются для задания правила передачи данных на разных уровнях этих моделей, полезно для определения того, какие устройства и сервисы используются в определённых точках, когда данные проходят через локальные и глобальные сети.
Данные, проходящие вниз по стеку модели OSI, сегментируются на блоки и инкапсулируются с адресами и прочими метками. Данный процесс повторяется в обратном направлении, когда блоки деинкапсулируются и передаются вверх по стеку протокола-адресата. Модель OSI описывает процессы кодирования, форматирования, сегментации и инкапсуляции данных для последующей передачи по сети.
Набор протоколов TCP/IP — это протокол открытого стандарта, одобренный в отрасли сетевых технологий, а также утверждённый организацией по стандартизации. Семейство протоколов Интернет — это набор протоколов, разработанный для передачи и получения информации с помощью сети Интернет.
Протокольные блоки данных (PDU) названы в соответствии с протоколами из набора TCP/IP: данные, сегмент, пакет, кадр и биты.
Применение моделей позволяет отдельным лицам, компаниям и торговым ассоциациям осуществлять анализ текущих сетей и планировать сети будущего.
21. Протоколы сетевого уровня
Сетевой уровень, или уровень 3 OSI, предоставляет сервисы, позволяющие оконечным устройствам обмениваться данными по сети. Чтобы обеспечить такую передачу данных, сетевой уровень использует четыре основных процесса: IP-адресацию оконечных устройств, инкапсуляцию, маршрутизацию и деинкапсуляцию.
IPv4 по-прежнему является наиболее распространённым протоколом сетевого уровня и широко применяется в сети Интернет. Пакет IPv4 содержит IP-заголовок и полезную нагрузку. При этом у IPv4 имеется ограниченное количество доступных уникальных общедоступных IP-адресов. Это послужило причиной разработки IP версии 6 (IPv6). Упрощённый заголовок IPv6 предлагает ряд преимуществ по сравнению с IPv4, включая более эффективную маршрутизацию, упрощённые заголовки расширений и обработку каждого отдельного потока. Кроме того, IPv6-адреса используют 128-битную иерархическую адресацию в отличие от адреса IPv4, использующего 32 бита. Это существенно увеличивает количество доступных IP-адресов.
Помимо иерархической адресации сетевой уровень также отвечает за маршрутизацию.
Узлам требуется локальная таблица маршрутизации, чтобы пакеты направлялись в нужную сеть назначения. Локальная таблица узла, как правило, содержит прямое подключение, маршрут локальной сети и локальный маршрут по умолчанию. Локальный маршрут по умолчанию — это маршрут к шлюзу по умолчанию.
Шлюз по умолчанию — это IP-адрес интерфейса маршрутизатора, подключённого к локальной сети. Когда узлу необходимо переслать пакет на адрес назначения, который не находится в одной сети с узлом, пакет пересылается на шлюз по умолчанию для дальнейшей обработки.
Когда маршрутизатор, такой как шлюз по умолчанию, получает пакет, он изучает IP-адрес назначения для определения сети назначения. Таблица маршрутизации маршрутизатора хранит информацию о маршрутах с прямым подключением и об удалённых маршрутах. Если в таблице маршрутизации имеется запись о сети назначения, маршрутизатор отправляет пакет. Если же подобная запись отсутствует, то маршрутизатор может направить этот пакет по собственному стандартному маршруту, если он имеется, или сбросит его.
Записи таблиц маршрутизации можно настроить вручную на каждом маршрутизаторе, чтобы обеспечить статическую маршрутизацию. Маршрутизаторы также могут динамически обмениваться между собой данными о маршрутах с помощью протокола маршрутизации.
Чтобы получить доступ к маршрутизаторам, необходимо настроить параметры их интерфейса. Чтобы активировать определённый интерфейс, необходимо войти в режим конфигурации интерфейса, используя для этого команду режима глобальной конфигурации interface type-and-number.
Лекция 7. Протоколы и стандарты локальных сетей §1. Общая характеристика протоколов локальных сетей
Первые локальные вычислительные сети появились в 70-х годах 20 века. Целью тогда было нахождение простого и дешевого способа объединения нескольких десятков компьютеров в пределах одного здания. Для упрощения и удешевления тогда остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени. В 1976 году в исследовательском центре Xerox была создана сеть Ethernet, в которой канал физически представлял собой неделимый коаксиальный кабель, а к нему с помощью приемопередатчиков (трансиверов) подключались компьютеры. Система называлась моноканалом, длина кабеля могла достигать 2,5 км (с повторителями через каждые 500 м), число компьютеров – до 256, скорость – 2,94 Мбит/с.
Со временем Ethernet развивался: были введены другие типы кабелей, наметился отказ от разделяемых сред и переход к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи.
В 1983 году появился стандарт IEEE 802.3, описывающий технологию Ethernet.
Ethernet – это не единственный стандарт ЛВС.
«Маркерная шина» (IEEE 802.4, предложена General Motors) повторяет линейную шину, но имеет особый способ определения очередности передачи. От компьютера к компьютеру пересылается специальный короткий пакет, называемый маркером. Начать передачу мог только тот, кто захватил маркер. Так решался вопрос коллизий в моноканале.
«Маркерное кольцо» (IEEE 802.5, разработана в IBM) – шина имеет кольцевую структуру, используется маркеры.
Однако, маркерная шина и маркерное кольцо не получили широкого распространения.
§2. Структура стандартов ieee 802.X
Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня модели OSI – физический и канальный (уровень передачи данных). Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.
Канальный уровень в локальных сетях делят на два подуровня, которые часто также называют уровнями:
- логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);
- управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Протокол llc
В основу протокола LLC положен протокол HDLC, входящий в стандарт ISO (см. лекцию 3). Протокол LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур: LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения. Дает пользователю средства передачи данных с минимумом издержек. Используется, если восстановление от ошибок и упорядочение данных осуществляется на более высоких уровнях. LLC2– процедура с установлением соединения и с подтверждением. Протокол LLC2 работает в режиме скользящего окна. LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Используется, когда временные издержки на установление соединения неприемлемы, но подтверждение корректности приема данных необходимо (например, в системах реального времени, управляющими промышленными объектами). Все кадры уровня LLC, называемые блоками данных – Protocol Data Unit, PDU, подразделяются на информационные, управляющие, ненумерованные. Информационные кадры (Information) предназначены для передачи информации, поэтому обязательно содержат поле информации. Управляющие кадры (Supervisory) предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения LLC2, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков. Ненумерованные кадры (Unnumbered) предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления соединения передачу информации, идентификацию и тестирование, а в процедурах с установлением соединений – установление и разъединение соединения, а также информирование об ошибках. Все типы кадров имеют формат:
| Флаг 01111110 | Адрес точки входа службы назначения (DSAP) | Адрес точки входа службы источника (SSAP) | Управляющее поле (Control) | Данные (Data) | Флаг 01111110 |
Флаги используются на уровне MAC для определения границ кадра. Кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring и т.д. Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Для всех протоколов введены адреса точек входа SAP. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных.