Протоколы компьютерной сети
Как было показано ранее, при обмене информацией в сети каждый уровень модели ВОС реагирует на свой заголовок. Иными словами, происходит взаимодействие между одноименными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ. Такое взаимодействие должно выполняться по определенным правилам.
Протокол — набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ.
Протокол — это не программа. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программе. Обычно функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных вычислительных сетей.
В соответствии с семиуровневой структурой модели можно говорить о необходимости существования протоколов для каждого уровня.
Концепция открытых систем предусматривает разработку стандартов для протоколов различных уровней. Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уровней модели архитектуры открытых систем, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для вычислительных сетей любого класса.
Труднее всего стандартизовать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из-за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Если по типам структур, методам доступа к физической передающей среде, используемым сетевым технологиям и некоторым другим особенностям можно насчитать примерно десяток различных моделей вычислительных сетей, то по их функциональному назначению пределов не существует.
Основные типы протоколов
Проще всего представить особенности сетевых протоколов на примере протоколов канального уровня, которые делятся на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные.
Байт-ориентированныйпротокол обеспечивает передачу сообщения по информационному каналу в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются также управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, так как она ориентирована на обработку данных, представленных в виде двоичных байтов. Для коммуникационной среды байт-ориентированный протокол менее удобен, так как разделение информационного потока в канале на байты требует использования дополнительных сигналов, что в конечном счете снижает пропускную способность канала связи.
Наиболее известным и распространенным байт-ориентированным протоколом является протокол двоичной синхронной связи BSC (Binary Synchronous Communication), разработанный фирмой IBM. Протокол обеспечивает передачу двух типов кадров: управляющих и информационных. В управляющих кадрахпередаются управляющие и служебные символы, винформационных —сообщения (отдельные пакеты, последовательность пакетов). Работа протокола BSC осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса передачи сообщений, разрыв соединения. Протокол требует на каждый переданный кадр посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются повторно. Протокол определяет максимальное число повторных передач.
Примечание.Квитанция представляет собой управляющий кадр, в котором содержится подтверждение приема сообщения (положительная квитанция) или отказ от приема из-за ошибки (отрицательная квитанция).
Передача последующего кадра возможна только тогда, когда получена положительная квитанция на прием предыдущего. Это существенно ограничивает быстродействие протокола и предъявляет высокие требования к качеству канала связи.
Бит-ориентированныйпротокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Поэтому для разделения кадров используются специальные последовательности — флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце — флаг закрывающий.
Бит-ориентированный протокол удобен относительно коммуникационной среды, так как канал связи как раз и ориентирован на передачу последовательности битов. Для ЭВМ он не очень удобен, потому что из поступающей последовательности битов приходится выделять байты для последующей обработки сообщения. Впрочем, учитывая быстродействие ЭВМ, можно считать, что эта операция не окажет существенного влияния на ее производительность. Потенциально бит-ориентированные протоколы являются более скоростными по сравнению с байт-ориентированными, что обусловливает их широкое распространение в современных вычислительных сетях.
Типичным представителем группы бит-ориентированных протоколов являются протокол HDLC (High-level Data Link Control — высший уровень управления каналом связи) и его подмножества. Протокол HDLC управляет информационным каналом с помощью специальных управляющих кадров, в которых передаются команды. Информационные кадры нумеруются. Кроме того, протокол HDLC позволяет без получения положительной квитанции передавать в канал до трех — пяти кадров. Положительная квитанция, полученная, например, на третий кадр, показывает, что два предыдущих приняты без ошибок и необходимо повторить передачу только четвертого и пятого кадров. Такой алгоритм работы и обеспечивает высокое быстродействие протокола.
Из протоколов верхнего уровня модели ВОС следует отметить протокол Х.400 (электронная почта) и FTAM (File Transfer, Access and Management — передача файлов, доступ к файлам и управление файлами).
Стандарты протоколов вычислительных сетей
Для протоколов физического уровня стандарты определены рекомендациями МККТТ. Цифровая передача предусматривает использование протоколов Х.21 и Х.21- бис.
Канальный уровень определяют протокол HDLC и его подмножества, а также протокол Х.25/3.
Широкое распространение локальных вычислительных сетей потребовало разработки стандартов для этой области. В настоящее время для ЛВС используются стандарты, разработанные Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике-ИИЭР(IЕЕЕ- Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Комитеты IEEE 802 разработали ряд стандартов, часть из которых принята МОС (ISO) и другими организациями. Для ЛВС разработаны следующие стандарты:
- 802.1 — верхние уровни и административное управление;
- 802.2 — управление логическим звеном данных (LLC);
- 802.3 — случайный метод доступа к среде (CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем передачи и обнаружением столкновений);
- 802.4 — маркерная шина;
- 802.5 — маркерное кольцо;
- 802.6 — городские сети.
Взаимодействие двух узлов из различных сетей схематически показано на рис. 6.18. Обмен информацией между одноименными уровнями определяется протоколами, речь о которых шла выше. Примечание.Узлы соединены с помощью канала связи.Этота среда, по которой распространяются сообщения от одного узла сети до другого. Пакеты и кадры, о которых шел разговор, в виде последовательности электрических сигналов приходят из одного узла в другой. Взаимодействие одноименных уровней модели показано пунктирными стрелками. Рис. 6.18.Взаимодействие узлов сети на базе эталонной модели
Протоколы в Интернет
Пользователи в Интернет работают по единым правилам. В качестве общего языка в сети Интернет используются протоколы обмена данными.
Протоколы — это стандарты, определяющие формы представления и способы пересылки сообщений, процедуры их интерпретации, правила совместной работы различного оборудования в сетях.
Протокол – это правила взаимодействия. Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернет разнотипных компьютеров (IBM, Macintosh), работающих под управлением различных операционных систем (Windows, UNIX, MS DOS).
В Интернет имеется несколько уровней протоколов, которые взаимодействуют друг с другом.
1. Протокол tcp/ip
На нижнем уровне используются два основных протокола: IP (Internet Protocol) – Протокол Интернета и TCP (Transmission Control Protocol) – Протокол управления передачей. Так как эти два протокола тесно взаимосвязаны, то их часто объединяют, и говорят, что:
В сети Интернет базовым протоколом является TCP/IP. Все остальные многочисленные протоколы строятся на основе именно протокола TCP/IP.
Протокол TCP разбивает информацию на порции (пакеты) и нумерует все порции, чтобы при получении можно было правильно собрать информацию. Далее с помощью протокола IP все части передаются получателю, где с помощью протокола TCP проверяется, все ли части получены. Так как отдельные части могут путешествовать по Интернет самыми разными путями, то порядок прихода частей может быть нарушен. После получения частей TCP располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое.
Для протокола TCP не имеет значения, какими путями информация путешествует по Интернет. Этим занимается протокол IP. К каждой полученной порции информации протокол IP добавляет служебную информацию, из которой можно узнать адреса отправителя и получателя информации. При этом скорость и пути прохождения разных порций могут быть различными. Если при путешествии отдельной порции наблюдались помехи и информация пришла искаженной, следует повторный запрос об отправке искаженной части до тех пор, пока она не будет принята без искажений (в этом еще один плюс приема–передачи информации порциями).
У каждого компьютера, подключаемого к Интернету, формируется уникальный IP-адрес. IP-адрес состоит из номера сети и номера компьютера. Сетевые адреса являются 32-разрядрыми числами, обычно записываются в виде четырёх десятичных чисел, соответствующих отдельным байтам, разделённых точками. Например: 159.137.006.020. Адрес является уникальным, то есть не бывает двух подключённых к Интернету компьютеров с одинаковыми IP-адресами.
Все остальные протоколы реализуют разные сервисы Интернет с помощью протокола TCP/IP.
2. Протокол ftp
Протокол передачи файлов (File Transfer Protocol – FTP) – это стандартный механизм для копирования файла от одного хоста другим.
FTP отличается от других приложений типа клиент-сервер тем, что он устанавливает два соединения между хостами. Одно соединение применяется для передачи данных, другое — для управления информацией (команды и отклики). Разделение команд и передачи управляющих данных делает FTP более эффективным. Управление соединением использует очень простые правила для связи. Нам нужна для передачи только линия команд или линия откликов. С другой стороны, соединение для данных нуждается в более сложных правилах из-за разнообразия типов данных.
Рисунок 1 показывает базовую модель FTP. Клиент имеет три компоненты: пользовательский интерфейс, процесс управления клиентом и процесс передачи клиентских данных. Соединение для передачи сигналов управления происходит между процессами управления. Соединение для передачи данных делается для процессов обмена данными.
Соединение передачи сигналов управления остается открытым в течение всей интерактивной сессии FTP. Соединение передачи данных каждый раз открывается командой, чтобы вызвать передаваемый файл, и затем закрывается, когда файл передан. Другими словами, когда пользователь начинает FTP-сессию, соединение для передачи сигналов управления открывается. Пока оно открывается, соединение для передачи данных может быть открыто и закрыто много раз, если передается несколько файлов.