7.3. Стандартные стеки коммуникационных протоколов
Средства взаимодействия компьютеров в сети организованы в виде многоуровневой структуры – стека протоколов. В однородной сети все компьютеры используют один и тот же стек. В контексте межсетевого взаимодействия понятие «сеть» можно определить как совокупность компьютеров, общающихся друг с другом с помощью единого стека протоколов. Проблема возникает тогда, когда требуется организовать взаимодействие компьютеров, принадлежащих разным сетям (в указанном выше смысле), т.е. организовать взаимодействие компьютеров, на которых установлены разные стеки коммуникационных протоколов.
Стандартизация коммуникационных протоколов – важнейшее направление в области вычислительных сетей.
Чтобы упростить проектирование, анализ и реализацию процедуры обмена сообщениями между пользователями или прикладными программами, работающими на разных компьютерах, эту процедуру декомпозируют на несколько иерархически связанных между собой частных задач, то есть используют многоуровневый подход.
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, и до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.
Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети называется стеком коммуникационных протоколов.
Протоколы соседних уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.
Стандартные стеки коммуникационных протоколов. Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить следующие стеки: стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и ряд других.
Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет ее уровень и характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.
В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы нижних уровней, которые в большей степени стандартизованы, чем протоколы верхних уровней, и это является предпосылкой для успешной совместной работы оборудования различных производителей. Перечень протоколов, поддерживаемых тем или иным коммуникационным устройством, является одной из наиболее важных характеристик этого устройства.
Компьютеры реализуют коммуникационные протоколы в виде соответствующих программных элементов сетевой операционной системы, например, протоколы канального уровня, как правило, выполнены в виде драйверов сетевых адаптеров, а протоколы верхних уровней в виде серверных и клиентских компонент сетевых сервисов.
Способность качественно работать в среде той или иной операционной системы является важной характеристикой коммуникационного оборудования. Часто можно прочитать в рекламе сетевого адаптера или концентратора, что он разрабатывался специально для работы в сети NetWare или UNIX. Это означает, что разработчики аппаратуры оптимизировали ее характеристики применительно к тем протоколам, которые используются в этой сетевой операционной системе, или к данной версии их реализации, если эти протоколы используются в различных ОС. Из-за особенностей реализации протоколов в различных ОС в качестве одной из характеристик коммуникационного оборудования используется его сертифицированность на возможность работы в среде данной ОС.
На нижних уровнях – физическом и канальном – практически во всех стеках используются одни и те же протоколы. Это хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.
Протоколы сетевого и более высоких уровней существующих стандартных стеков отличаются большим разнообразием и, как правило, не соответствуют рекомендуемому моделью ISO разбиению на уровни. В частности, в этих стеках функции сеансового и представительного уровня чаще всего объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель ISO появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.
Стеки протоколов наиболее распространенных сетей – сети Х.25, глобальной сетиИнтернети локальной вычислительнойсети Novell Net Ware– показаны на рис. 7.8.
Рассмотрим наиболее широко используемые стеки коммуникационных протоколов: стек OSIи стекTCP/IP.
Рисунок 7.8 – Стеки протоколов некоторых
30. Стандартные стеки коммуникационных протоколов.
Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизациякоммуникационных протоколов. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярны следующие стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA, OSI.
Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях — физическом и канальном, — используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и ряд других, которые позволяют задействовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни.
Стек osi
Модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, а стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов.
В отличие от других стеков протоколов, стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, X.25 и ISDN, — то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы X.500, электронной почты X.400 и ряд других.
Протоколы стека OSI отличаются сложностью и неоднозначностью спецификаций. Эти свойства стали результатом общей политики разработчиков стека, стремившихся учесть в своих протоколах все случаи и все существующие технологии. К этому нужно еще добавить и последствия большого количества политических компромиссов, неизбежных при принятии международных стандартов по такому злободневному вопросу, как построение открытых вычислительных сетей.
Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их наиболее подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.
Стек tcp/ip
Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название от популярных протоколов IP и TCP, внесли специалисты из университета Беркли, реализовавшие протоколы стека в версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном количестве корпоративных сетей.
Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей — это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных — протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, PPP, протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN.
Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надежность его доставки.
За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные протоколы, как протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы службы WWW и многие другие.
Может применяться в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, сложная составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в другую, с меньшей максимальной длиной, может возникнуть необходимость разделения передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.
Гибкая система адресации, позволяющая проще по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включать в интерсеть сети других технологий.
В стеке TCP/IP очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство просто необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.
Для реализации мощных функциональных возможностей протоколов стека TCP/IP требуются большие вычислительные затраты. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети различных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п. Каждая из этих служб упрощает администрирование сети и конфигурирование оборудования, но в то же время сама требует пристального внимания со стороны администраторов.