Первые компьютеры были автономными устройствами. Другими словами, каждый компьютер работал отдельно, не имея возможности обмениваться результатами вычислений с другими компьютерами. Идеи по организации автоматического обмена данными между компьютерами высказывались ещё в начале 50‐х годов ХХ века, но реализовать их удалось только к концу 60‐х годов, спустя почти 20 лет. В те годы были созданы первые компьютерные сети.

Компьютерная или вычислительная сеть (ВС) – это сеть передачи и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем, средствами связи и протоколами передачи информации. Средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов – аппаратных, программных и информационных.

С появлением вычислительных сетей удалось разрешить очень важные проблемы: обеспечение теоретически неограниченного доступа к ЭВМ пользователей, независимо от их территориального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния. Для вычислительных сетей принципиальное значение имеют следующие обстоятельства: ЭВМ, находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей, связываются между собой автоматически (в этом заключается основная сущность протекающих в сети процессов); каждая ЭВМ сети должна быть приспособлена как для работы в автономном режиме под управлением своей операционной системы (ОС), так и для работы в качестве составного звена сети.

По сравнению с адекватной по вычислительной мощности совокупностью автономно работающих ЭВМ, сеть имеет ряд преимуществ:

· обеспечение распределенной обработки данных и параллельной обработки многими ЭВМ;

· возможность создания распределенной базы данных или распределённого хранилища данных, размещаемого в долговременной памяти различных ЭВМ;

· обработка текстов (документооборот). Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к “безбумажной” технологии – электронному документообороту, вытесняя полностью или частично бумажные документы.

Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных ‐ индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме.

Обмен информацией между АС сети ‐ важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций.

Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, необходимую для оценки ситуации и принятия правильных решений.

Организация электронной почты ‐ одного из видов услуг ЛКС, позволяющей руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно‐хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.

Коллективное использование дорогостоящих ресурсов ‐ необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обработки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний. Очевидно, что такие средства нецелесообразно (вследствие невысокого коэффициента использования и дороговизны) иметь в каждой абонентской системе сети. Достаточно, если в сети эти средства имеются в одном или нескольких экземплярах, но доступ к ним обеспечивается для всех АС.

В зависимости от характера деятельности организации, в которой развернута одна или несколько сетей, указанные функции реализуются в определенной комбинации. Кроме того, могут выполняться и другие функции, специфические для каждой организации.

Вопрос 2. Классификация компьютерных сетей.

В основу классификации компьютерных сетей положены наиболее характерные функциональные, информационные и структурные признаки.

По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные (территориальные) и локальные компьютерные сети.

Локальные сети (Local Area Network, LAN) объединяют абонентские системы, периферийное оборудование, терминалы и другие устройства.

Локальные сети характеризуются следующими особенностями:

· ограниченность территории – обычно в пределах здания или группы зданий;

· постоянное подключение к линии связи;

· использование линий связи с высокой пропускной способностью;

· работа с сетевыми сервисами в режиме online;

Глобальные сети (Wide Area Network, WAN). Хронологически первыми появились именно глобальные сети. Произошло это в конце 60-х годов, когда с помощью телефонных линий начали объединять компьютеры и терминалы, расположенные в сотнях километрах друг от друга.

Глобальные сети служат, в основном, для объединения локальных сетей и обеспечивают связь между компьютерами, находящимися в различных локальных сетях. Глобальные сети покрывают значительные географические пространства, связывая локальные сети, расположенные в различных странах или континентах.

Региональная или, иначе говоря, территориальная компьютерная сеть объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона или крупного города. В последнем случае часто употребляют термин Metropolitan Area Network (MAN).

Корпоративная сеть – это сеть, главным назначением которой является поддержание работы конкретного предприятия, владеющего данной сетью. Пользователями корпоративной сети являются u1090 только сотрудники данного предприятия.

Корпоративные сети могут быть как локальными (сеть небольшой фирмы или учебного заведения) или региональными, так и глобальными (сеть крупной транснациональной корпорации).

По типу организации передачи данных сети делятся на сети с коммутацией каналов, коммутацией пакетов и коммутацией сообщений. В сетях с коммутацией каналов между абонентскими системами создаётся непрерывный составной канал из последовательно соединённых коммутаторами промежуточных канальных участков. Канал может создаваться каждый раз при установлении соединения (как это происходит в телефонных сетях) или заранее (как в опорных сетях SDH и DWDM). При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые единицы.

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Примером сети с коммутаций сообщений является электронная почта.

Вопрос 3. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации.

Со второй половины 70-х годов ХХ века наблюдался бурный рост компьютерных сетей.

Осознав экономическую выгоду, многие предприятия развёртывали локальные сети. При этом производители сетевого оборудования, стремясь насытить быстро растущий рынок, выпускали всё новые модели оборудования, в результате чего многие сети оказались несовместимыми, и стало затруднительно организовать обмен данными между такими сетями.

Для решения проблемы совместимости Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) исследовала существующие схемы сетей. В результате исследования была признана необходимость в создании эталонной модели сети, которая смогла бы помочь поставщикам создавать совместимые сети. И в 1984 году ISO выпустила в свет эталонную модель взаимодействия открытых систем - ВОС (Open System Interconnection, OSI).

Под открытой системой понимается система, которая способна взаимодействовать с другими системами в соответствии с принятыми стандартами, определяющими формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

При этом открытые системы создаются с использованием открытых спецификаций, принятых в результате обсуждения всеми заинтересованными лицами и опубликованных в соответствующих изданиях.

Вопрос 4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI).

Эталонная модель OSI – это описательная схема сети; ее стандарты гарантируют высокую совместимость и способность к взаимодействию различных типов сетевых технологий. Кроме того, она иллюстрирует процесс перемещения информации по сетям. Это концептуальная структура, определяющая сетевые функции, реализуемые на каждом ее уровне. Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через сетевую среду (например, провода) от одной прикладной программы (например, программы обработки таблиц) к другой прикладной программе, находящейся в другом подключенном к сети компьютере. По мере того, как подлежащая отсылке информация проходит вниз через уровни системы, она становится все меньше похожей на человеческий язык и все больше похожей на ту информацию, которую понимают компьютеры, а именно на "единицы" и "нули".

Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации между компьютерами через сетевую среду на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением. Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач.

Рис. 1. Семиуровневая эталонная модель OSI

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Их часто называют уровнями среды передачи данных (media layers). Например, переход на оборудование Gigabit Ethernet означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию Fast Ethernet не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений. Прикладной, представительный, сеансовый и транспортный уровни часто называют уровнями хост-машины (host layers).

Зачем нужна многоуровневая сетевая модель

В эталонной модели OSI семь нумерованных уровней указывают на наличие различных сетевых функций. Деление сети на семь уровней обеспечивает следующие преимущества.

− Делит взаимосвязанные аспекты работы сети на менее сложные элементы.

− Определяет стандартные интерфейсы для автоматического интегрирования в систему новых устройств (plug and play) и обеспечения совместимости сетевых продуктов разных поставщиков.

− Дает возможность инженерам закладывать в различные модульные функции межсетевого взаимодействия симметрию, что позволяет легко наладить их взаимодействие.

− Изменения в одной области не требуют изменений в других областях, что позволяет отдельным областям развиваться быстрее.

− Делит сложную межсетевую структуру на дискретные, более простые для изучения подмножества операций.

Вопрос 5. Семь уровней эталонной модели OSI.

После описания основных особенностей принципа деления модели OSI на уровни можно перейти к обсуждению каждого отдельного уровня и его функций. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнять, чтобы связь могла состояться.

Уровень 7 (прикладной уровень).

Прикладной уровень (Application layer) – это самый близкий к пользователю уровень модели OSI. Он отличается от других уровней тем, что не предоставляет услуги ни одному другому уровню модели OSI и только обслуживает прикладные процессы, находящиеся вне пределов модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы работы с электронными таблицами, текстовые процессоры и программы работы банковских терминалов.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает доступность предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает договоренность о процедурах восстановления после ошибок и контроля целостности данных. Уровень приложений также определяет степень достаточности ресурсов для осуществления предполагаемой связи.

Уровень 6 (уровень представлений).

Уровень представлений (Presentation layer) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из уровня приложений одной системы, была читаемой для уровня приложений другой системы.

При необходимости уровень представлений преобразовывает форматы данных путем использования общего формата представления информации. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC.

Уровень 5 (сеансовый).

Как указывает его название, сеансовый уровень (Session layer) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия приложений. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления (как вы помните, сеансовый уровень обеспечивает своими услугами уровень представлений). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами уровня представлений и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основным функциям сеансовый уровень предоставляет средства для синхронизации участвующих в диалоге сторон, обеспечивает класс услуг и средства формирования отчетов об особых ситуациях, возникающих на сеансовом уровне, а также на уровнях приложений и представлений.

Уровень 4 (транспортный).

Транспортный уровень (Transport layer) сегментирует и повторно собирает данные в один поток. Если уровень приложений, сеансовый уровень и уровень представлений заняты прикладными вопросами, четыре нижних уровня решают задачу транспортировки данных.

Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые изолируют верхние уровни от деталей ее реализации. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через многосетевой комплекс. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, обнаружения и устранения неисправностей транспортировки, а также управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения одной системы данными от другой системы).

Уровень 3 (сетевой).

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Рассмотрим их на примере объединения локальных сетей.

На сетевом уровне под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим u1082 канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop - прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут.

Таким образом, 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. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например надежности передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Уровень 2 (канальный).

Канальный уровень (Data Link layer) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, дисциплины в канале связи (т.е. каким образом конечная система использует сетевой канал и как определяется доступность среды передачи), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров, а также вопросы управления потоком данных.

Уровень 1 (физический).

Физический уровень (Physical layer) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, временные параметры изменения напряжений, скорости физической передачи данных, максимальные расстояния передачи информации, физические разъемы, и другие подобные характеристики. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером.

Вопрос 6. Одноранговая модель взаимодействия.

Многоуровневая модель OSI включает прямую связь между равными по положению уровнями, находящимися в разных системах, как показано на рисунке.

Рис. 2. Равные по положению уровни разных систем для связи между собой используют собственные протоколы

Каждый уровень системы имеет свои определенные задачи, которые он должен выполнять. Для выполнения этих задачи, он должен общаться с соответствующим уровнем в другой системе. Обмен сообщениями между одноранговыми уровнями или, как их еще называют, блоками данных протокола (protocol data units, PDUs), осуществляется с помощью протокола соответствующего уровня. Каждый уровень может использовать свое специфическое название для PDU.

Подобный обмен данными по протоколу между одноранговыми уровнями достигается за счет использования услуг уровней, лежащих в модели ниже общающихся. Уровень, находящийся ниже любого текущего, оказывает услуги текущему уровню. Каждая из служб низлежащего уровня использует информацию от верхних уровней в качестве части PDU протокола более низкого уровня, которыми она обменивается с соответствующим уровнем другой системы.

Например, в семействе протоколов TCP/IP транспортные уровни для обмена пользуются сегментами. Таким образом, TCP-сегменты становятся частью пакетов сетевого уровня (также называемых дейтаграммами) и будут участвовать в обмене между соответствующими IP-уровнями. В свою очередь, на канальном уровне IP-пакеты должны стать частью кадров, которыми обмениваются непосредственно соединенные устройствами. В конечном итоге при передаче данных по протоколу физического уровня с использованием аппаратных средств кадры преобразовываются в биты.

Инкапсулирование данных

Чтобы понять структуру и принципы функционирования сети, необходимо уяснить, что любой обмен данными в сети осуществляется от источника к получателю.

Информацию, посланную в сеть, называют данными, или пакетами данных. Если один компьютер (источник) хочет послать данные другому компьютеру (получателю), то данные сначала должны быть собраны в пакеты в процессе инкапсуляции; который перед отправкой в сеть погружает их в заголовок конкретного протокола. Этот процесс можно сравнить с подготовкой бандероли к отправке – обернуть содержимое бумагой, вложить в транспортный конверт, указать адрес отправителя и получателя, наклеить марки и бросить в почтовый ящик.

Каждый уровень эталонной модели зависит от услуг нижележащего уровня. Чтобы обеспечить эти услуги, нижний уровень при помощи процесса инкапсуляции помещает блок PDU, полученный от верхнего уровня, в свое поле данных; затем могут добавляться заголовки и трейлеры, необходимые уровню для реализации своей функции. Впоследствии, по мере перемещения данных вниз по уровням модели OSI, к ним будут прикрепляться дополнительные заголовки и трейлеры.

Например, сетевой уровень обеспечивает поддержку уровня представлений, а уровень представлений передает данные в межсетевую подсистему (рис. 3).

Задачей сетевого уровня является перемещение данных через сетевой комплекс. Для выполнения этой задачи данные инкапсулируются в заголовок который содержит информацию, необходимую для выполнения передачи, например логические адреса отправителя и получателя.

В свою очередь, канальный уровень служит для поддержки сетевого уровня и инкапсулирует информацию от сетевого уровня в кадре. Заголовок кадра содержит данные (к примеру, физические адреса), необходимые канальному уровню для выполнения его функций.

Физический уровень служит для поддержки канального уровня. Кадры канального уровня преобразуются в последовательность нулей и единиц для передачи по физическим каналам (как правило, по проводам).

Рис. 3. Сетевой уровень оказывает услуги уровню представлений, инкапсулируя данные в сетевой заголовок

Рис. 4. Канальный уровень оказывает услуги сетевому, помещая информацию, полученную от сетевого уровня в кадр

Рис. 5. Кадр, полученный от канального уровня, преобразуется физическим уровнем в последовательность нулей и единиц для дальнейшей передачи

При выполнении сетями услуг пользователям, поток и вид упаковки информации изменяются. В следующем примере инкапсуляции имеют место пять этапов преобразования.

Формирование данных. Когда пользователь посылает сообщение электронной почтой, алфавитно-цифровые символы сообщения преобразовываются в данные, которые могут перемещаться в сетевом комплексе.

Упаковка данных для сквозной транспортировки. Для передачи через сетевой комплекс данные соответствующим образом упаковываются. Благодаря использованию сегментов, транспортная функция гарантирует надежное соединение участвующих в обмене сообщениями хост-машин на обоих концах почтовой системы.

Добавление сетевого адреса в заголовок. Данные помещаются в пакет или дейтаграмму, которая содержит сетевой заголовок с логическими адресами отправителя и получателя. Эти адреса помогают сетевым устройствам посылать пакеты через сеть по выбранному пути.

Добавление локального адреса в канальный заголовок. Каждое сетевое устройство должно поместить пакеты в кадр. Кадры позволяют взаимодействовать с ближайшим непосредственно подключенным сетевым устройством в канале. Каждое устройство, находящееся на пути движения данных по сети, требует формирования кадров для соединения со следующим устройством.

Преобразование в последовательность битов для передачи. Для передачи по физическим каналам (обычно по проводам) кадр должен быть преобразован в последовательность единиц и нулей. Функция тактирования дает возможность устройствам различать эти биты в процессе их перемещения в среде передачи данных. Среда на разных участках пути следования может меняться. Например, сообщение электронной почты может выходит из локальной сети, затем пересекать магистральную сеть комплекса зданий и дальше выходить в глобальную сеть, пока не достигнет получателя, находящегося в удаленной локальной сети.

Организацией сети называется обеспечение взаимосвязи между рабочими станциями, периферийным оборудованием (принтерами, накопителями на жестких дисках, сканерами, приводами CD-ROM) и другими устройствами.

Протокол – это формальное описание набора правил и соглашений, регламентирующих процессы обмена информацией между устройствами в сети.

Эталонная модель OSI– это описательная схема сети; ее стандарты гарантируют высокую совместимость и взаимодействие сетевых технологий различных типов. В эталонной модели OSI отдельные сетевые функции организованы в семь нумерованных уровней:

· уровень 7 (уровень приложений);

· уровень 6 (уровень представлений);

· уровень 5 (сеансовый);

· уровень 4 (транспортный);

· уровень 3 (сетевой);

· уровень 2 (канальный);

· уровень 1 (физический).

Многоуровневая модель OSI включает прямую связь между равными по положению уровнями, находящимися в разных системах.

Инкапсуляция – это процесс погружения данных в заголовок конкретного протокола перед отправкой их в сеть.

Вопрос 7. Техническое обеспечение сетей – среда передачи данных.

Термин «физический уровень» используется для того, чтобы показать, как сетевые функции привязаны к эталонной модели OSI. Как здание нуждается в фундаменте, так и сеть должна иметь основание, на котором она будет строиться. В эталонной модели OSI таким фундаментом служит физический уровень.

Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержания и деактивизации физической связи между конечными системами.

Назначением физического уровня является передача данных. Данные, которыми является любой тип информации (рисунки, тексты и звуки), представлены в виде импульсов: либо электрических, называемых напряжением – при передаче по медному кабелю, либо световых – при передаче по оптоволоконному кабелю. Процесс передачи, называемый кодированием, выполняется с помощью среды передачи данных – кабелей и разъемов.

Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала.

Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров:

- неэкранированная витая пара;

- оптоволоконный кабель.

Есть ещё одна среда передачи данных – эфир, используемая в беспроводных сетях.

Тема 2. Физический уровень локальных сетей

Вопросы темы:

Вопрос 1. Неэкранированная витая пара. 18

Вопрос 2. Разводка неэкранированной витой пары. 22

Вопрос 3. Волоконнооптический кабель. 25

Вопрос 1. Неэкранированная витая пара.

Витая пара использовалась достаточно давно в телефонных сетях. Кабель на основ неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) состоит из 8 изолированных проводов, скрученных в пары, причём пары тоже скручиваются между собой. Каждая паpа состоит из повода, именуемого «Ring» и повода «Tip» (названия произошли из телефонии).

Такая конструкция значительно уменьшает влияние электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Если кабель попадает в область действия электромагнитных помех, то электромагнитное поле создаёт одинаковую наводку на оба провода, поэтому напряжение на конце кабеля меняется незначительно.

Рис. 6. Кабель UTP, состоящий из четырёх пар проводов

Кабель UTP, применяемый в сетях передачи данных, имеет четыре пары медных проводов и наружный диаметр около 0,17 дюйма (4,35 мм). Небольшой диаметр кабеля UTP дает определенные преимущества при прокладке. Поскольку неэкранированная витая пара может использоваться в большинстве сетевых архитектур, популярность ее продолжает расти.

Кабель UTP проще в установке и дешевле других типов сред передачи данных. Фактически удельная стоимость UTP на единицу длины меньше, чем у любого другого типа кабелей, использующихся в локальных сетях. Однако реальным преимуществом витой пары остается ее размер. Так как этот кабель имеет небольшой внешний диаметр, то он будет не так быстро заполнять сечение коробов, как другие виды кабелей. Этот фактор становится особенно важным, когда речь идет о прокладке сети в старых зданиях. Кроме того, на концах кабеля UTP, как правило, используется специальный разъем – RJ-коннектор (registered jack connector).

Первоначально RJ-коннектор применялся для подключения к телефонной линии, а сейчас используется в сетевых соединениях и гарантирует хорошее и надежное подключение.

Следовательно, может быть существенно снижено количество потенциальных источников шума в сети.

В зависимости от электрических и механических характеристик кабель UTP разделяется на 7 категорий (Category 1 - Category 7). Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие.

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны.

Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. На западе до 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), на основе которого затем был создан ныне действующий стандарт EIA-568A. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см). Кабели категории 3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий, в которых они используются для передачи и голоса, и данных.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 4 хорошо подходят для применения в системах с увеличенными расстояниями (до 135 метров) и в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории.

На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с - FDDI (с физическим стандартом TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы - АТМ на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения:

- полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO 11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом);

- величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц;

- затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц);

- активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м;

- емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

Особое место среди кабелей UTP занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц.

Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным.

Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости применения кабелей категории 7, так как стоимость кабельной системы при их использовании получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей, а характеристики кабелей на основе оптических волокон выше.

Рис. 7. Витая пара категории 7

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Цветовое кодирование проводников в кабеле должно соответствовать следующей схеме:

Пара 1 Белый/Голубой (White-Blue, W-BL) - Голубой (Blue, BL)

Пара 2 Белый/Оранжевый (White-Orange, W-O) - Оранжевый (Orange, О)

Пара 3 Белый/Зеленый (White-Green, W-G) - Зеленый (Green, G)

Пара 4 Белый/Коричневый (White-Brown, W-BR) - Коричневый (Brown, BR).

Вопрос 2. Разводка неэкранированной витой пары.

Стандарт TIA/ЕIА-568 признает только две схемы разводки - Т568А и Т568В. Различие между ними заключается только в нумерации пар. Основной схемой считается Т568А, а схема Т568В допускается для применения в системах, где существует необходимость поддержки приложений, построенных по схеме Т568В. Единственным ограничением в данном случае является запрет стандарта TIA/ЕIА-568 на одновременное использование двух схем в одной системе. Рассмотрим порядок разводки по стандарту TIA/ЕIА-568.

Для соединения двух компьютеров напрямую может быть использована одна из следующих схем разводки:

Вопрос 3. Волоконнооптический кабель.

Оптоволоконный или волоконно-оптический кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, покрытых слоем отражающего покрытия и находящихся в пластиковой оболочке. Поверх пластиковой оболочки находятся волокна из кевлара, и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля.

Рис. 8. Оптоволоконный кабель

Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Если требуется прокладка кабеля под землей, то иногда для придания дополнительной жесткости в его конструкцию вводят провод из нержавеющей стали.

Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила – это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет светопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов.

Помехоустойчивость волоконно-оптического кабеля очень высока. Волоконно-оптический кабель не восприимчив ни к электромагнитным, ни к радиочастотным помехам. Благодаря отсутствию внутренних и внешних шумов сигнал может проходить по оптоволоконному кабелю большее расстояние, чем в любых других средах передачи данных. Поскольку электрические сигналы не используются, оптоволоконный кабель является идеальным решением для прокладке в помещениях со сложной помеховой обстановкой (например, вблизи трансформаторов), а также для соединения зданий, имеющих разное электрическое заземление. Принимая во внимание, что длинные пролеты медного кабеля между зданиями могут быть местом попадания ударов молнии, использование оптоволокна в этой ситуации также более удобно.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Кроме того, подобно кабелю UTP, оптоволоконный кабель имеет небольшой диаметр. Поэтому в один желоб легко помещается несколько оптоволоконных кабелей. Таким образом, этот носитель является идеальным решением для старых зданий с ограниченным пространством.

Оптоволоконный кабель дороже и сложнее в установке, чем другие носители. Так как разъемы для этого кабеля представляют собой оптические интерфейсы, то они должны быть идеально плоско отполированными и не иметь царапин. Таким образом, установка может оказаться достаточно сложной. Обычно даже тренированному монтажнику для создания одного соединения требуется несколько минут. Все это может существенно повысить почасовую стоимость работы, и при создании крупных сетей стоимость работ может стать неприемлемо высокой.

Организация рабочего места

На каждом индивидуальном рабочем месте в соответствии с требованием стандарта TIA/ЕIА-568А должны быть установлены, как минимум, две телекоммуникационные розетки. Одна из них может быть ассоциирована с речевыми приложениями, другая - с приложениями передачи данных. Первая розетка должна быть терминирована 4-парным кабелем UTP 100 Ом (категория 3 или выше). Вторая розетка должна быть терминирована, одной из перечисленных сред: 4-парным кабелем UTP 100 Ом (рекомендуется категория 5), 2-парным кабелем STP-A 150 0м, 2-волоконным оптическим кабелем 62,5/125 мкм. Розетка должна иметь запас прочности, рассчитанный, как минимум, на 750 циклов подключения аппаратных шнуров.

Тема 3. Выбор типа среды передачи данных

Различные критерии, такие как скорость передачи данных и стоимость, помогают определить наиболее подходящую среду передачи данных. Тип материала, используемого в сети для обеспечения соединений, определяет такие параметры, как скорость передачи данных и их объем. Другим фактором, влияющим на выбор типа среды передачи данных, является ее стоимость.

Для достижения оптимальной производительности необходимо добиться, чтобы сигнал при движении от одного устройства к другому как можно меньше затухал. Причиной затухания сигнала может быть несколько факторов. Как будет показано далее, во многих носителях используется экранирование и применяются технические решения, предотвращающие ослабление сигнала. Однако использование экранирования становится причиной увеличения стоимости и диаметра кабеля, а также приводит к усложнению его прокладки.

Кроме того, в сетевых средах передачи данных могут использоваться различные типы оболочек. Оболочка, являясь внешним покрытием кабеля, обычно изготавливается из пластика, нелипкого покрытия или композитного материала. При проектировании локальной сети следует помнить, что кабель, проложенный между стенами, в шахте лифта или проходящий по воздуховоду системы вентиляции, может стать факелом, способствующим распространению огня из одной части здания в другую. Кроме того, пластиковая оболочка в случае ее возгорания может стать причиной возникновения токсичного дыма. Для исключения подобных ситуаций существуют соответствующие строительные нормы, нормы пожарной безопасности и нормы техники безопасности, которые определяют типы оболочек кабелей, которые могут использоваться.

Поэтому при определении типа среды передачи данных для использования при создании локальной сети следует (наряду с такими факторами, как диаметр кабеля, его стоимость и сложность прокладки) также учитывать и эти нормы.

Тема 4. Физический уровень глобальных сетей

В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, иногда, корпоративная) сеть включает первичную или опорную сеть – сеть передачи данных, СПД. Первичная сеть предназначена для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро и гибко организовать постоянный канал с топологией «точка-точка» между двумя устройствами, подключёнными к такой сети.

Современные первичные сети создаются на основе технологии плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM). Эта технология позволяет создавать оптические магистрали, способные обеспечить передачу трафика со скоростями несколько Тбит/с (один Тбит/с равен 1000 Гбит/с). В сетях DWDM информация передаётся одновременно большим количеством световых волн по каждому оптическому волокну. Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну от 32 до 160 волн разной длины, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с. Технология DWDM совместима с технологиями семейства Ethernet - Gigabit Ethernet и 10GE.

Технология DWDM использует оптические мультиплексоры и усилители. Мультиплексор позволяет вводить и выводить волны различной длины в общий канал. Усилители предназначены для усиления оптического сигнала и очистке его от помех. Рекомендация Международного телекоммуникационного союза ITU-T G.692 определяет три типа усилительных участков, то есть участков между соседними мультиплексорами:

- L (Long) – участок может включать до 8 пролётов оптического кабеля и 7 оптических усилителей, максимальное расстоянии между усилителями 80 км при общей протяженности участка 640 км;

- V (Very Long) – участок может включать до 5 пролётов оптического кабеля и 4 оптических усилителя, максимальное расстоянии между которыми 120 км при общей протяженности участка 600 км;

- U (Ultra Long) – участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

Сети DWDM активно развиваются в нашей стране. В частности, оператор дальней связи фирма РосТелеКом обладает собственными магистральными сетями, связывающими Москву и Санкт-Петербург, Новосибирск и Хабаровск, а также некоторые другие города России.

Функцией физического уровня является передача данных.

Для соединения компьютеров может использоваться несколько типов сред передачи данных.

Неэкранированная витая пара, используется во многих сетях и представляет собой четыре пары скрученных между собой проводов.

Экранированная витая пара, которая объединяет методы экранирования, подавления помех и скручивания проводов.

Оптоволоконный кабель, является носителем, который способен проводить модулированный световой сигнал.

Для определения наиболее подходящего типа среды передачи данных могут использоваться различные критерии, например скорость передачи данных и стоимость.

Тема 5. Техническое обеспечение сетей – сетевые устройства

Вопросы темы:

Вопрос 1. Процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI. 29

Вопрос 2. Повторители. 30

Вопрос 3. Концентраторы. 31

Вопрос 4. Мосты. 33

Вопрос 5. Коммутаторы. 36

Вопрос 6. Маршрутизаторы. 37

Вопрос 1. Процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI.

Перед тем, как приступить к изучению сетевых устройств, рассмотрим процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI. В частности, каким образом данные определяют местонахождение требуемого пункта назначения в сети.

Если одно устройство хочет отправить данные другому устройству, то оно может установить связь этим устройством, используя его адрес доступа к среде передачи данных (МАС-адрес). Перед отправкой в сеть источник прикрепляет к отправляемым данным МАС-адрес требуемого получателя. По мере движения данных по носителю сетевые адаптеры (NIC) каждого устройства в сети сравнивают свой МАС-адрес с физическим адресом, содержащимся в пакете данных. Если эти адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует пакет данных и пакет продолжает движение по сети к следующему узлу; Если же адреса совпадают, сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения.

Хотя подход, при котором данные отправляются каждому устройству в сети, оправдывает себя для сравнительно небольших сетей, легко заметить, что с увеличением сети возрастает трафик. Это может стать серьезной проблемой, поскольку в один момент времени в кабеле может находиться только один пакет данных. Если же все устройства в сети объединяются одним кабелем, такой подход приводит к замедлению движения потока данных по сети.

Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей. По мере увеличения размеров и сложности компьютерных сетей усложняются и сетевые устройства, которые их соединяют.

Однако все сетевые устройства служат для решения одной или нескольких общих задач:

- Увеличивают расстояние, на которое может простираться сеть.

- Локализуют трафик в сети.

- Могут объединять существующие сети.

- Изолируют сетевые проблемы, делая их диагностику более простой.

На рис. 9 представлены символы следующих сетевых устройств: повторителя, концентратора, моста и маршрутизатора. Все эти устройства будут рассмотрены далее.

Рис. 9. К сетевым устройствам относятся повторители, концентраторы, мосты коммутаторы и маршрутизаторы

Вопрос 2. Повторители.

Подобно средам передачи данных, повторители относятся к уровню 1 (физическому) эталонной модели OSI. Чтобы понять, как работает повторитель, необходимо учесть, что данные перед отправкой в сеть преобразуются в последовательность электрических или световых импульсов, которые и перемещающихся в среде передачи данных. Эти импульсы называются сигналами. Когда сигналы покидают передающую станцию, они четкие и легко распознаются.

Однако чем длиннее кабель, тем сильнее затухает и ухудшается сигнал. В конце концов, это приводит к тому, что сигнал уже не может быть правильно распознан. Например, спецификации для витой пары категории 5 кабеля Ethernet устанавливают расстояние 100 метров как максимально допустимое для прохождения сигнала. Если сигнал проходит по сети больше указанного расстояния, то нет гарантии, что сетевой адаптер правильно распознает сигнал. Если такая проблема возникает, ее можно легко решить с помощью повторителя.

Повторители позволяют увеличить протяженность сети, гарантируя при этом, что сигнал будет распознан принимающими устройствами. Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть, тем самым увеличивая расстояния, на которых сеть может функционировать.

При организации сетей общей проблемой является слишком большое количество устройств, подключаемых к сети. Сигналы ухудшаются и становятся более слабыми, поскольку каждое устройство, подключенное к сети, становится причиной небольшого ослабления сигнала.

Более того, если сигнал проходит через слишком большое количество рабочих станций или узлов, он может оказаться настолько ослабленным, что принимающее устройство не сможет его распознать. Эту проблему также можно с помощью повторителя. Благодаря этому появляется возможность увеличить число узлов в сети.

Вопрос 3. Концентраторы.

В локальных сетях каждая станция подключается с помощью некоей передающей среды.

Как правило, у каждого сервера имеется только один сетевой адаптер. Как результат, непосредственное подключение всех рабочих станций к серверу невозможно. Чтобы решить эту проблему, в сетях используются концентраторы, которые являются наиболее распространенными сетевыми устройствами.

Вообще говоря, термин концентратор (hub - точка, центр активности) используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети. Ниже перечислены наиболее важные особенности концентраторов:

· усиливают сигналы;

· распространяют сигналы в сети;

· не выполняют фильтрацию;

· не занимаются маршрутизацией и коммутацией;

· используются как точки концентрации в сети.

Рис. 10. Концентратор – наиболее распространенное сетевое устройство, которое служит центром сети

Концентратор можно представить себе в виде устройства, которое содержит множество независимых, но связанных между собой модулей сетевого оборудования.

В локальных сетях концентраторы ведут себя как мультипортовые повторители. В таких случаях концентраторы используются, чтобы разделить сетевые носители и обеспечить множественное подключение.

Недостатком использования концентратора является то, что он не может фильтровать сетевой трафик. Фильтрацией называется процесс, в ходе которого в сетевом трафике контролируются определенные характеристики, например, адрес источника, адрес получателя или протокол, и на основании установленных критериев принимается решение – пропускать трафик дальше или игнорировать его. В концентраторе данные, поступившие на один порт, передаются дальше на все остальные порты. Следовательно, концентратор передает данные во все участки или сегменты сети, независимо от того, должны они туда направляться или нет.

Если имеется только один кабель, связывающий все устройства в сети, или если сегменты сети связаны только нефильтрующими устройствами (например, концентраторами), несколько пользователей могут попытаться послать данные в один и тот же момент времени. Если одновременно пытаются передавать несколько узлов, то возникает коллизия. В этом случае данные от разных устройств сталкиваются друг с другом и повреждаются. Область сети, в пределах которой сформировался пакет данных и возник конфликт, называют доменом коллизии.

Одним из методов решения проблемы слишком большого трафика и большого числа коллизий в сети является использование мостов.

Вопрос 4. Мосты.

Мосты работают на уровне 2 (канальном) эталонной модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Мост - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) физических сегментов локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.

Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и обычный узел.

Мосты фильтруют трафик только по МАС-адресу, поэтому они могут быстро пропускать трафик, представляющий любой протокол сетевого уровня. Так как мосты проверяют только МАС-адрес, протоколы не имеют для них значения. Как следствие, мосты отвечают только за то, чтобы пропускать или не пропускать кадры дальше, основываясь при этом на содержащихся в них МАС-адресах. Можно выделить следующие наиболее важные особенности мостов:

− Они более интеллектуальны, чем концентраторы, т.е. могут анализировать приходящие кадры и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации канального уровня.

− Принимают и пропускают кадры данных между двумя сетевыми сегментами.

− Управляют широковещательными кадрами в сети.

− Имеют и ведут внутренние таблицы адресов.

Пример использования моста показан на рис. 11.

Рис. 11. Мост может использоваться для соединения сегментов сети

Чтобы фильтровать и, соответственно, выборочно пропускать сетевой трафик, мосты строят таблицы соответствия всех МАС-адресов, находящихся в сети и других сетях.

Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Алгоритм их работы описан в стандарте IEEE 802.1D. Для прозрачных мостов сеть представляется наборами МАС-адресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый набор связан с определенным портом моста.

Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвижении кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из какого-либо его порта. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому - сетевому уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Таким образом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам передавать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим образом не влияя на их содержимое.

Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют достаточно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения интерсети.

Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более сетей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся сетевыми сегментами результирующей сети.

Каждый такой сегмент остается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновременно фиксируют и обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост ограничивает коллизии тем сегментом, в котором они возникают.

Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного порта на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использования мостов является увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на качество сигнала.

Прозрачные мосты имеют дело, как с адресом источника, так и с адресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост использует адрес источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов устройств. В этой таблице устанавливается принадлежность адреса узла какому-либо порту моста.

Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой данных.

Все порты моста работают в так называемом "неразборчивом" (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт кадры запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует проходящие через него кадры для изучения состава сети.

Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (после буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы данных адресов. Если адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. Если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта - либо кадр пришел с того же порта, который указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответствующая обрабатываемому адресу, обновляется - номер порта заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост «изучает» адреса устройств сети и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из-за способности моста к «обучению» к сети могут добавляться новые устройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процессе обучения (при этом адреса он должен задать сам). В случае статического адреса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадающим с хранящимся в базе, будет проигнорирован и база не обновится.

Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения кадра с адресами, хранящимися в его базе. Если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и адрес источника, то мост «фильтрует» (filtering) пакет, то есть удаляет его из своего буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком.

Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту, отличному от сегмента адреса источника, то мост определяет, какой из его портов связан с этим адресом и «продвигает» (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен получить доступ к среде подключенного к нему сегмента и передать кадр узлам данного сегмента.

Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исключением того порта, с которого он пришел. Такой процесс называется «затоплением» (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет помещен на все сегменты сети и, следовательно, доставлен адресату или адресатам. Точно также мост поступает по отношению к кадрам с неизвестным адресом назначения, затопляя им сегменты сети. Очевидно, что некоторое время после инициализации мост выполняет только операцию затопления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов сегментам сети.

Мост, работающий по описанному алгоритму, прозрачен не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста.

Даже при наличии моста в сети конечные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров.

Поэтому порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режиме «неразборчивого» захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отличает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным образом, указывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре.

Вопрос 5. Коммутаторы.

Функционально коммутатор (switch) работает как многопортовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заголовки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Отличие заключается в параллельной обработке поступающих кадров. В то время как мост обрабатывает кадр за кадром, коммутатор имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор - это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

К коммутатору, как и к мосту, можно подключать сегменты сети, образованные концентраторами. Если же к коммутатору подключён не сегмент, а отдельный компьютер, это называется микросегментацией. Обычно микросегментацию используют при подключении высокопроизводительных серверов, таких как серверы потокового видео или серверы баз данных.

При подключении к коммутатору отдельного компьютера или другого коммутатора появляется возможность использовать полнодуплексный режим работы. В технологиях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet полнодуплексный режим является одним из двух стандартных режимов работы. В таком режиме одновременная передача кадра сетевым адаптером коммутатору и коммутатором сетевому адаптеру коллизией не считается. Это позволяет обеспечить удвоенную скорость обмена данными, которая для устройств Fast Ethernet составляет 200 Мбит/с.

Внедрение технологии коммутации требовало замены только концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Данное обстоятельство способствовало широкому применению коммутаторов. При этом вся огромная установленная база оборудования конечных узлов - сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторителей и концентраторов – оставалась нетронутой, что давало огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-нибудь совершенно новую технологию.

Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что он, как и мост, является самообучающимся устройством, и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и стараться эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

Вопрос 6. Маршрутизаторы.

Другим типом устройств межсетевого взаимодействия являются маршрутизаторы (routers). Как было сказано выше, коммутаторы, прежде всего, используются для соединения сегментов сети. Маршрутизаторы же используются для объединения отдельных сетей и для доступа к Internet.

Они обеспечивают сквозную маршрутизацию при прохождении пакетов данных и маршрутизацию трафика между различными сетями на основании информации сетевого протокола или уровня 3 и способны принимать решение о выборе оптимального маршрута движения данных в сети. С помощью маршрутизаторов также может быть решена проблема чрезмерного широковещательного трафика, так как они не переадресовывают дальше широковещательные кадры, если им это не предписано.

Рис. 12. Маршрутизаторы используют сетевой уровень для определения оптимального маршрута доставки данных в сети и помогают сдерживать объем широковещательных пакетов

Маршрутизаторы и коммутаторы отличаются друг от друга в нескольких аспектах. Во-первых, мостовые соединения осуществляются на канальном уровне, в то время как маршрутизация выполняется на сетевом уровне эталонной модели OSI. Во-вторых, коммутаторы используют физические или МАС-адреса для принятия решения о передаче данных.

Маршрутизаторы для принятия решения используют различные схемы адресации, существующие на сетевом уровне. В частности, они используют адреса сетевого уровня, также называемые логическими, или IР-адресами (Internet Protocol). Поскольку IP-адреса реализованы в программном обеспечении и соотносятся с сетью, в которой находится устройство, иногда адреса уровня 3 называют еще протокольными или сетевыми адресами Физические или МАС-адреса обычно устанавливаются производителем сетевого адаптера и зашиваются в адаптере на аппаратном уровне; IP-адреса обычно назначаются сетевым администратором.

Чтобы маршрутизация была успешной, необходимо, чтобы каждая сеть имела уникальный номер. Этот уникальный номер сети включен в IP-адрес каждого устройства, подключенного к сети.

Рассмотрим уникальную сеть 1 с подключенными к ней тремя устройствами, IP-адреса которых – 1.1, 1.2, и 1.3. Поскольку интерфейс, с помощью которого маршрутизатор подключается к сети, является частью этой сети, порт, через который маршрутизатор подключается к сети 1, будет иметь IP-адрес 1.4.

Рис. 13. Сеть 1 с тремя подключенными к ней устройствами

Предположим теперь, что есть сеть 2, содержащая четыре устройства, которая подключена к другому интерфейсу того же маршрутизатора. IP-адреса устройств в этой сети будут 2.1, 2.2, 2.З и 2.4, а IP-адрес второго интерфейса маршрутизатора – 2.5.

Предположим далее, что данные были посланы из одной сети в другую.

Отправитель находится в сети 1, получатель – в сети 2, и к маршрутизатору подключены сети 1, 2, и 3. Когда логически сгруппированный модуль информации, называемый кадром (фреймом), достигает маршрутизатора, последний выполняет следующие действия.

Определяет и отбрасывает канальный заголовок и концевик, которые содержатся в кадре.

Канальным заголовком называется информация, которая прикрепляется к данным в ходе инкапсуляции и содержит МАС-адреса отправителя и получателя. Это позволяет маршрутизатору исследовать сетевой уровень, чтобы определить сеть адресата.

Сверяется со своей таблицей маршрутизации, которая содержит маршруты к конкретным сетям, и определяет порт, через который ему необходимо отправить данные, чтобы те добрались до сети пункта назначения.

Таким образом, маршрутизатор пошлет данные из сети 1 в сеть 2 через порт с IP-адресом 2.5. Однако перед фактической отправкой данных из порта 2.5 маршрутизатор инкапсулирует данные в соответствующий канальный кадр.

Рис. 14. Маршрутизатор определяет путь прохождения данных из сети 1 в сеть 2 по IP-адресу 2.5

Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей.

Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть.

Термин концентратор (hub) используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети.

Область сети, в пределах которой пакет данных порождается и вступает в конфликт, называется доменом коллизий.

Мосты устраняют лишний трафик и уменьшают вероятность возникновения конфликтов. Это достигается за счет разделения сети на сегменты и фильтрации трафика по адресу станции или МАС-адресу.

Коммутатор (switch) можно рассматривать как многопортовый быстродействующий мост, объединяющий несколько сегментов сети.

Маршрутизаторы (routers) способны принимать интеллектуальные решения о выборе оптимального маршрута доставки данных в сети.

Тема 6. Организация функционирования локальных сетей. Технология Ethernet

Все данные в сети отправляются источником и движутся в направлении получателя. К тому же, было определено, что функцией физического уровня является передача данных. После того как данные отправлены, канальный уровень эталонной модели OSI обеспечивает доступ к сетевым среде передачи данных и физическую передачу в среде, позволяющей данным определять местоположение адресата в сети. Также канальный уровень отвечает за выдачу сообщений об ошибках, учет топологии сети и управление потоком данных.

В эталонной модели OSI канальный и физический уровни являются смежными. Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический уровень. Этот уровень использует адрес управления доступом к среде передачи данных (Media Access Control, MAC). Как было сказано ранее, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, дисциплины линий связи (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров и управления потоком информации. Кроме того, канальный уровень использует МАС-адрес в качестве средства задания аппаратного или канального адреса, позволяющего нескольким станциям коллективно использовать одну и ту же среду передачи данных и одновременно уникальным образом идентифицировать друг друга. Для того чтобы мог осуществляться обмен пакетами данных между физически соединенными устройствами, относящимися к одной локальной сети, каждое устройство-отправитель должно иметь МАС- адрес, который оно может использовать в качестве адреса пункта назначения.

Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) «зашит» на плате сетевого адаптера.

Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный МАС-адрес.

В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом.

Отправляемые источником данные содержат МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству.

Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения.

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIC) преобразуют кадры данных в сигналы для передачи по сети, В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера.

Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.

Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети – компьютере. Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно.

Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

Тема 7. Локальные вычислительные сети

Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (диаметром до 10 км) внутри учреждений, НИИ, вузов, банков, офисов и т.п., т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых множеству подключенных устройств (обычно ПК). Они подключают компьютеры и службы к общей среде физического уровня.

К устройствам локальной сети относятся следующие устройства.

Мосты. Подключают сегменты локальной сети и помогают фильтровать трафик.

Концентраторы. Концентрируют соединения локальной сети и позволяют использовать в качестве среды передачи данных витую пару.

Коммутаторы. Обеспечивают сегментам и настольным системам дуплексную связь и выделенную полосу пропускания.

Маршрутизаторы. Обеспечивают большое количество сервисов, включая организацию взаимодействия сетей и управление широковещанием.

Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и Token Ring, которые применяются практически во всех существующих локальных сетях.

Рис. 15. Наиболее широко в локальных сетях используются технологии Ethernet, FDDI и Token Ring

Стандарты локальных сетей определяют вид кабельных систем и сигналы на физическом и канальном уровнях эталонной модели OSI. В этой книге будут рассмотрены стандарты Ethernet IEEE 802.3, так как именно в соответствии с этими стандартами работает большинство локальных сетей.

Тема 8. Принципы работы сети Ethernet

Вопросы темы:

Вопрос 1. Физический уровень Ethernet. 45

Вопрос 2. Как работает сеть Ethernet. 46

Технология Ethernet была разработана Исследовательским центром корпорации Xerox – Xerox PARC в 1970 году и является на сегодняшний день наиболее популярным стандартом.

Ethernet представляет собой семейство технологий, отличающихся, главным образом, скоростью и типом физической среды передачи – собственно Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и стандарт 10GE со скоростью 10 Гбит/с.

Ethernet описан в стандарте IEEE 802.3. Более поздние технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet описываются в приложениях к этому стандарту - IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно.

Вопрос 1. Физический уровень Ethernet.

Первоначально в технологии Ethernet использовались тонкий и толстый коаксиальный кабель, а также витая пара и оптоволокно. Спецификация физического уровня Ethernet на тонком коаксиальном кабеле получила название 10Base2. Здесь цифра 10 означает скорость передачи в Мбит/с, Base – метод передачи на одной базовой частоте (в отличие от Broadband методов, использующих несколько несущих), а последний символ названия обозначает тип кабеля.

Спецификация физического уровня, использующая толстый коаксиальный кабель называется 10Base5, спецификация на витой паре – 10BaseТ, а спецификации, использующие оптоволокно – l0Base-FL, l0Base-FB.

В настоящее время сегменты на коаксиальном кабеле практически не встречаются. Отказ от коаксиального кабеля объясняется сложностью его прокладки, а также небольшой пропускной способностью данного типа кабеля (в редких случаях доходящей до 30 Мбит/с при использовании специального оборудования). Современные модификации Ethernet – Fast Ethernet и Gigabit Ethernet – используют витую пару и оптоволоконный кабель в качестве среды передачи.

Стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

· 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

· 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3,4 или 5;

· 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

В Gigabit Ethernet используются одномодовое и многомодовое оптоволокно (спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX), твинаксиальный кабель (спецификация 1000Base-CX) и витая пара UTP категории 5 (спецификация 1000Base-T). Существуют коммутаторы, которые позволяют соединять сегменты на витой паре с помощью оптоволоконного кабеля.

Вопрос 2. Как работает сеть Ethernet.

Сети семейства Ethernet являются сетями со случайным доступом. Т.е. протоколы Ethernet не гарантируют стации доступ к каналу. Однако при реализации такие протоколы оказались проще остальных, что определило их популярность у разработчиков. Кроме того, в большинстве локальных сетей метод случайного доступа оказывается одним из наиболее эффективных.

На канальном уровне данные передаются в виде кадров. Каждая станция указывает в заголовке кадра МАС-адрес станции, которой она хочет передать данные, свой МАС-адрес, а также другую полезную информацию. После заголовка следуют передаваемые данные и концевик кадра (трейлер), содержащий код контроля ошибок. Наиболее распространённая структура кадра Ethernet приведена на рисунке:

DA – destination address, МАС-адрес узла назначения,

SA – source address, МАС-адрес узла источника,

T/L – type или length, тип протокола, который вложил свой пакет в кадр или длина кадра,

Data – данные,

CRC – код контроля ошибок.

При передаче данных в сети Ethernet каждая станция анализирует заголовок кадра, распознавая свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения. Если станция узнаёт свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения, то она принимает данный кадр. В противном случае станция заканчивает приём кадра, очищая свой буфер приёма. Например, кадр данных передается от станции А к станции D. Заголовок кадра просматривается всеми станциями. Станция D распознает свой адрес и обрабатывает кадр. Станции В и С не распознают свои МАС-адреса и игнорируют кадр (рис. 16).

Рис. 16. Станция D распознает свой адрес и принимает кадр; станции В и С не распознают свои МАС-адреса и игнорируют его

Тема 9. Широковещание в сети Ethernet

Иногда возникает ситуация при которой кадр должен быть доставлен всем узлам в сегменте. Тогда в поле адреса узла назначения должен быть указан адрес, который распознали бы все станции. В соответствие со стандартом таким адресом является адрес, состоящий только из единиц, т.е. FFFF. FFFF. FFFF – в шестнадцатеричной системе.

К примеру, если станция А передает кадр, используя в качестве адреса узла назначения адрес, состоящий из всех единичек, то станции В, С и D должны принять этот кадр и передать его верхним уровням для дальнейшей обработки. Широковещание может серьезно влиять на производительность станций, излишне отвлекая их. По этой причине широковещание должно применяться, только если МАС-адрес не известен или если данные предназначаются для всех станций.

Технология Ethernet является технологией коллективного использования среды передачи данных. Это означает, что все устройства в сети должны следить за передачами в сети и конкурировать за возможность, или право, на передачу. Это также означает, что в один и тот же момент времени в сети возможна только одна передача.

Как было сказано ранее, «Сетевые устройства», если более чем один узел пытается осуществить передачу, имеет место коллизия. Вследствие этого данные от разных устройств сталкиваются между собой и повреждаются. Если устройство обнаруживает, что имеет место коллизия, то его сетевой адаптер выдает сигнал повторной передачи с задержкой.

Поскольку задержка перед повторной передачей определяется алгоритмом над случайными величинами, величина этой задержки различна для каждого устройства в сети. Таким образом, вероятность повторного возникновения коллизии уменьшается. Однако, если трафик в сети очень напряженный, повторные коллизии приводят к повторным передачам с задержкой, что вызывает значительное замедление работы сети.

Тема 10. Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий

В Ethernet применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD). Использование метода CSMA/CD позволяет устройствам конкурировать за права на передачу. Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети.

В методе CSMA/CD невозможна одновременная передача данных от двух или более узлов.

Более того, метод не даёт гарантии, что какая-либо станция получит возможность передать свои данные в сеть.

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры и снабжаются уникальным МАС- адресом станции назначения. Перед отправкой данных узел «прослушивает» сеть, чтобы определить, можно ли осуществлять передачу, или сеть сейчас занята.

Если в данный момент сеть никем не используется, узел осуществляет передачу. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Пока идет передача, узел-отправитель контролирует сеть, удостоверяясь, что в этот же момент времени не передает никакая другая станция.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap). Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. По окончании паузы узлы снова могут передавать свои кадры, так как среда свободна.

Если сеть занята, узел переходит в режим ожидания. Возникновение коллизий возможно в том случае, если два узла, «прослушивая» сеть, обнаруживают, что она свободна, и одновременно начинают передачу. В этом случае возникает коллизия, данные повреждаются и узлам необходимо повторно передать данные позже. Когда передающий узел узнает о коллизии, он передает сигнал «Наличие коллизии», делающий конфликт достаточно долгим для того, чтобы его могли распознать все другие узлы сети. После этого все передающие узлы прекращают отправку кадров и независимо друг от друга выбирают случайным образом отрезок времени, называемый временем задержки повторной передачи. По истечении этого периода осуществляется повторная передача. Если последующие попытки также заканчиваются неудачно, узел повторяет их до 1б раз, после чего отказывается от передачи.

Время задержки для каждого узла разное. Если различие в длительности этих периодов задержки достаточно велико, то повторную передачу узлы начнут уже не одновременно. С каждой последующей коллизией время задержки удваивается, вплоть до десятой попытки, тем самым уменьшая вероятность возникновения коллизии при повторной передаче. С 10-й по 16-ю попытку узлы время задержки больше не увеличивают, поддерживая его постоянным.

Несложно увидеть, что описанный метод носит вероятностный характер, и вероятность успешного доступа к общей среде зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности потока кадров. При большой загруженности сети станция после 16 попыток откажется от передачи кадра, делая вывод, что сегмент неработоспособен. Если такие ситуации возникают часто, то следует задуматься об уменьшении числа станций в сегменте сети или о переходе на использование коммутаторов.

Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых множеству подключенных устройств (обычно ПК).

ЛВС подключают компьютеры и службы к общей среде физического уровня.

Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet, FDDI и Token Ring.

Ethernet это семейство технологий, включающее собственно Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и стандарт 10GE.

В Ethernet применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD)

Коллизия это ситуация при которой два узла, "прослушивая" сеть, обнаруживают, что она свободна, и одновременно начинают передачу. При этом данные обоих узлов искажаются, а узлы приостанавливают передачу на случайное время.

Тема 11. Организация функционирования глобальных сетей. Технология АТМ

Территориальные вычислительные сети (глобальные, региональные, корпоративные), появление которых обусловлено достижениями научно-технического прогресса и объясняется потребностью в обмене информацией, стали неотъемлемой частью осуществления программ сотрудничества между странами. В настоящее время функционирует множество компьютерных сетей, используемых в научных и образовательных целях, в бизнесе, финансово-экономической деятельности, реализации совместных научно-технических программ и многих других применений. Следует, прежде всего, выделить глобальную сеть Internet, объединяющую множество других сетей и позволяющую войти в мировое сообщество. Internet предоставляет пользователям практически неограниченные информационные ресурсы.

На характере развития сетевых структур в любой развитой стране в большой степени отражаются общие мировые тенденции развития КС. Одна из них – тенденция объединения в той или иной форме различных сетевых структур, обусловленная необходимостью предоставления пользователям возможности связи с компьютером, телефоном или факсом, находящимся в любой точке планеты.

Процессу объединения сетей способствует развитие их архитектуры в направлении создания национальных и международных ассоциаций систем связи, в которых используются ЭВМ, изготовленные различными производителями и управляемые различными ОС. Это стало возможно, так как в основу моделей и архитектуры сетей положены международные стандарты. В результате во всех развитых странах в настоящее время выпускаются в основном разнообразные технические и программные средства территориальных и локальных сетей нового типа – открытых сетей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Арендуемые элементы глобальной сети

Достаточно часто для организации или предприятия нецелесообразно строить глобальную сеть целиком на собственных элементах, то есть собственных кабельных линиях связи, каналообразующей аппаратуре DWDM и собственных коммутаторах или маршрутизаторах. Чаще всего глобальная сеть принадлежит телекоммуникационной компании, которая предоставляет службы своей сети в аренду. При отсутствии такой сети, предприятия арендуют выделенные или коммутируемые каналы у оператора дальней связи и строят на них собственную глобальную (территориальную) сеть.

Канальный уровень глобальных сетей

В последнее время наблюдается сближение сетей всех видов – компьютерных, телефонных, сетей кабельного телевидения и др. Это означает, что в идеале глобальная сеть должна предоставлять разнообразные услуги: передачу пакетов компьютерных сетей, передачу трафика офисных, городских и междугородних АТС, обмен факсами и видеоизображениями, передачу трафика банкоматов и кассовых аппаратов. Эти виды трафика предъявляют различные требования к качеству услуг по передаче. Например, небольшие задержки пакетов компьютерных сетей незначительно влияют на их работу, а задержки трафика АТС серьёзно ухудшают качество связи между абонентами. Поэтому в последние годы ведутся работы по развитию механизмов обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS) в глобальных сетях.

Канальный уровень глобальной сети составляют технологии асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ) и многопротокольной коммутации с помощью меток (MultiProtocol Label Swiching, MPLS).

Рассмотрим организацию сетей АТМ.

АТМ является технологией, основанной на предварительном соединении. Поэтому перед посылкой данных необходимо отправить пакет для установки связи. По мере прохождения этого установочного пакета по узлам подсети все маршрутизаторы делают записи в своих внутренних таблицах, отмечая тем самым наличие соединения и резервируя для него определенные ресурсы.

Устанавливаемые соединения в терминологии АТМ часто называют виртуальными каналами, по аналогии с физическими каналами, имеющимися в телефонной системе. В большинстве сетей АТМ также имеются постоянные виртуальные каналы, представляющие собой постоянные соединения между двумя удаленными друг от друга хостами. Они напоминают выделенные телефонные линии. У каждого соединения (как временного, так и постоянного) есть свой уникальный идентификатор.

После установки соединения любая из сторон может начать передачу данных. В основе технологии АТМ лежит идея передачи информации небольшими пакетами фиксированной длины, называемых ячейками (cells). Ячейки имеют размер 53 байта, из которых 5 байт составляют заголовок, а 48 несут полезную нагрузку. Частью заголовка является идентификатор соединения, поэтому как хосты (отправляющий и принимающий), так и все маршрутизаторы, встречающиеся на пути, знают, какая ячейка принадлежит какому соединению. Эта информация позволяет маршрутизатору направить каждый входящий пакет в нужном направлении. Определение маршрута производится на аппаратном уровне с высокой скоростью. Основным аргументом в пользу ячеек фиксированной длины является тот факт, что можно легко организовать аппаратную обработку маршрутизаторами коротких пакетов известной длины. Еще одним плюсом АТМ является то, что можно настроить аппаратуру на размножение входящего пакета на множество выходных линий. Такое свойство требуется для организации некого подобия телевизионной программы, которая методом широковещания пересылается большому количеству абонентов.

Наконец, небольшие ячейки вряд ли смогут заблокироваться линию надолго, что гарантирует определенный уровень качества обслуживания.

Все ячейки следуют по одному и тому же маршруту, поэтому верный порядок их доставки гарантируется, хотя сама доставка — нет. Сети АТМ организованы по принципу традиционных региональных сетей, линиями и коммутаторами (маршрутизаторами). Наиболее распространенные скорости работы АТМ - это 155 и 622 Мбит/с, однако можно использовать и более высокие скорости.

Сети АТМ не зависят от используемой технологии физического уровня и могут с успехом строиться на основе первичных сетей DWDM.

Глобальные сети (WAN) используются для объединения локальных сетей, разделенных значительными географическими расстояниями.

Глобальные сети работают на физическом и канальном уровнях эталонной модели OSI.

Канальный уровень глобальной сети составляют технологии АТМ и MPLS.

Сети АТМ являются сетями с предварительным установлением соединения.

Сети АТМ оперируют ячейками фиксированной длины.

Глобальные сети обеспечивают обмен пакетами данных между локальными сетями и поддерживающими их маршрутизаторами.

Тема 12. Программное обеспечение сетей – стеки сетевых протоколов

Вопросы темы:

Вопрос 1. Краткое описание стека TCP/IP.

Вопрос 2. Сетевой уровень в семействе TCP/IP.

Вопрос 3. Двоичная и десятичная IP-адресация.

Вопрос 4. Зарезервированные IP-адреса.

Вопрос 5. Использование масок при IP-адресации.

Вопрос 6. Фрагментация.

Вопрос 7. Формат заголовка IP-пакета.

Семейства сетевых протоколов, иногда называемые стеками протоколов, реализуют функции верхних уровней модели OSI. Было разработано несколько стеков сетевых протоколов (IPX/SPX, SMB/NetBIOS и др), но в настоящее время наибольшую популярность завоевал стек TCP/IP, разработанный Управлением перспективных исследований и разработок министерства обороны США.

В данном параграфе речь пойдет о стеке протоколов TCP/IP и его работе по обеспечению обмена данными через произвольное количество взаимосвязанных сетей.

Вопрос 1. Краткое описание стека TCP/IP.

Семейство протоколов под общим названием TCP/IP было разработано в ходе исследовательской работы, выполненной Управлением перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) в начале 80-х гг ХХ века. Первоначально стек использовался для обеспечения связи между компьютерами внутри самого управления.

Существенный вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии операционной системы UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. Протоколы стека TCP/IP стали стандартом де-факто и в настоящее время они реализованы в ОС семейства Microsoft Windows, Novell NetWare, Mac OS X и др.

Стеку TCP/IP уделяется основное внимание по нескольким причинам:

· Стек TCP/IP является универсально доступным, и с большой долей вероятности он будет использоваться в работе любой вновь организуемой сети.

· Стек TCP/IP представляет собой полезный пример для понимания работы других протоколов, так как он включает элементы, которые типичны и для других протоколов.

· Стек TCP/IP важен, поскольку он используется маршрутизаторами в качестве средства конфигурирования.

Рассмотрим структуру стека TCP/IP. Семейство протоколов TCP/IP было разработано до появления модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO. Стек протоколов содержит четыре уровня (табл.1.), каждый из которых решает часть задачи по организации надежной работы составной сети.

Таблица 1.

Многоуровневая структура стека TCP/IP

Вопрос 2. Сетевой уровень в семействе TCP/IP.

Стержнем стека TCP/IP является протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP), относящийся к сетевому уровню.

Протокол IP создан для использования в объединенных системах компьютерных коммуникационных сетей с коммутацией пакетов. Он обеспечивает передачу блоков данных, называемых датаграммами или пакетами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются хост-компьютерами, идентифицируемыми IP-адресами фиксированной длины. Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку датаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов.

Internet Protocol специально ограничен задачами обеспечения функций, необходимых для передачи IP датаграммы от отправителя к получателю через объединенную систему компьютерных сетей. Нет механизмов для увеличения достоверности конечных данных, управления протоколом, синхронизации или других услуг. Все эти механизмы реализуются на транспортном уровне стека с помощью вышеописанных средств протокола TCP.

Протокол IP выполняет две главные функции: адресацию и фрагментацию.

В параграфе "Физический уровень передачи данных", говорилось, что МАС- адресация существует на канальном уровне эталонной модели OSI, и поскольку большинство компьютеров имеют одно физическое подключение к сети, то они имеют один МАС-адрес. МАС-адреса назначаются производителями оборудования (сетевых карт и маршрутизаторов) и являются уникальными адресами.

В IP-сетях узел имеет IP-адрес (произноситься как «ай пи адрес»), который представляет собой уникальный 32-битовый (в четвёртой версии протокола IP) или 128-битовый (в шестой версии) логический адрес. IP-адресация существует на сетевом уровне (уровне 3) эталонной модели OSI. В отличие от МАС-адресов, которые обычно существуют в плоском адресном пространстве, IP-адреса имеют иерархическую структуру. Можно сказать, что каждая ЛВС имеет свой уникальный номер (который выдаётся международной организацией), и этот номер позволяет однозначно идентифицировать локальную сеть в пределах глобальной сети (например, в Internet). Узлы внутри сети также нумеруются – администратор во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов присваивает им номер узла. Таким образом, каждый компьютер (и порт маршрутизатора) получает IP-адрес, который состоит из двух частей: номера сети и номера узла.

Каждая организация, представленная в списке сети, видится как одна уникальная сеть, до которой сначала надо установить маршрут и только после этого можно будет связаться с каждой отдельной хост-машиной этой организации. Как показано на рис. 17, каждая сеть имеет свой адрес, который относится ко всем хост-машинам, принадлежащим данной сети. Внутри сети каждая хост-машина имеет свой уникальный адрес.

Рис. 17. Уникальная адресация позволяет конечным станциям связываться между собой

Если устройство переносится из одной сети в другую, его IP-адрес должен быть изменен, чтобы отразить это перемещение. Так если компьютер с адресом А.1 перенести в сеть С, то ему надо будет присвоить адрес C.5.

Вопрос 3. Двоичная и десятичная IP-адресация.

IP-адреса записываются в виде битов, поскольку содержащаяся в них информация должна быть понятной компьютерам. Для того чтобы данные могли передаваться в среде передачи данных, они должны быть сначала преобразованы в электрические импульсы. Когда компьютер принимает эти электрические импульсы, он распознает только два состояния: наличие или отсутствие напряжения в кабеле. В четвёртой версии протокола IP IP-адрес представляет собой 32-разрядное двоичное число, записанное в виде четырех октетов или групп, каждая из которых состоит из восьми двоичных знаков (нулей и единиц). Таким образом, в IP-адресе, записанном как 11000000.00000101.00100010.00001011, первый октет представляет собой двоичное число 11000000, второй октет – двоичное число 00000101, третий октет – двоичное число 00100010, четвертый октет – двоичное число 00001011. Число, состоящее из 32 знаков запомнить очень тяжело. Поэтому для обозначения 32-битовых чисел в IP-адресах используются десятичные числа.

Это называется представлением в десятичной форме с разделением точками.

Чтобы перевести IP-адрес 11000000.00000101.00100010.00001011 в этот упрощенный формат, надо каждое из этих 8-битовых чисел преобразовывать в его десятичный эквивалент.

Такое преобразование можно сделать, например, с помощью программы Microsoft «Калькулятор» (переключатели Dec и Bin). В результате двоичное число 11000000.00000101.00100010.00001011 преобразуется в точечно-десятичное число 192.5.34.11.

В шестой версии протокола IP адреса имеют длину 128 бит и записываются в виде шестнадцатеричных чисел.

Вопрос 4. Зарезервированные IP-адреса.

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.

• Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того u1091 узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP.

• Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

• Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast).

• Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback. Можно отнести адрес 127.0.0.0 ко внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 - к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3. Некоторые IP-адреса являются немаршрутизируемыми (частными), т.е. пакеты, отправленные с такого или на такой адрес, будут отброшены первым же маршрутизатором Интернета. Немаршрутизируемые IP-адреса предназначены для использования в локальных сетях, подключённых к Интернету. Такие сети часто подключаются к Интернету с помощью шлюза с трансляцией сетевых адресов (Network Address Translation, NAT). Получая IP-пакет, шлюз заменяет в нём немаршрутизируемый (частный) IP-адрес источника на свой маршрутизируемый (реальный) адрес. Таким образом, для наблюдателя в Интернете все пакеты, исходящие из такой сети, представляются пакетами, отправляемыми с одного адреса. Это повышает безопасность локальной сети, т.к. наблюдатель не может раскрыть её структуру и обеспечивает экономию IP-адресов, т.к. одни и те же частные IP-адреса могут использоваться во множестве локальных сетей.

Если же локальная сеть создана для работы в «автономном режиме», без связи с Интернет, тогда администратор этой сети волен назначить ей произвольно выбранный номер. Но и в этой ситуации рекомендуется назначить сети адрес из немаршрутизируемого (частного) диапазона.

Частные IP-адреса выбираются из следующих диапазонов:

· 10.0.0.1 – 10.255.255.254 с маской 255.0.0.0;

· 172.16.0.0 - 172.31.255.254 с маской 255.255.0.0;

· 192.168.0.1 – 192.168.255.254 с маской 255.255.255.0.

О том, что такое маска Вы узнаете из следующего раздела.

Вопрос 5. Использование масок при IP-адресации.

Выше было сказано, что IP-адрес состоит из номера сети и номера узла. Однако встаёт вопрос: как маршрутизаторы отделяют номер сети от номера узла? Традиционно эта проблема решалась с помощью классов IP-адресов. Так в IP-адресах класса А на номер сети отводится первый октет IP-адреса. В IP-адресах класса В – первый и второй октеты, а в IP-адресах класса С – первый, второй и третий октеты.

Чем больше бит отводится на номер сети, тем меньше бит остаётся на номер узла, следовательно, такая сеть может содержать меньшее количество узлов. Для сети класса А количество узлов может достигать 224, то есть 16 777 216 узлов, а для класса В – 216, что составляет 65 536 узлов. В сети класса С число узлов ограничено 28, то есть 256 узлами. В настоящее время наиболее распространены сети класса С, а все адреса сетей класса А являются занятыми, поскольку их количество ограничено 126 (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для взаимодействия процессов в пределах одной машины, о чем сказано выше).

Для определения границы между номером сети и номером узла сейчас широко используются маски сети. Маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

· класс А - 11111111.00000000.00000000.00000000 (255.0.0.0);

· класс В - 11111111.11111111.00000000.00000000 (255.255.0.0);

· класс С - 11111111.11111111.11111111.00000000 (255.255.255.0).

Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адресов и сделать более гибкой систему адресации. Например, если адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номером сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это определено системой классов.

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде:

IP-адрес 129.64.134.5 - 10000001.01000000.10000110.00000101

Маска 255.255.128.0 - 11111111.11111111.10000000.00000000

Если игнорировать маску, то в соответствии с системой классов адрес 129.64.134.5 относится к классу В, а значит, номером сети являются первые 2 байта - 129.64.0.0, а номером узла - 0.0.134.5.

Если же использовать для определения границы номера сети маску, то 17 последовательных единиц в маске, «наложенные» на IP-адрес, определяют в качестве номера сети в двоичном выражении число:

10000001. 01000000. 10000000. 00000000 или в десятичной форме записи - номер сети 129.64.128.0, а номер узла 0.0.6.5.

Для записи масок используются различные форматы. Например, удобно интерпретировать значение маски, записанной в шестнадцатеричном коде: FF.FF.00.00 - маска для адресов класса В.

Часто встречается и такое обозначение 185.23.44.206/16 - эта запись говорит о том, что маска для этого адреса содержит 16 единиц или, что в указанном IP-адресе под номер сети отведено 16 двоичных разрядов.

Механизм масок широко распространен в IP-маршрутизации, причем маски могут использоваться для самых разных целей. С их помощью администратор может разделять свою сеть на подсети, не требуя от поставщика услуг дополнительных номеров сетей. На основе этого же механизма поставщики услуг могут объединять адресные пространства нескольких сетей путем введения так называемых «префиксов» с целью уменьшения объема таблиц маршрутизации и повышения за счет этого производительности маршрутизаторов.

Модули IP используют IP-адреса, помещенные в заголовок, для передачи IP пакетов их получателям. Выбор пути передачи называется маршрутизацией.

Модули IP используют поля в заголовке пакетов для фрагментации и восстановления IP пакетов, когда это необходимо для их передачи через сети с малым размером пакетов.

Сценарий действия состоит в том, что IP пакет меняет размер на каждом из хостов, задействованных в internet-коммуникации и на каждом из шлюзов, обеспечивающих взаимодействие между сетями. Эти модули придерживаются общих правил для интерпретации полей адресов, для фрагментации и сборки IP пакетов. Кроме этого, данные модули (и особенно шлюзы) имеют процедуры для принятия решений о маршрутизации, а также другие функции.

Протокол IP обрабатывает каждый IP пакет как независимую единицу, не имеющий связи ни с какими другими пакетами. Протокол не имеет дело ни с соединениями, ни с логическими цепочками (виртуальными или какими-либо другими).

Протокол IP использует четыре ключевых механизма для формирования своих услуг: задание типа сервиса, времени жизни, опций и контрольной суммы заголовка.

Тип сервиса используется для обозначения требуемой услуги. Тип сервиса ‐ это набор параметров, который характеризует набор услуг, предоставляемых сетями, и составляющих собственно протокол IP. Этот способ обозначения услуг должен использоваться шлюзами для выбора рабочих параметров передачи в конкретной сети, для выбора сети, используемой при следующем переходе пакета, для выбора следующего шлюза при маршрутизации IP пакета.

Механизм времени жизни служит для указания верхнего предела времени жизни IP пакета. Этот параметр устанавливается отправителем пакета и уменьшается в каждой точке на проходимом пакетом маршруте. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как IP пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни (Time to Live, TTL) можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Этот параметр введён для недопущения перегрузки сети «вечными» потерявшимися пакетами.

Механизм опций предоставляет функции управления, которые являются необходимыми или просто полезными при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Механизм опций предоставляет такие возможности, как временные штампы, безопасность, специальная маршрутизация.

Контрольная сумма заголовка обеспечивает проверку того, что информация, используемая для обработки пакетов, передана правильно. Данные могут содержать ошибки. Если контрольная сумма неверна, то IP пакет будет уничтожен, как только ошибка будет обнаружена.

Протокол IP не обеспечивает надежности коммуникации. Не имеется механизма подтверждений ни между отправителем и получателем, ни между хост-компьютерами. Не имеется контроля ошибок для поля данных, только контрольная сумма для заголовка. Не поддерживается повторная передача, нет управления потоком.

Обнаруженные ошибки могут быть оглашены посредством протокола ICMP (Internet Control Message Protocol), который поддерживается модулем IP протокола.

Вопрос 6. Фрагментация.

Фрагментация Internet датаграммы необходима, когда эта датаграмма возникает в локальной сети, позволяющей работать с пакетами большого размера, и затем должна пройти к получателю через другую локальную сеть, которая ограничивает пакеты меньшим размером.

Internet датаграмма может быть помечена как нефрагментируемая. Любая Internet датаграмма, помеченная таким образом, не может быть фрагментирована модулем Internet ни при каких условиях. Если же Internet датаграмма, помеченная как нефрагментируемая, тем не менее не может достигнуть получателя без фрагментации, то вместо этого она будет разрушена.

Фрагментация, перенос и сборка в локальной сети, невидимые для модуля Internet протокола, называются внутрисетевой фрагментацией и могут быть всегда использованы.

Необходимо, чтобы Internet процедуры фрагментации и сборки могли разбивать датаграмму на почти любое количество частей, которые впоследствии могли бы быть вновь собраны. Получатель фрагмента использует поле идентификации для того, чтобы быть убежденным в том, что фрагменты различных датаграмм не будут перепутаны. Поле смещения фрагмента сообщает получателю положение фрагмента в исходной датаграмме. Смещение фрагмента и длина определяют кусок исходной датаграммы, принесенный этим фрагментом.

Флаг «more fragments» установленный в ноль показывает появление последнего фрагмента. Эти поля дают достаточное количество информации для сборки датаграмм.

Поле идентификации позволяет отличить фрагменты одной датаграммы от фрагментов другой. Модуль Internet, отправляющий Internet датаграмму, устанавливает в поле идентификации значение, которое должно быть уникальным для данной пары отправитель - получатель, а также время, в течении которого датаграмма будет активна в системе Internet.

Модуль протокола, отправляющий нерасчлененную датаграмму, устанавливает в нуль флаг «more fragments» и смещение во фрагменте.

Чтобы расчленить большую Internet датаграмму, модуль протокола Internet (например, шлюз), создает две новые Intenet датаграммы и копирует содержимое полей Internet заголовка из большой датаграммы в оба новых Internet заголовка. Данные из старой датаграммы делятся на две части по границе на очередном восьмом байте (64 бита). Полученная таким образом вторая часть может быть кратна 8 октетам, а может и не быть, но первая часть кратна всегда. Первая часть данных помещается в первую новую Internet датаграмму, в поле общей длины помещается длина первой датаграммы. Флаг «more fragments» устанавливается в единицу.

Вторая часть данных помещается во вторую новообразованную Internet датаграмму, в поле общей длины заносится длина второй датаграммы. В поле смещения фрагмента во второй Internet датаграмме устанавливается значение такого же поля в исходной большой датаграмме, увеличенное на длину поля данных первой датаграммы.

Эта процедура может быть обобщена на случай многократного расщепления исходной датаграммы.

Чтобы собрать фрагменты Internet датаграммы, модуль протокола Internet (например, модуль на хост-компьютере) объединяет Internet датаграммы, имеющие одинаковые значения в полях идентификатора, отправителя, получателя и протокола. Собственно объединение заключается в помещении данных из каждого фрагмента в позицию, указанную в заголовке Internet пакета в поле «fragment offset» (смещение фрагмента). Первый фрагмент будет иметь в поле «fragment offset» нулевое значение, а последний фрагмент будет иметь флаг «more fragments», вновь установленный в нуль.

Вопрос 7. Формат заголовка IP-пакета.

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру:

Номер версии - номер версии показывает формат заголовка протокола IP. В настоящее время используются 4 и 6 версии протокола. В этом разделе описана 4 версия. Длина заголовка - длина Internet заголовка измеряется в словах по 32 бита каждый и указывает на начало поля данных. Заметим, что корректный заголовок может иметь минимальный размер 5 слов.

Тип сервиса – Используется пока очень редко и обычно устанавливается в ноль. Тип сервиса определяет тип требуемого обслуживания. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью.

PR – приоритет (3 бита). Имеется 8 уровней приоритета: от 000 – обычный маршрут, до 111 – управление сетью.

D – задержка (1 бит). 0 – нормальная задержка, 1 – малая задержка.

T – пропускная способность. 0 – нормальная пропускная способность, 1 – высокая пропускная способность R – достоверность. 0 – обычная достоверность, 1 – высокая достоверность.

Использование индикации задержки, пропускной способности и достоверности может, в некотором смысле, увеличить стоимость обслуживания. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого. Исключения, когда имело бы смысл устанавливать два из этих трех параметров, очень редки.

Общая длина – это длина датаграммы, измеренная в. байтах, включая IP заголовок и поле данных. Это поле может задавать длину датаграммы вплоть до 65535 байт. В большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие датаграммы не используются. Все хосты должны быть готовы принимать датаграммы вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять датаграммы размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост готов обслуживать датаграммы повышенного размера.

Идентификатор пакета. Идентификатор устанавливается отправителем для сборки фрагментов какой-либо датаграммы. Все фрагменты одной и той же датаграммы имеют одинаковый идентификатор пакета.

Флаги: DF (Do not Fragment) 1 – запрет фрагментации, 0 – возможно фрагментирование.

MF (More Fragments) 0 – последний (или единственный) фрагмент, 1 – будут еще фрагменты.

Смещение фрагмента – Это поле показывает, где в датаграмме находится этот фрагмент.

Смещение фрагмента изменяется порциями по 8 байт. Первый фрагмент имеет смещение нуль.

Поля «идентификатор пакета», «флаги» и «смещение фрагмента» обеспечивают фрагментацию и сборку пакетов.

Время жизни – это поле показывает максимальное время, в течение которого датаграмме позволено находиться в системе Internet. Если это поле имеет значение нуль, то датаграмма должна быть разрушена. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка Internet.

Время измеряется в секундах. Однако, поскольку каждый модуль, обрабатывающий датаграмму, должен уменьшать значение поля TTL по крайней мере на единицу, даже если он обрабатывает эту датаграмму менее, чем за секунду, то поле TTL следует понимать как максимальное количество маршрутизаторов, которое может пройти датаграмма. Если датаграмма будет разрушена маршрутизатором по причине истечения времени жизни, такой маршрутизатор должен отправить отправителю датаграммы пакет ICMP с кодом «Time to Live Expired».

Протокол верхнего уровня - это поле показывает, какой протокол следующего уровня (TCP, UDP или какой-то другой) использует данные из Internet датаграммы.

Контрольная сумма заголовка. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение (например, время жизни), это значение проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке Internet заголовка.

IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя – 32-разрядные IP-адреса, идентифицирующие конечные устройства, участвующие в обмене.

Опции – защита, тестирование и отладка в сети и другие функции. В обычных приложениях используется редко.

Выравнивание – используется для того, чтобы гарантировать завершение IP-заголовка на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Тема 13. Протокол ICMP

Порой шлюз или хост-компьютер, получающий данные, обменивается информацией с хост-компьютером, отправляющим эти данные. Именно для таких целей используется протокол контрольных сообщений Internet (ICMP). ICMP использует основные свойства протокола Internet (IP), как если бы ICMP являлся протоколом более высокого уровня. Однако фактически ICMP является составной частью протокола Internet и должен являться составной частью каждого модуля IP.

Сообщения ICMP должны отправляться в некоторых затруднительных ситуациях. Например, когда датаграмма не может достичь своего адресата или когда шлюз не имеет достаточно места в своем буфере для передачи какой-либо датаграммы.

Протокол ICMP использует следующие фиксированные типы сообщений, каждое из которых содержит тот или иной код ошибки:

- Пункт назначения недостижим (тип 3).

Код:

0 - невозможно передать датаграмму на локальную сеть, где находится адресат;

1 - невозможно передать датаграмму на хост-компьютер, являющийся адресатом;

2 - нельзя воспользоваться указанным протоколом;

3 - нельзя передать данные на указанный порт;

4 - для передачи датаграммы по сети требуется фрагментация, однако выставлен флаг DF;

5 - сбой в маршрутизации при отправлении.

- Время истекло (тип 11).

Код:

0 - при передаче превышено время жизни;

1 - превышено контрольное время при сборке фрагментов датаграммы;

- Проблемы с параметром (тип 12). Содержит указатель на байт в котором была обнаружена ошибка.

- Подавление источника (тип 4). Шлюз может ликвидировать IP-пакеты, если у него нет места в буфере для постановки этих пакетов в очередь на отправление в очередную сеть по маршруту следования к адресату.

Если шлюз ликвидирует пакет, то он должен послать сообщение для приостановки хост-компьютеру в Internet системе, отправившему данный пакет. Сообщение о приостановке может послать также сам адресат, если пакеты приходят слишком быстро, чтобы успеть их обработать.

Сообщение о приостановке является запросом для хост-компьютера уменьшить скорость посылки данных на этот конкретный адрес.

- Перенаправление (тип 5). Шлюз посылает сообщение на хост-компьютер о перенаправлении в следующей ситуации: Шлюз G1 получает Internet датаграмму от хост-компьютера в сети, где он расположен. Шлюз G1 проверяет таблицу маршрутизации и находит адрес слеудющего шлюза G2 в качестве маршрута для датаграммы по пути в сеть X, где расположен ее адресат. Если G2 и исходный хост-компьютер идентифицируются Internet адресом как находящиеся в одной и той же сети, то на хост-компьютер следует послать сообщение о переадресации. Сообщение о переадресации заставляет хост-компьютер посылать датаграммы для сети X прямо на шлюз G2, поскольку это более короткий путь, нежели привлекать еще шлюз G1.

- Эхо-запрос (тип 8).

- Эхо-ответ (тип 0).

- Запрос временной метки (тип 13).

- Ответ на запрос временной метки (тип 14).

- Информационный запрос (тип 15).

- Информационный ответ (тип 16) Данное сообщение может быть послано, когда в IP заголовке в полях отправителя и получателя записаны нули (это означает «именно эту» локальную сеть). В ответ должен быть послан IP модуль с полностью заданными адресами.

Данное сообщение является способом, с помощью которого хост-компьютер сможет определить номер сети, куда он подключен.

- Запрос адреса (тип 17).

- Ответ на запрос адреса (тип 18).

Тема 14. Протоколы маршрутизации

Вопросы темы:

Вопрос 1. Протокол RIPv2.

Вопрос 2. Протокол OSPF.

Вопрос 1. Протокол RIPv2.

Дистанционно-векторные алгоритмы (также известные под названием алгоритмы Беллмана—Форда (Bellman-Fordalgorithms)) предусматривают периодическую передачу копий таблицы маршрутизации от одного маршрутизатора другому. Регулярно посылаемые между маршрутизаторами пакеты актуализации сообщают обо всех изменениях топологии.

Каждый маршрутизатор получает таблицу маршрутизации от своего соседа. Затем маршрутизатор добавляет величину, отражающую вектор расстояния (скажем, количество переходов), которая увеличивает вектор расстояния, и передает таблицу маршрутизации своему следующему соседу. Такой же процесс пошагово выполняется между соседними маршрутизаторами во всех направлениях.

Подобным образом алгоритм аккумулирует сетевые расстояния и поэтому способен поддерживать базу данных информации о топологии сети. Однако алгоритмы на основе вектора расстояния не позволяют маршрутизатору знать точную топологию всего сетевого комплекса.

Каждый маршрутизатор, использующий дистанционно-векторные алгоритмы, начинает с идентификации или исследования своих соседей. Продолжая процесс исследования векторов расстояния в сети, маршрутизаторы как бы открывают наилучший путь до сети пункта назначения на основе информации от каждого соседа.

При изменении топологии сети таблицы маршрутизации должны быть обновлены.

Аналогично процессу исследования сети, обновление содержания таблиц маршрутизации из-за изменения топологии происходит шаг за шагом от одного маршрутизатора к другому. Дистанционно-векторные алгоритмы заставляют каждый маршрутизатор отсылать всю таблицу маршрутизации каждому своему непосредственному соседу. Таблицы маршрутизации, генерируемые в рамках метода вектора расстояния, содержат информацию об общей стоимости пути (определяемой его метрикой) и логический адрес первого маршрутизатора, стоящего на пути к каждой известной ему сети.

Проблема: маршрутизация по замкнутому кругу.

Явление маршрутизации по замкнутому кругу может возникать в тех случаях, когда плохая сходимость сети на новой конфигурации вызывает наличие противоречивых записей о маршрутах.

Рассмотрим эту ситуацию.

Рис. 18. Маршрутизация по кругу

1. Непосредственно перед отказом сети 1 все маршрутизаторы имеют непротиворечивую информацию и правильные таблицы маршрутизации.

Как говорят, сеть сошлась. Предположим для целей данного примера, что предпочтительным путем к сети 1 в маршрутизаторе С является путь через маршрутизатор В и что в своей таблице маршрутизации маршрутизатор С имеет запись о расстоянии до сети 1, равном 3.

2. Когда в сети 1 происходит отказ, маршрутизатор Е посылает маршрутизатору А обновление, содержащее эту информацию.

Маршрутизатор А прекращает направлять пакеты в сеть 1, но маршрутизаторы В, С и D продолжают это делать, так как они еще не проинформированы об отказе. После того как маршрутизатор А посылает свою обновленную таблицу маршрутизации, прекращают направлять пакеты в сеть 1 маршрутизаторы В и D, однако, маршрутизатор С по-прежнему все еще не имеет обновленной информации. Для маршрутизатора С сеть 1 все так же доступна через маршрутизатор В. Это будет как бы новый предпочтительный маршрут с метрикой, равной трем переходам.

3. Теперь маршрутизатор С посылает периодическое обновление маршрутизатору D, указывающее на наличие пути к сети 1 через маршрутизатор В. Маршрутизатор D изменяет свою таблицу маршрутизации, отражая эту хорошую, но неправильную информацию, и передает эти сведения дальше маршрутизатору А.

Маршрутизатор А распространяет их маршрутизаторам В и Е и т.д. Теперь любой пакет, имеющий назначением сеть 1, начинает ходить по кругу от маршрутизатора С — к В, далее — к А, затем — к D и назад к С.

Данная проблема решается с помощью задания максимального значения вектора расстояния до сети. Напомним, что маршрутизатор периодически рассылает своим соседям копию своей таблицы маршрутизации. Соседи, получив таблицу, увеличивают метрику для указанных в ней сетей на единицу. Такое увеличение не происходит до бесконечности – если значение метрики для какой либо сети достигнет 16, соседний маршрутизатор не будет передавать обновление соседу, вместо этого он будет считать данную сеть недостижимой.

Вопрос 2. Протокол OSPF.

Вторым основным алгоритмом, используемым для маршрутизации, является алгоритм с учетом состояния канала связи. Алгоритмы маршрутизации с учетом состояния канала связи, также известные под названием алгоритмов выбора первого кратчайшего пути (open shortest path first, OSPF, algorithms), поддерживают сложную базу данных топологической информации. И если дистанционно-векторные алгоритмы работают с неконкретной информацией о дальних сетях, то алгоритмы маршрутизации с учетом состояния канала собирают полные данные о дальних маршрутизаторах и о том, как они соединены друг с другом.

Для выполнения маршрутизации с учетом состояния канала связи используются сообщения объявлений о состоянии канала (link-state advertisements, LSA или router link advertisements, RLA), база данных топологии, SPF-алгоритм, результирующее SPF-дерево и таблица маршрутизации, содержащая пути и порты к каждой сети.

Инженерами концепция учета состояния канала была реализована в виде OSPF-маршрутизации.

Описание концепций, заложенных в протокол OSPF, а также описание работы этого протокола содержится в документе RFC 1583.

Режим исследования сети в алгоритмах с учетом состояния канала.

Для создания обшей картины всей сети используются механизмы исследования сети с учетом состояния канала связи. После этого все маршрутизаторы, которые работают с алгоритмом учета состояния канала, коллективно используют это представление сети. Все это подобно существованию нескольких идентичных карт города.

В режиме исследования сети при маршрутизации с учетом состояния канала связи выполняются следующие процессы.

1. Маршрутизаторы обмениваются друг с другом LSA-сообщениями. Каждый маршрутизатор начинает с непосредственно подключенных сетей, о которых у него есть прямая информация.

2. Маршрутизаторы параллельно друг с другом создают топологическую базу данных, содержащую все LSA-сообщения, сгенерированные в сетевом комплексе.

3. SPF-алгоритм вычисляет достижимость сетей, определяя кратчайший путь до каждой сети сетевого комплекса, используя при этом итеративный алгоритм Дийкстры.

Маршрутизатор создает эту логическую топологию кратчайших путей в виде SPF-дерева, помещая себя в корень. Это дерево отображает пути от маршрутизатора до всех пунктов назначения.

4. Первый шаг наилучшего пути и порт, имеющий выход на эту сеть назначения, сводятся маршрутизатором в таблице маршрутизации. Если наилучшими признаются несколько путей, то в таблицу маршрутизации попадают первые шаги всех этих путей. Таким образом, обеспечивается балансировка нагрузки. Маршрутизатор также формирует и другие базы данных с топологическими элементами и подробностями о статусе.

Обработка изменений топологии в протоколах маршрутизации с учетом состояния канала связи.

Алгоритмы учета состояния канала связи полагаются на маршрутизаторы, имеющие общее представление о сети. При изменении топологии в сети, маршрутизаторы, которые первыми узнают об изменении, посылают информацию другим маршрутизаторам или специально назначенному маршрутизатору, который затем могут использовать все другие маршрутизаторы для обновления своей топологической информации.

Это влечет за собой отсылку общей маршрутной информации всем маршрутизаторам, стоящим в сети. Для достижения сходимости каждый маршрутизатор выполняет следующие действия:

1. Отслеживает своих соседей: его имя, его рабочее состояние и стоимость линии связи с ним.

2. Создает LSA-пакет, в котором приводится перечень имен соседних маршрутизаторов и стоимость линий связи. Сюда же включаются данные о новых соседях, об изменениях в стоимости линий связи и о связях с соседями, которые стали нерабочими.

3. Посылает LSA-пакет, так что все другие маршрутизаторы получают его.

4. Получая LSA-пакет, записывает его в свою базу данных, так что он может хранить самые последние LSA-пакеты, сгенерированные каждым другим маршрутизатором.

5. Используя накопленные данные LSA-пакетов для создания полной карты топологии сети, маршрутизатор, стартуя с этой общей точки, запускает на исполнение SPF-алгоритм и рассчитывает новые маршруты до сети назначения.

Каждый раз, когда LSA-пакет вызывает изменение в базе данных состояний каналов, алгоритм учета состояния каналов связи пересчитывает лучшие пути и обновляет таблицу маршрутизации. Затем каждый маршрутизатор принимает к сведению изменение топологии и определяет кратчайшие пути для использования при коммутировании пакетов.

Структура группы протоколов TCP/IP имеет следующие компоненты.

• Протоколы, поддерживающие передачу файлов, электронную почту, удаленный вход в систему и другие приложения.

• Надежный и ненадежный транспорт.

• Доставка дейтаграмм без установления соединения на сетевом уровне.

Протоколы уровня приложений существуют для передачи файлов, электронной почты и удаленного доступа к системе. На уровне приложений также поддерживается управление сетью.

Сетевой уровень протокола TCP/IP соответствует сетевому уровню модели OSI.

Протокол ICMP обеспечивает реализацию функций управления и передачи сообщений на сетевом уровне. Этот протокол работает на всех хост-машинах, использующих стек TCP/IP.

Тема 15. Транспортный уровень в семействе TCP/IP

Вопросы темы:

Вопрос 1. Протокол TCP.

Вопрос 2 Формат заголовка TCP сегмента.

Вопрос 3.Открытое TCP-соединение с трехсторонним квитированием.

Вопрос 4. Простое подтверждение и работа с окнами в протоколе TCP.

Вопрос 5. Порядковые номера и номера подтверждений в протоколе TCP.

Вопрос 6. Протокол UDP.

Транспортный уровень, называемый также основным уровнем, предоставляет вышележащему – прикладному – уровню два типа сервиса:

• надёжная доставка, реализуется протоколом TCP;

• доставка по возможности, обеспечивается протоколом UDP.

Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) – надежный протокол с установлением соединения. Он отвечает за разбиение сообщений на сегменты, их сборку на станции в пункте назначения и повторную отсылку сегментов, если они не дошли до получателя.

Протокол TCP обеспечивает виртуальный канал между приложениями конечных пользователей.

Протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol, UDP) – «ненадежный», не ориентированный на установление соединения. Хотя протокол UDP и отвечает за передачу сообщений, в нём отсутствуют функции для проверки доставки сегментов; отсюда и определение «ненадежный».

Вопрос 1. Протокол TCP.

В этом параграфе приводится описание протокола TCP, основанное на стандарте RFC793. Протокол управления передачей (TCP) предназначен для использования в качестве надежного протокола общения между хост-машинами в коммуникационных компьютерных сетях с коммутацией пакетов, а также в системах, объединяющих такие сети.

Протокол TCP способен передавать непрерывные потоки октетов (байтов) между своими клиентами в обоих направлениях, пакуя некое количество байтов в сегменты для передачи через системы Internet. В общем случае протоколы TCP решают по своему усмотрению, когда производить блокировку и передачу данных.

Протокол TCP должен иметь защиту от разрушения данных, потери, дублирования и нарушения очередности получения, вызываемых коммуникационной системой Internet. Это достигается присвоением очередного номера каждому передаваемому октету, а также требованием подтверждения (ACK) от программы TCP, принимающей данные. Если подтверждения не получено в течении контрольного интервала времени, то данные посылаются повторно. Со стороны получателя номера очереди используются для восстановления очередности сегментов, которые могут быть получены в неправильном порядке, а также для ограничения возможности появления дубликатов.

Повреждения фиксируются посредством добавления к каждому передаваемому сегменту контрольной суммы, проверки ее при получении и последующей ликвидации дефектных сегментов.

Протокол TCP дает средства получателю управлять количеством данных, посылаемых ему отправителем. Это достигается возвратом так называемого «окна» (window) вместе с каждым подтверждением, которое указывает диапазон приемлемых номеров, следующих за номером последнего успешно принятого сегмента. Окно определяет количество октетов, которое отправитель может послать до получения дальнейших указаний.

Чтобы позволить на отдельно взятом компьютере многим процессам одновременно использовать коммуникационные возможности уровня TCP, протокол TCP предоставляет на каждой хост-машине набор адресов или портов. Вместе с адресами сетей и узлов на сетевом уровне стека они образуют сокет.

Каждое соединение уникальным образом идентифицируется парой сокетов. Таким образом, любой сокет может одновременно использоваться во многих соединениях.

Соотнесение портов и процессов осуществляется каждым узлом самостоятельно. Однако оказывается полезным связывать часто используемые процессы (такие как HTTP или FTP) с фиксированными документированными портами. Эти номера портов определенны в документе

RFC 1700. Например, любой обмен, связанный с пересылкой файлов по протоколу FTP, использует стандартный номер порта 21.

Механизмы управления потоком и обеспечения достоверности, описанные выше, требуют, чтобы программы протокола TCP инициализировали и поддерживали определенную информацию о состоянии каждого потока данных. Набор такой информации, включающий сокеты, номера очереди, размеры окон, называется соединением. Каждое соединение уникальным образом идентифицируется парой сокетов на двух концах.

Если два процесса желают обмениваться информацией, соответствующие программы протокола TCP должны сперва установить соединение (на каждой стороне инициализировать информацию о статусе). По завершении обмена информацией соединение должно быть расторгнуто или закрыто, чтобы освободить ресурсы для предоставления другим пользователям.

Поскольку соединения должны устанавливаться между ненадежными хост-машинами и через ненадежную коммуникационную систему Internet, то во избежание ошибочной инициализации соединений используется механизм подтверждения связи с хронометрированными номерами очереди.

Вопрос 2 Формат заголовка TCP сегмента.

Передача TCP сегментов осуществляется в виде IP датаграмм. Заголовок датаграммы в IP протоколе имеет несколько информационных полей, включая адреса отправляющего и принимающего хост-компьютеров. Заголовок TCP следует за IP заголовком и дополняет его информацией, специфической для TCP протокола. Такое деление допускает использование на уровне хост-компьютеров протоколов, иных нежели TCP.

Отметим, что каждая метка указывает здесь место для соответствующего бита.

Рассмотрим основные поля заголовка TCP сегмента.

Source Port (порт источника) – номер порта отправителя.

Destination Port (порт назначения) – номер порта получателя.

Sequence Number (порядковый номер) – номер очереди для первого октета данных в данном сегменте (за исключением тех случаев, когда присутствует флаг синхронизации SYN). Если же флаг SYN присутствует, то номер очереди является инициализационным (ISN), а номер первого октета данных - ISN+1 Acknowledgment Number (номер подтверждения) – если установлен контрольный бит ACK, то это поле содержит следующий номер очереди, который отправитель данной датаграммы желает получить в обратном направлении. Номера подтверждения посылаются постоянно, как только соединение будет установлено.

HLEN (длина заголовка) – количество 32-битных слов в TCP заголовке. Указывает на начало поля данных.

Reserved (зарезервировано) – это резервное поле, должно быть заполнено нулями URG, ACK, PSH, PST, SYN, FIN (флаги).

URG: поле срочного указателя задействовано.

ACK: поле подтверждения задействовано.

PSH: функция проталкиванияpar RST: перезагрузка данного соединения.

SYN: синхронизация номеров очереди.

FIN: нет больше данных для передачи.

Window (окно) – количество октетов данных, начиная с октета, чей номер указан в поле подтверждения. Количество октетов, получения которых ждет отправитель настоящего сегмента.

Checksum (контрольная сумма) – расчетная контрольная сумма заголовка и полей данных.

Urgent Pointer (указатель срочных данных) – указывает конец срочных данных.

Options (опция) – в настоящее время определена одна: максимальный размер ТСР-сегмента.

Data (данные) – данные протокола прикладного уровня.

Вопрос 3.Открытое TCP-соединение с трехсторонним квитированием.

Для установления соединения программы протокола TCP должны синхронизировать начальные порядковые номера (ISN) сегментов друг друга для данного соединения. Эта процедура обычно инициируется программой протокола TCP в ответ на запрос другой программы TCP. Порядковые номера используются для того, чтобы отслеживать последовательность обмена и гарантировать отсутствие потерянных фрагментов данных, которые требуют для пересылки нескольких пакетов. Начальный порядковый номер представляет собой стартовый номер, используемый при установлении TCP-соединения. Обмен начальными порядковыми номерами в процессе выполнения последовательности установления соединения гарантирует возможность восстановления потерянных данных, если в будущем возникнут проблемы.

Синхронизация выполняется путем обмена сегментами, несущими номера ISN и управляющий бит, называемый SYN (от английского synchronize – синхронизировать. Сегменты, содержащие бит SYN, тоже называются SYN.) Для успешного соединения требуется наличие подходящего механизма выбора начального порядкового номера и процесс квитирования, который обеспечивает обмен значениями ISN.

Процесс синхронизации требует, чтобы каждая сторона послала свой номер ISN и получила подтверждение и ISN от другой стороны соединения. Каждая сторона должна принимать ISN от другой стороны и посылать положительное подтверждение (АСК) в определенном u1087 порядке, который описан в следующей последовательности шагов.

1. А => В SYN – мой порядковый номер X.

2. А <= В АСК – твой порядковый номер X.

3. А <= В SYN – мой порядковый номер Y.

4. А => В АСК – твой порядковый номер Y.

Второй и третий шаги могут объединяться в одном сообщении, и такой обмен называется открытым с трехсторонним квитированием (three-way handshake/open).

Вопрос 4. Простое подтверждение и работа с окнами в протоколе TCP.

Размером окна называют количество сегментов, которое может быть передано до получения подтверждения. После того как хост-машина передаст определяемое размером окна количество сегментов, она должна будет получить подтверждение и только потом сможет послать какие-либо другие сообщения.

Размер окна определяет объем данных, который может принять принимающая станция за один раз. Если размер окна равен 1, подтверждаться должен каждый сегмент, и только после этого передается следующий. Это приводит к неэффективному использованию хост-машиной полосы пропускания.

Целью введения механизма окон является улучшение управления потоком и надежности.

Скользящие окна в протоколе TCP

Окно, посылаемое с каждым сегментом, указывает диапазон номеров очереди, которые отправитель окна (он же получатель данных) готов принять в настоящее время. Предполагается, что такой механизм связан с наличием в данный момент места в буфере данных.

Указание окна большого размера стимулирует передачу. Но если пришло большее количество данных, чем может быть принято программой TCP, данные будут отброшены. Это приведет к излишним пересылкам информации и ненужному увеличению нагрузки на сеть и программу TCP. Указание окна малого размера может ограничить передачу данных скоростью, которая определяется временем путешествия по сети подтверждения после каждого посылаемого сегмента.

Выделение очень малого окна приводит к передаче данных очень маленькими сегментами, тогда как лучший режим передачи осуществляется при использовании сегментов большего размера.

Слово «скользящее» в термине скользящее окно отражает тот факт, что размер окна согласуется динамически во время TCP-сеанса. Использование скользящего окна приводит к более эффективному использованию хост-машиной полосы пропускания, поскольку больший размер окна позволяет передавать больший объем данных, откладывая момент получения подтверждения.

Вопрос 5. Порядковые номера и номера подтверждений в протоколе TCP.

Протокол TCP обеспечивает организацию последовательности сегментов, которую предваряет подтверждение с номером, определяющим точку отсчета. Перед передачей каждый сегмент нумеруется. На принимающей станции протокол TCP собирает сегменты в полное сообщение. Если какой-либо порядковый номер в последовательности теряется, то сегмент с этим номером передается повторно. Кроме того, если через заданный период времени сегмент не получает свое подтверждение, то он тоже передается повторно.

Порядковые номера и номера подтверждений являются направленными. Это означает, что связь осуществляется в обоих направлениях. Подтверждения гарантируют надежность.

Вопрос 6. Протокол UDP.

Этот протокол (User Datagram Protocol, UDP) проектировался для создания в объединенной системе компьютерных сетей режима передачи датаграмм клиента. Протокол UDP предполагает, что нижестоящим протоколом является протокол IP.

Протокол UDP предоставляет прикладной программе процедуру для посылки сообщений другим программам, причем механизм протокола минимален. Протокол UDP ориентирован на транзакции; получение датаграмм и защита от дублирования не гарантированы. Приложения, требующие гарантированного получения потоков данных, должны использовать протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP).

Если задействован порт отправителя, то он указывает порт процесса, посылающего датаграмму. Можно принять, что это тот порт, на который при отсутствии какой-либо иной информации следует адресовать ответную датаграмму. Если данное поле не задействовано, то в него следует записать нули. Порт получателя имеет смысл только в контексте конкретного IP-адреса получателя.

Длина – количество байт данной датаграммы, включая как заголовок, так и данные (Это означает, что минимальное значение поля длины равно восьми).

Контрольная сумма – расчетная контрольная сумма заголовка и полей данных.

Главным применением протокола UDP являются системы Domain Name System (DNS) и Trivial File Transfer (TFTP).

Транспортный уровень стека TCP/IP включает два протокола - протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) и протокол пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Протокол TCP выполняет две функции. Управление потоком, которое обеспечивается за счет использования механизма скользящих окон. Обеспечение надежности, которая достигается благодаря наличию порядковых номеров и подтверждений.

Протокол UDP не имеет средств управления потоком и обеспечения надежности, однако способен передавать данные немедленно, без установления соединения.