Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представле­ния передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной си­стемы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов. На этом уровне может выполняться шифрование и де­шифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечи­вается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сооб­щениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают до­ступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помо­щью протокола электронной почты.

1.4.4Стек протоколов TCP/IP

Модель взаимодействия открытых систем OSI является чисто теоретической разработкой, построенной в результате обобщения опыта построения уже существующих сетей. Поэтому чаще всего реальные стеки протоколов, которые появились задолго до разработки модели OSI, не соответствуют идеальному разбиению на уровни, рекомендованному моделью OSI. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Функции физического и канального уровня также часто объединяются под общим термином технология канального уровня. К таким технологиям, например, относится технология Ethernet.

Стек протоколов TCP/IP был разработан в начале 1980-х годов по инициативе Министерства обороны США в качестве основы экспериментальной сети ARPAnet. Большой вклад в развитие этого стека протоколов внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей операционной системе UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов стека TCP/IP. Сегодня стек TCP/IP является основой функционирования глобальной сети Интернет, большого количества корпоративных сетей и поддерживается большинством операционных систем. На рис. 1.4.8 показана структура и состав стека TCP/IP, а так же соответствие протоколов стека уровням модели OSI.

Рис. 1.4.9 Соответствие протоколов стека TCP/IP уровням модели OSI

Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные технологии канального уровня для локальных сетей – Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, WiFi, протоколы канального уровня для работы на аналоговых коммутируемых и выделенных телефонных линиях - PPP (Point-to-Point Protocol), SLIP (Serial Line Internet Protocol), протоколы глобальных сетей - X.25, ISDN, ADSL.

На сетевом уровне стека работает протокол IP (Internet Protocol), который обеспечивает передачу пакетов в составных сетях на основании составного адреса (IP-адреса). Этот адрес включает в себя номер сети и номер узла в этой сети. IP-адрес имеет длину 4 байта и записывается в виде четырех десятичных чисел, например 217.8.87.195. Кроме основного протокола IP, на сетевом уровне работают несколько вспомогательных и служебных протоколов:

ARP (Address Resolution Protocol) – протокол разрешения адреса, служит для поиска физического адреса узла по его известному IP-адресу. Поиск такого соответствия осуществляется путем широковещательного опроса всех узлов сети.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – протокол динамической конфигурации хоста, служит для автоматизации назначения IP-адресов узлам и настройки параметров работы стека TCP/IP.

ICMP (Internet Control Message Protocol) – протокол управляющих сообщений интернет, служит для диагностики и обмена служебной информацией.

IGMP (Internet Group Management Protocol) – протокол управления групповым вещанием в интернет.

RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) – протоколы обмена маршрутной информацией.

На транспортном уровне стека TCP/IP работают протоколы TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей и UDP (User Datagram Protocol) – протокол датаграмм пользователя. Отличие между ними состоит в том, что первый является протоколом с установлением соединения, а второй – без установления соединения. Оба транспортных протокола пользуются для отправки своих пакетов средствами протокола IP. Таким образом, поле данных IP-пакета всегда содержит пакет TCP или UDP.

На прикладном уровне стек вобрал в себя большое количество протоколов для самого разнообразного применения. Наиболее популярными и традиционными из них являются:

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол отправки электронной почты;

POP3 (Post Office Protocol) – протокол для работы с удаленным почтовым ящиком;

Telnet – протокол эмуляции удаленного терминала;

FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов;

NNTP (Network News Transfer Protocol) – протокол передачи новостной информации;

SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол управления сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, источники бесперебойного питания и др.

NTP (Network Time Protocol) – протокол синхронизации времени;

NetBIOS (Network Basic Input Output System) – протокол для работы в сетях Microsoft Windows.

ICQ (сокр. от «I Seek You») – протокол передачи сообщений между пользователями, «интернет-пэйджер».

DNS (Domain Name System) – протокол системы доменных имен Интернет. Служит для поиска соответствия между символьным доменным именем компьютера, например www.surgu.ru и его IP-адресом. Для разрешения имени клиент посылает запрос DNS-серверу, который содержит символьное доменное имя. Сервер производит поиск IP-адреса, соответствующего запрашиваемому имени, и возвращает клиенту ответ, содержащий требуемый IP-адрес. В процессе разрешения имени сервер DNS может обращаться к другим серверам DNS, которые вместе образуют иерархическую структуру.

Следует отметить, что часть протоколов прикладного уровня, которые требуют надежной передачи своих сообщений, использует транспортный протокол TCP. К ним относятся протоколы HTTP, SMTP, telnet, FTP. Другая часть протоколов использует протокол UDP, не обеспечивающий надежной доставки сообщений. К таким протоколам относятся DNS, ICQ.

Раздел 2.Протоколы и оборудование физического и канального уровня для локальных сетей

Тема 2.1Общая характеристика протоколов локальных сетей

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводит­ся протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне опреде­ленной, то есть обеспечивать подключение всех компьютеров к сети одинаковым образом. Так, например, наиболее популярный протокол канального уровня — Ether­net — рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине — отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию — соединение компьютеров в виде логическо­го кольца.

Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабель­ных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной. цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во вто­рой половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания.

Использование разделяемых сред (shared media) является традиционным и распространенным решением при построении локальных сетей. Это позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией – сама среда не позволит передать информации больше, чем способен обработать принимающий узел. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рас­сматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные про­цедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов свя­зи и узлов сети.

Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из кото­рых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежно­сти. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способ­ностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети — надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения попу­лярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства — мосты и маршрутиза­торы, — которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделя­емой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы подключаются при помощи индивидуальных линий связи. При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился но­вый режим работы — полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте стан­ции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чу­жие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только класси­ческими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми - Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединении с мостом/коммутатором или маршрутиза­тором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независи­мо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.

Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства использу­ются для соединения узлов — повторители или коммутаторы). Например, техноло­гия Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обяза­тельно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полно­дуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.

Специфика локальных сетей заключается так же в разделении канального уровня на два подуровня, которые иногда называют уровнями (рис. 2.1.1):

§ Уровень управления логической передачей данных (Logical Link Control, LLC)

§ Уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)

Рис. 2.1.1 Структура стандартов физического и канального уровня локальных сетей

Уровень LLC отвечает за логическую передачу кадров между узлами сети с различной степенью надежности, а так же реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. На уровне LLC существует несколько режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления потерянных или искаженных данных. Протокол уровня LLC независим, то есть может применяться с различными протоколами уровня MAC.

Уровень MAC появился из-за существования разделяемой среды передачи данных. Именно он обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом той или иной станции сети. На этом уровне реализуется схема адресации компьютеров. Адреса, используемые на этом уровне, являются физическими адресами и называются так же MAC-адресами. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих алгоритмы доступа к разделяемой среде. Такими протоколами являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, о которых пойдет речь в следующих главах.

Одной из организаций, занимающихся стандартизацией в области сетей, является Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE. В 1980 г. была образована группа 802, которая занимается разработкой стандартов в области двух нижних уровней локальных сетей. В результате было сформировано семейство стандартов 802.x (рис. 2.1). К этим стандартам не относится протокол передачи по двойному кольцу FDDI, так как он был разработан институтом ANSI, однако данная технология на уровне LLC так же использует протокол 802.2.

У каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов спецификаций физического уровня, которые отличаются типом используемого кабеля, методами кодирования и видами коммуникационного оборудования.

Тема 2.2Уровень управления логическим каналом LLC

Протокол LLC занимает промежуточное положение между сетевым уровнем и уровнем доступа к среде MAC (рис. 2.1). Он обеспечивает нужное качество услуг канального уровня. Протоколы сетевого уровня обращаются к уровню LLC и передают ему свой пакет (например IP-пакет), а так же требования к качеству услуг, которое уровень LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает пакет сетевого уровня в свой кадр, дополняет необходимыми служебными полями и передает на уровень MAC, который помещает кадр LLC в свой кадр (например кадр Ethernet, рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1 Структура кадра канального уровня

2.2.2Режимы работы уровня LLC

В соответствии со стандартом 802.2 уровень LLC предоставляет сетевому уровню три типа процедур:

LLC1 - процедура без установления соединения и без подтверждения. Реализует дейтаграммный режим работы и передает данные с минимальными издержками. Обычно используется тогда, когда средства надежной доставки сообщений реализуются протоколами вышележащих уровней (например, протоколом TCP), и нет необходимости дублировать их на уровне LLC.

LLC2 - процедура с установлением соединения и с подтверждением. Дает возможность установить логическое соединение перед началом передачи, и выполнить процедуры восстановления искаженных и потерянных кадров, а так же упорядочивание потока кадров. Использует алгоритм, аналогичный используемому протоколом TCP.

LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Используется тогда, когда временные задержки на установление логического соединения недопустимы, а надежность передачи обеспечить необходимо.

Использование одного из трех режимов работы уровня LLC зависит от стратегии разработчиков конкретного стека протоколов. Например, в стеке протоколов TCP/IP уровень LLC всегда работает в режиме LLC1, а стек Microsoft, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEUI может использовать как режим LLC1, так и режим LLC2, так как не имеет других средств для обеспечения надежной передачи.

2.2.3Структура кадров LLC

По своему назначению все кадры LLC делятся на три типа:

§ Информационные кадры – предназначены для передачи данных в режиме LLC2.

§ Управляющие кадры – предназначены для передачи служебных команд и ответов в режиме LLC2.

§ Ненумерованные кадры – предназначены для передачи данных в режиме LLC1, а так же для идентификации и тестирования уровня LLC.

Все типы кадров имеют единый формат (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2 Формат кадров LLC

Назначение полей кадра следующее:

Флаг – однобайтовое поле, имеющее значение 01111110 и служащее для определения границ кадра.

Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point)- позволяют указать, какая служба верхнего (сетевого) уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Например, для протокола IP значение SAP равно 06H.

Управляющее поле имеет различную структуру в зависимости от режима работы уровня LLC.

Тема 2.3Технология Ethernet

Ethernet является самым распространенным стандартом построения локальных сетей на сегодняшний день. История Ethernet началась во второй половине 60-х годов, когда в радиосети передачи данных Гавайского университета были опробованы различные варианты коллективного случайного доступа к передающей среде (радиоэфиру). Название Ethernet можно перевести с английского как «эфирная сеть». Метод доступа оказался настолько удачным, что позднее, в 1975 г., фирма Xerox реализовала его для экспериментальной кабельной сети. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали фирменный стандарт для сети на основе коаксиального кабеля, который был назван Ethernet II или Ethernet DIX.

Позднее на основе этого фирменного стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, однако имеет и некоторые отличия. В стандарте IEEE 802.3 уровни MAC и LLC различаются, а в оригинальном стандарте они объединены. Практически эти различия заключаются в том, что в разных стандартах Ethernet используются различные форматы кадра, о чем будет подробно сказано ниже.

В зависимости от типа используемой физической среды стандарт Ethernet имеет несколько спецификаций физического уровня (см. рис. 2.2.1). Однако для всех стандартов Ethernet характерным является использование манчестерского кода, а так же одного и того же метода доступа к разделяемой среде передачи данных – метода CSMA/CD.

2.3.1Метод доступа CSMA/CD

Характерным свойством сети Ethernet является используемый в ней метод доступа, который называется методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiple-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод предполагает использование исключительно разделяемой среды передачи данных. При этом все компьютеры подключаются к передающей среде (например, отрезку кабеля) одинаковым образом и могут одновременно работать в режиме приема данных. Вести передачу данных в каждый момент времени может только один компьютер.