Лекция 11
Сети ЭВМ. Часть 3
Вопросы
Сетевые протоколы
Уровни взаимодействия компьютеров в сети
Методы доступа к передающей среде
Глобальная сеть Интернет
Сетевые протоколы
Для организации сетвого взаимодействия компьютеров часто используется многоуровневое представление процессов взаимодействия, при котором все множество решаемых при взаимодействии задач разбивается на иерархически упорядоченные группы – уровни. Для каждого уровня определяется набор функций-запросов, с которыми к программные или аппаратные средства данного уровня могут обращаться к таким же средствам выше лежащего уровня для решения своих задач. Такой формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом. Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем выше лежащему уровню.
При организации взаимодействия компьютеров в сети каждый уровень ведет "переговоры" с соответствующим уровнем другого компьютера. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов, до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована.
Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.
Из приведенных определений можно заметить, что понятия "интерфейс" и "протокол", в сущности, обозначают одно и то же, а именно – формализовано заданные процедуры взаимодействия компонент, решающих задачу связи компьютеров в сети. Однако довольно часто в использовании этих терминов имеется некоторый нюанс: понятие "протокол" чаще применяют при описании правил взаимодействия компонент одного уровня, расположенных на разных узлах сети, а "интерфейс" – при описании правил взаимодействия компонентов соседних уровней, расположенных в пределах одного узла.
Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов.
Для организации взаимодействия компьютеров в сети широко используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection), которая иногда называется стеком OSI и представляет собой семиуровневую сетевую иерархию, разработанную международной организацией по стандарту ISO. Эта модель содержи тв себе по сути две различные модели: горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах; вертикальную модель – на основе интерфейсов и услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг к другу на одной машине. В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными, а в вертикальной – соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейса API.
Интерфейс программирования приложений (Application Programming Interface, API) – это набор методов (функций), который программист может использовать для доступа к функциональности программного компонента (программы, модуля, библиотеки).
Рассмотрим более подробно уровни взаимодействия компьютеров в сети.
Уровни взаимодействия компьютеров в сети
Физический уровень (Physical Layer).
Определяет электрические, механические, процедурные, и функциональные спецификации и обеспечивает для канального уровня установление, поддержание и разрыв физического соединения между двумя компьютерными системами, непосредственно связанными между собой с помощью передающей среды.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.
Канальный уровень (Data Link Layer).
Управляет передачей по каналу связи. Основными функциями этого уровня является разбиение передаваемых данных на порции, называемые кадрами. Выделение данных из потока Bit, передаваемых на физическом уровне для обработки на сетевом уровне, обнаружение ошибок передачи и восстановление неправильной передачи данных. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, ISDN,WiFi, PPP и др.
Сетевой уровень ( Network Layer).
Обеспечивает связь между двумя компьютерами системами сети, обменивающихся между собой информацией. Другой функцией сетевого уровня является маршрутизация данных (называемых на этом уровне пакетами) в сети и между сетями (межсетевой протокол). Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell, DDP (Datagram Delivery Protocol) – протокол доставки датаграмм стека AppleTalk. На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов — Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют сути.
Транспортный уровень (Transport Layer).
Обеспечивает надежную передачу (транспортировку) данных между компьютерными системами сети для вышележащих уровней. Для этого используются механизмы для установки, поддержки и разрыва виртуальных каналов (аналого-выделенных телефонных каналов), определение и исправление ошибок при передачи, управление потоком данных (с целью предотвращения переполнения или потерь данных). В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP, протокол SPX стека Novell, а также АТР (AppleTalk Transaction Protocol), NBP (Name Binding Protocol) - протоколы сеансов связи и транспортировки данных фирмы Apple и др.
Сеансовый уровень (Session Layer).
Обеспечивает установление, поддержание и окончание сеансов связи для уровня представлений, а также возобновлений аварийно-прерванного сеанса.
Основные задачи сеансового уровня: установление способа обмена сообщениями (дуплексный или полудуплексный); синхронизация обмена сообщениями; организация "контрольных точек" диалога.
Уровень представления данных (Presentation Layer) (представительный уровень)
Обеспечивает преобразование данных из представления, используемого прикладной программе одной компьютерной системе в представление, используемое в другой компьютерной системе.
В функции уровня представлений входит также преобразование кода данных, их шифровка, расшифровка, а также сжатие передаваемых данных.
Примером является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Прикладной уровень ( Application Layer ).
Отличается от других моделей ASSI тем, что он обеспечивает услуги для прикладных задач. Этот уровень определяет доступность прикладных задач и ресурсом для связи синхронизирует взаимодействующие прикладные задачи, устанавливает соглашение о структуре восстановления при ошибках целостности данных. Важными функциями прикладного уровня являются управление сетью, а так же выполнение наиболее распространенных системных прикладных задач, электронной почты, обмена файлами и другие.
Каждый уровень для решения своей подзадачи должен обеспечить выполнение определенных моделью функций данного уровня, действий (услуг). Для выше лежащего уровня и взаимодействовать аналогичным уровнем другой компьютерной системы. Соответственно в каждом уровне взаимодействия соответствует набор протоколов (правил взаимодействия). Под протоколом понимается некоторая совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информации. В частности он определяет, как выполняется соединение, преодолеваются шумные линии и обеспечивается безошибочная передача данных между модемами. Стандарт в свою очередь включает в себя общепринятый протокол или набор протоколов.
Функционирование сетевого оборудования невозможно без взаимосвязанных стандартов, согласование стандартов достигается как за счет непротиворечивых технических решений, так и за счет группирования стандартов. Каждой конкретной сети присуща своя совокупность протоколов.
Примеры протоколов прикладного уровня:
1. HTTP (HyperText Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста. Протокол прикладного уровня передачи данных в первую очередь в виде текстовых сообщений. Основой HTTP является технология «клиент-сервер», то есть предполагается существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и посылают запрос, и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом. HTTP в настоящее время повсеместно используется во Всемирной паутине для получения информации с веб-сайтов.
2. FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов (протокол удаленного доступа). Прикладной протокол из семейства TCP/IP, используемый для обеспечения услуг по передачи файлов в сети.
3. SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол передачи почты также является частью протоколов семейства ТСP/IP, отвечает за передачу электронной почты.
4. POP3 – протокол приема почты
5. SNMP (Simple Network Management Protocol) – простой протокол управления сетью. Предназначен для удаленного администрирования маршрутизаторов, серверов и т.д. Является частью протоколов семейства TCP/IP, используется для управления и наблюдения за сетевыми устройствами.
6. TELNET (TEL ecommunication NET work) — сетевой протокол для реализации удаленного доступа к узлу сети. Назначение протокола TELNET в предоставлении достаточно общего, двунаправленного, восьмибитного байт-ориентированного средства связи. Его основная задача заключается в том, чтобы позволить терминальным устройствам и терминальным процессам взаимодействовать друг с другом посредством команд выдаваемых удаленно. Этот протокол может быть использован для связи вида терминал-терминал («связывание») или для связи процесс-процесс («распределенные вычисления»).