Стек протоколов TCP/IP. Назначение протоколов отдельных уровней. Использование протоколов TCP/IP для построения сетей

 

 

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ

 

 

 

 

 

 

Стек протоколов TCP/IP. Назначение протоколов отдельных уровней. Использование протоколов TCP/IP для построения сетей

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время компьютерные сети являются одним из наиболее распространенных видов технических систем. В зависимости от способов организации и управления, охвата территории, круга потребителей, скорости передачи и ряда других признаков различают следующие виды компьютерных сетей: локальная вычислительная сеть (ЛВС, Local Area Network, LAN), распределенная компьютерная сеть (Wide Area Network, WAN), городская или корпоративная компьютерная сеть (Metropolitan Area Network, MAN) и глобальная сеть (Интернет, Internet), объединяющая множество LAN, WAN и MAN.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) - самый распространенный вид компьютерных сетей, представляющий собой информационно-коммуникационную систему, позволяющую группе компактно размещенных пользователей совместно использовать принтеры, дисковые накопители, приводы CD-ROM, базы данных, серверы, каналы Интернет, модемы, персональные компьютеры и др.

Независимо от особенностей реализации, в каждой ЛВС можно выделить следующие функциональные блоки, относящиеся к разным уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI: а) телекоммуникационная инфраструктура, б) средства доступа в другие сети и Интернет (уровень 3), в) сетевые информационные ресурсы, г) рабочие места пользователей. Каждый из этих блоков отличается применяемыми технологиями и оборудованием, а также способами эксплуатации.

В реферате рассмотрен стек протокола TCP/IP.

 

 

 

 

 

1. Стек протоколов TCP/IP

 

В основе функционирования ЛВС лежат две сетевые модели: программная модель распределенной обработки данных «клиент - сервер» и модель сетевого взаимодействия открытых систем. На рисунке 1 показано взаимоотношение моделей при решении прикладных задач с использованием сети.

Рисунок 1 - Модели функционирования ЛВС

 

В соответствии с этими моделями, все устройства, подключенные к ЛВС, условно могут быть разделены на два класса:

1. Клиент - программно-аппаратный комплекс, инициирующий сеанс информационного обмена. Обычно реализуется как рабочее место пользователя ЛВС на основе ПЭВМ, ноутбука, нетбука, лэптопа1, мобильного телефона, смартфона и т.д.
2. Сервер - программно-аппаратный комплекс, предоставляющий технические ресурсы и информационные сервисы по запросу клиента: принт-сервер, файл-сервер, web- сервер, датчики и др. Обычно, функциональность сервера определяется программным обеспечением, а производительность - аппаратной платформой.

С точки зрения построения кабельной инфраструктуры ЛВС и «клиент», и «сервер» являются абонентскими узлами или хостами сети, а способы их подключения не различаются. Сервер ЛВС, как правило, не несет коммуникационных функций и не является центром построения кабельной инфраструктуры. При использовании многозадачных вычислительных систем каждое устройство может одновременно выполнять функции «клиента» для одной задачи и функции «сервера» для другой.

Функционально взаимодействие «клиента» и «сервера» выполняется в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO/OSI или моделью DoD (TCP/IP)2, которые разделяют процесс формирования и передачи пакета на стандартизированные операции (уровни) и указывают, какие функции должен выполнять каждый уровень. Разработанная международной организацией по стандартам ISO модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или модель ISO/OSI, определяет семь уровней взаимодействия: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический. При организации реальных сетей обычно применяются адаптированные модели взаимодействия - например, передача данных в Интернет организована с использованием модели TCP/IP, выделяющей в процессе сетевого взаимодействия четыре уровня: приложений, транспортный, межсетевой и уровень доступа к сети.

Между узлами ЛВС данные передаются в виде кадров (frames) - пакетов канального уровня. В зависимости от способа передачи кадра, каждая ЛВС строится на основе определенной аппаратной технологии (архитектуры) - совокупности следующих элементов физического и канального уровней эталонной модели взаимодействия ISO/OSI (рис. 2-3)

Рисунок 2 Архитектура протокола

Рисунок 3 Сопоставление модели

 

1. Среда передачи данных - проводная (медный и оптический кабель) или беспроводная (радиоволна, оптическое излучение, инфракрасное излучение).
2. Техническая реализация среды передачи данных - исполнение кабеля (одножильный, многожильный, категория витой пары, тип оптического волокна, экранирование и др.), размеры и форма разъемов, характеристики беспроводной среды (диапазон, мощность).
3. Характеристики кадров - формат, размер, способ кодирования, скорость передачи.
4. Физическая и логическая топология подключения узлов сети и передачи кадров - «звезда», «кольцо», «шина», «ячейка».
5. Алгоритм доступа к среде передачи данных - CSMA/CD, CSMA/CA, маркер (token).
6. Адресация физического и канального уровня - интерфейс (порт), МАС-адрес.
7. Тип сетевого оборудования - коммутаторы, мосты, повторители, конвертеры.

Примерами распространенных архитектур ЛВС являются базовые семейства:

Ethernet, ATM3, TokenRing4, FDDI5, Wi-Fi6, Bluetooth7, LTE8, GSM9, 3G10, WiMAX11 и т.д. В рамках каждого базового вида существует несколько реализаций архитектур, различающихся по одному или нескольким из перечисленных элементов (например: Ethernet 10Base-2 - скорость передачи 10 Мб/с, среда передачи - «тонкий» коаксиальный кабель, Ethernet 1000Base-T - скорость передачи 1 Гб/с, среда передачи - кабель «витая пара», Ethernet 1000Base-LX - скорость передачи 1 Гб/с, среда передачи - одномодовый оптоволоконный кабель). Тип архитектуры ЛВС должен быть определен при проектировании сети и ему должны соответствовать все технические компоненты ЛВС.

В настоящее время для построения стационарных ЛВС архитектура Ethernet фактически является международным стандартом, поддержанным крупнейшими международными организациями: комитетом 802 IEEE12 и ЕСМА13.

Для правильной работы ЛВС каждый узел должен иметь уникальный идентификатор в пределах сети. На каждом уровне взаимодействия при передаче пакетов используется свой вид адресации:

1. Аппаратный или физический адрес (МАС) - идентифицирует устройство на канальном уровне взаимодействия. MAC-адрес устанавливается и обрабатывается сетевым адаптером. Если в устройстве установлено несколько реальных или виртуальных сетевых адаптеров, то каждый из них должен иметь уникальный MAC-адрес.
2. Сетевой адрес (IP, IPX, NetBEUI) - логический адрес, идентифицирующий хост на сетевом уровне взаимодействия, обрабатывается соответствующим драйвером операционной системы. Если сетевой протокол оперирует адресами, состоящими из двух частей (адрес сети и адрес хоста), то такой протокол может маршрутизироваться (IP, IPX), т.е. объединять в единое адресное пространство множество ЛВС. Если сетевой адрес состоит из одной части (только адрес хоста), то такой протокол не может маршрутизироваться (NetBEUI) и функционирует только в пределах одной ЛВС. Если устройство подключено к нескольким логическим (IP, IPX) сетям, оно должно иметь соответствующее количество сетевых адресов и при этом каждый сетевой адрес должен быть явно связан с каким-то сетевым адаптером устройства и его MAC-адресом.
3. Символьное имя (DNS, URI, NetBIOS) - определяет удобное для пользователя именование сетевых устройств, сервисов и ресурсов на прикладном уровне. Может использоваться иерархическая система имен (DNS), или простая система имен в пределах ЛВС (NetBIOS). Каждое имя должно быть связано с одним или несколькими IP-адресами.

Стек TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol, протокол управления передачей/межсетевой протокол) в отличие от OSI/RM содержит всего 4 уровня: I – прикладной, II – транспортный, III – межсетевой, IV – физический (физического интерфейса). Все они в той или степени соответствуют уровням идеальной модели, т. е. выполняют похожие функции (рис. 4-6)

.

Рисунок 4. Стек протокола

 

Рисунок 5 Состав стека протоколов TCP/IP

 

 

Рисунок 6 Инкапсуляция протокольных блоков в TCP/IP стеке

 

2. Назначение протоколов  отдельных уровней

Протоколы TCP/IP обеспечивают сетевую поддержку для подключения всех узлов и обеспечивают соблюдение стандартов, касающихся соединения компьютеров и взаимодействия сетей. Стек протоколов TCP/IP имеет 4 уровня: сетевой, Интернета, транспортный и прикладной (рис.7).

Прикладной уровень

Верхним уровнем модели является прикладной, предоставляющий приложениям доступ к сети. Он соответствует сеансовому, прикладному и представительскому уровням модели OSI. В прикладном уровне работает множество стандартных утилит и служб TCP/IP:

• протокол HTTP — используется для большинства WWW-коммуникаций. Windows 2000 включает клиента (Internet Explorer) и сервер HTTP (Internet Information Server, IIS);
• протокол FTP — служба Интернета, обеспечивающая передачу фай лов между компьютерами. Клиенты FTP в Windows 2000: Internet Explorer и утилита командной строки FTP. IIS включает сервер FTP;
• протокол SMTP — применяется почтовыми серверами для передачи электронной почты. IIS может посылать сообщения, используя SMTP;
• протокол Telnet — протокол эмуляции терминала, применяемый для подключения к удаленным узлам сети. Telnet позволяет клиентам удалено запускать приложения; кроме того, он упрощает уда ленное администрирование. Реализации Telnet, доступные практически для всех ОС, облегчают интеграцию в разнородных сетевых средах. В Windows 2000 включены клиент и сервер Telnet;
• DNS — набор протоколов и служб TCP/IP-сети, позволяющий применять понятные имена, построенные с соблюдением иерархии, вместо IP-адресов узлов. На сегодняшний день DNS получила широкое распространение в Интернете и во многих корпоративных сетях. Работая с Интернетом при помощи Web-браузера, приложения Telnet, утилиты FTP или другой аналогичной утилиты TCP/IP, вы, скорее всего, обращаетесь именно к DNS-серверу. Windows 2000 также включает DNS-сервер;
• протокол SNMP — позволяет централизованно управлять узлами сети, например серверами, рабочими станциями, маршрутизаторами, мостами и концентраторами. Кроме того, SNMP можно использовать для конфигурирования удаленных устройств, мониторинга производительности сети, выявления ошибок сети и попыток несанкционированного доступа, а также для аудита использования сети.

 

3. Использование протоколов TCP/IP для построения сетей

 

 Архитектура Ethernet обеспечивает высокоскоростные технические соединения и позволяет передавать кадры данных между любыми двумя узлами в пределах локальной сети, однако при этом реализуются только функции физического и канального уровней эталонной модели ISO/OSI.

Для реализации сетевого уровня и построения логических сетей любого масштаба существует несколько разновидностей протоколов, которые могут применяться при построении ЛВС: IP, IPX, NetBEUI. Каждый сетевой протокол требует установки соответствующего драйвера в операционной системе. Для работы в сети Интернет в настоящее время пригоден только протокол IP (Internet Protocol), а поддержка других протоколов в современных операционных системах опциональна (MS Windows XP) или вообще не предусматривается (MS Windows Vista/7/Server 2008). Использование IP-протокола предполагает использование соответствующих протоколов транспортного (TCP, UDP) и прикладного (HTTP, FTP и др.) уровней, а также вспомогательных протоколов, что в совокупности обычно называют «стек протоколов TCP/IP».

Основой стека TCP/IP является протокол сетевого уровня - IP. Этот протокол позволяет уникально адресовать любое сетевое устройство (хост) в мире и передавать информационные пакеты между любыми хостами, независимо от их местонахождения. Механизм, позволяющий доставлять пакеты хостам, находящимся в других ЛВС, называется «маршрутизация». Информация передается структурированными блоками, которые называются IP-дейтаграммами или IP-пакетами. Для каждой среды передачи данных, например Ethernet, АТМ или ADSL, определен способ инкапсуляции14 IP-пакетов в кадр канального уровня.

Каждый хост, подключенный к сети, должен иметь свой уникальный IP-адрес. Для непосредственного доступа в Интернет, IP-адрес хоста должен быть зарегистрирован в международных организациях (ICANN15, RIPE16).

Для работы в пределах изолированной ЛВС могут использоваться IP-адреса из специально выделенных диапазонов:

1. 10.0.0.0 - 10.255.255.255.
2. 172.16.0.0 - 172.31.255.255.
3. 192.168.0.0 - 192.168.255.255.
4. 169.254.0.0 - 169.254.255.255 (диапазон адресов для автоконфигурации).

 

 

 

 

Класс	Структура 32-битного IP адреса				Диапазон сетей
Класс А	0 № сети	№ хоста			1.0.0.0	126.0.0.0
Класс В	10 № сети		№ хоста		128.0.0.0	191.255.0.0
Класс С	110 № сети			№ хоста	192.0.0.0	223.255.255.0
Класс D	1110 групповой адрес				224.0.0.0	239.255.255.255
Класс Е	11110 зарезервирован				240.0.0.0	247.255.255.255