Курсовая работа Мицкевич 445з. Состав и характеристика уровневых протоколов в сети Internet
 Скачать 55.81 Kb.
|
|
АНО ВО "Российский Новый Университет" Институт Информационных систем и инженерно-компьютерных технологий Курсовая работа по дисциплине «Проектирование телекоммуникационных систем и сетей» На тему: Состав и характеристика уровневых протоколов в сети Internet Выполнил студент 4-го курса Мицкевич Александр Витальевич, группа 445з Руководитель: (доц.) Авуза Алексей Анатольевич. Москва, 2021 ОглавлениеВведение 3 Глава 1 5 1. Характеристика сети Internet 5 1.1 История создания всемирной глобальной сети Internet 5 1.2 Протоколы семейства TCP/IP 8 1.3 Основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP 12 Глава 2…………………………………………………………………………17 2. Протоколы транспортного уровня………………………………….17 2.1 Сегменты TCP………………………………………………..17 2.2 Порты и установление TCP соединений…………………...18 2.3 Концепция квитирования…………………………………...19 2.4 Протоколы сетевого уровня………………………………...23 Заключение…………………………………………………………………….29 Библиографический список…………………………………………………..31 ВВЕДЕНИЕГлобальная сеть Интернет – это всемирное объединение различных региональных и корпоративных компьютерных сетей, образующих единое информационное пространство благодаря использованию общих стандартных протоколов передачи данных. Основным стандартным протоколом в Интернет является TCP/IP Семейство протоколов TCP/IP является стандартным набором сетевых протоколов или правил, управляющих способом передачи данных между компьютерами в сети. TCP/IP используется для соединения с Интернет, объединенной сетью в масштабах всего мира, охватывающей множество университетов, исследовательских лабораторий, организаций, корпораций, а также частные корпоративные сети, объединяющих несколько локальных сетей. Выбор протокола TCP/IP в качестве стандартного был обусловлен исторически. В 70-х годах в сети ARPANET Министерства обороны США были впервые использованы коммуникационные протоколы, положенные в основу Интернет. Построенная в то время сеть была очень надежна и использовала протоколы семейства TCP/IP. В 80-е годы шел процесс объединения сетей, использующих TCP/IP, и происходило становление сети Интернет, важную роль в этом сыграл Национальный научный фонд США. В 90-х годах Интернет переживает бурный рост: в геометрической прогрессии увеличивается число подключенных к сети компьютеров, сетевых информационных систем и количество доступных документов, постоянно возрастает объем передаваемой информации. TCP/IP – название семейства протоколов передачи данных в сети. Протокол – набор правил и команд (язык) с помощью которых происходит передача данных в сети. Протокол TCP/IP – сетевой протокол, обеспечивающий коммуникации по объединенным сетям, составленным из компьютеров с различной аппаратной архитектурой, работающих под управлением различных операционных систем. TCP/IP может использоваться для поддержки коммуникаций с системами Windows NT, с устройствами, использующими другие сетевые продукты Microsoft, а также с системами, отличными от Microsoft, например, UNIX-системами. Сегодня, пожалуй, каждого производителя или поставщика сетевого оборудования и программного обеспечения волнует вопрос о возможности взаимодействия различных сетей. Однако так было не всегда. Долгое время объединение компьютеров в сеть было "вотчиной" фирм-производителей. Но со временем разработчики начали осознавать необходимость создания программных и аппаратных средств, которые позволили бы объединять в единую сеть компьютеры с разными операционными системами. Для этой цели были разработаны различные наборы протоколов, в том числе и наиболее популярный в настоящее время стек протоколов TCP/IP. При этом под стеком протоколов чаще всего понимается реализация набора, хотя эти термины часто употребляются как синонимы. Целью курсовой работы является изучение состава и характеристика уровневых протоколов в сети Internet. Для достижения поставленной цели раскроем следующие вопросы: -рассмотрим историю создания всемирной глобальной сети Internet; -рассмотреть протоколы семейства TCP/IP; -раскрыть основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP. ГЛАВА 1 1. Характеристика сети Internet1.1 История создания всемирной глобальной сети Internet В 1957 году Министерство обороны США посчитало, что на случай войны Америке нужна надёжная система передачи информации. Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) предложило разработать для этого компьютерную сеть. Разработка такой сети была поручена Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе, Стэнфордскому исследовательскому центру, Университету Юты и Университету штата Калифорния в Санта-Барбаре. Компьютерная сеть была названа ARPANET (англ. Advanced Research Projects Agency Network), и в 1969 году в рамках проекта сеть объединила четыре указанных научных учреждения. Все работы финансировались Министерством обороны США. Затем сеть ARPANET начала активно расти и развиваться, её начали использовать учёные из разных областей науки. Первый сервер ARPANET был установлен 2 сентября 1969 года в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес). Компьютер Honeywell DP-516 имел 24 Кб оперативной памяти 29 октября 1969 года в 21:00 между двумя первыми узлами сети ARPANET, находящимися на расстоянии в 640 км — в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса (UCLA) и в Стэнфордском исследовательском институте (SRI) — провели сеанс связи. Чарли Клайн (Charley Kline) пытался выполнить удалённое подключение из Лос-Анджелеса к компьютеру в Стэнфорде. Успешную передачу каждого введённого символа его коллега Билл Дювалль (Bill Duvall) из Стэнфорда подтверждал по телефону. В первый раз удалось отправить всего три символа «LOG», после чего сеть перестала функционировать. LOG должно было быть словом LOGON (команда входа в систему). В рабочее состояние систему вернули уже к 22:30 и следующая попытка оказалась успешной. Именно эту дату можно считать днём рождения Интернета, отсюда и начинается настоящая история создания сети интернет. К 1971 году была разработана первая программа для отправки электронной почты по сети. Эта программа сразу стала очень популярна. В 1973 году к сети были подключены через трансатлантический телефонный кабель первые иностранные организации из Великобритании и Норвегии, сеть стала международной. В 1970-х годах сеть в основном использовалась для пересылки электронной почты, тогда же появились первые списки почтовой рассылки, новостные группы и доски объявлений. Однако в то время сеть ещё не могла легко взаимодействовать с другими сетями, построенными на других технических стандартах. К концу 1970-х годов начали бурно развиваться протоколы передачи данных, которые были стандартизированы в 1982—1983 годах. Активную роль в разработке и стандартизации сетевых протоколов играл Джон Постел. 1 января 1983 года сеть ARPANET перешла с протокола NCP на TCP/IP, который успешно применяется до сих пор для объединения (или, как ещё говорят, «наслоения») сетей. Именно в 1983 году термин «Интернет» закрепился за сетью ARPANET. В 1984 году была разработана система доменных имён. В 1984 году у сети ARPANET появился серьёзный соперник: Национальный научный фонд США (NSF) основал обширную межуниверситетскую сеть NSFNet, которая была составлена из более мелких сетей и имела гораздо бо́льшую пропускную способность, чем ARPANET. К этой сети за год подключились около 10 тыс. компьютеров, название «Интернет» начало плавно переходить к NSFNet В 1988 году был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможно общение в реальном времени (чат), что играло очень важную роль в истории создания и развития интернета. В 1989 году в Европе, в стенах Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН) родилась концепция Всемирной паутины. Её предложил знаменитый британский учёный Тим Бернерс-Ли, он же в течение двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI. В 1990 году сеть ARPANET прекратила своё существование, полностью проиграв конкуренцию NSFNet. В том же году было зафиксировано первое подключение к Интернету по телефонной линии (т. н. "дозво́н", англ. dialup access). В 1991 году Всемирная паутина стала общедоступна в Интернете, а в 1993 году появился знаменитый веб-браузер NCSA Mosaic. Всемирная паутина набирала популярность. В 1995 году NSFNet вернулась к роли исследовательской сети, маршрутизацией всего трафика Интернета теперь занимались сетевые провайдеры, а не суперкомпьютеры Национального научного фонда. В том же 1995 году Всемирная паутина стала основным поставщиком информации в Интернете, обогнав по трафику протокол пересылки файлов FTP. Был образован Консорциум Всемирной паутины (W3C). Можно сказать, что Всемирная паутина преобразила Интернет и создала его современный облик. С 1996 года Всемирная паутина почти полностью подменяет собой понятие «Интернет». Данное событие имело очень важное значение в истории создания глобальной сети интернет. В 1990-е годы Интернет объединил в себе большинство существовавших тогда сетей (хотя некоторые, как Фидонет, остались обособленными). Объединение выглядело привлекательным благодаря отсутствию единого руководства, а также благодаря открытости технических стандартов Интернета, что делало сети независимыми от бизнеса и конкретных компаний. К 1997 году в Интернете насчитывалось уже около 10 млн компьютеров, было зарегистрировано более 1 млн доменных имён. Интернет стал очень популярным средством для обмена информацией. В настоящее время подключиться к Интернету можно через спутники связи, радио-каналы, кабельное телевидение, телефон, сотовую связь, специальные оптико-волоконные линии или электропровода. Всемирная сеть стала неотъемлемой частью жизни в развитых и развивающихся странах. В течение пяти лет Интернет достиг аудитории свыше 50 миллионов пользователей. Другим средствам коммуникации требовалось гораздо больше времени для достижения такой популярности. Вот такая вот история создания интернета. 1.2 Протоколы семейства TCP/IP Термин "TCP/IP" обычно обозначает все, что связано с протоколами TCP и IP. Он охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие другие. TCP/IP - это технология межсетевого взаимодействия, технология internet. Сеть, которая использует технологию internet, называется "internet". Если речь идет о глобальной сети, объединяющей множество сетей с технологией internet, то ее называют Internet. Протокол ARP Для отображения IP-адресов в Ethernet адреса используется протокол. Отображение выполняется только для отправляемых IP-пакетов, так как только в момент отправки создаются заголовки IP и Ethernet. ARP-таблица для преобразования адресов Преобразование адресов выполняется путем поиска в таблице. Эта таблица, называемая ARP-таблицей, хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом. Принято все байты 4-байтного IP-адреса записывать десятичными числами, разделенными точками. При записи 6-байтного Ethernet-адреса каждый байт указывается в 16-ричной системе и отделяется двоеточием. ARP-таблица необходима потому, что IP-адреса и Ethernet-адреса выбираются независимо, и нет какого-либо алгоритма для преобразования одного в другой. IP-адрес выбирает менеджер сети с учетом положения машины в сети internet. Если машину перемещают в другую часть сети internet, то ее IP-адрес должен быть изменен. Ethernet-адрес выбирает производитель сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. Когда у машины заменяется плата сетевого адаптера, то меняется и ее Ethernet-адрес. Модуль IP является базовым элементом технологии internet, а центральной частью IP является его таблица маршрутов. Протокол IP использует эту таблицу при принятии всех решений о маршрутизации IP-пакетов. Содержание таблицы маршрутов определяется администратором сети. Ошибки при установке маршрутов могут заблокировать передачи. Чтобы понять технику межсетевого взаимодействия, нужно понять то, как используется таблица маршрутов. Это понимание необходимо для успешного администрирования и сопровождения IP-сетей. Семейство протоколов (или стек протоколов) ТCP/IP имеет четыре ярко выраженных уровня: I - прикладной уровень; II - транспортный (основной) уровень; III - сетевой уровень (уровень межсетевого взаимодействия); IV - канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов). Каждый уровень выполняет свои функции по решению основной задачи - организации надежной и эффективной работы составной сети, т.е. совокупности нескольких сетей, построенных на основе разных сетевых технологий и соединенных между собой маршрутизаторами. Протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, предоставляемые протоколами более низкого уровня. Каждый протокол стека TCP/IP оперирует со своей единицей передаваемых данных, названия которых либо стандартизированы, либо определяются традиционно . От прикладного уровня к транспортному данные поступают в виде потока. На транспортном уровне протоколами TCP и UDР из потока нарезаются сегменты или дейтаграммы. Под дейтаграммой понимается единица данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений (дейтаграммные протоколы). К ним относится и протокол IP сетевого уровня. На сетевом уровне протоколом IP дейтаграмма преобразуется в пакет. Наконец, на канальном уровне пакеты преобразуются в кадры (фреймы). Кадрами принято называть единицы данных, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. Каждая единица данных состоит из заголовка и собственно данных. По мере перемещения данных сверху вниз на каждом уровне добавляется свой заголовок, т.е. каждый пакет более высокого уровня вкладывается в "конверт" протокола нижнего уровня (это напоминает вложенные друг в друга матрешки). Рассмотрим состав и основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP. Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые пользовательским приложениям. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, определяет наличие ресурсов для реализации взаимодействия с другими узлами сети, обеспечивает читабельность информации на прикладном уровне другой абонентской системы. Транспортный уровень предоставляет услуги по транспортировке данных, решая вопросы надежной и достоверной передачи данных через сеть. Он реализует механизмы установки, поддержания и закрытия соединения, а также механизмы обнаружения и устранения ошибок в передаваемых данных, управления информационным потоком. На этом уровне функционирует протокол управления передачей TCP, о котором сказано выше, и протокол дейтаграмм пользователя UDP. Протокол UDP работает без установления соединения, т.е. обеспечивает передачу пакетов дейтаграммным способом. Протокол TCP обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения. Сетевой уровень является стержнем всей архитектуры стека TCP/IP. Он обеспечивает передачу (через составную сеть) пакетов дейтаграммным способом, используя наиболее рациональный в данный момент маршрут. На этом уровне работает основной протокол стека - межсетевой протокол IP. Протокол IP отличается от других сетевых протоколов способностью выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между различными сетями. К сетевому уровню относятся и все протоколы, обеспечивающие маршрутизацию пакетов. Это протоколы сбора маршрутной информации RIP и OSPF, необходимой для составления и модификации таблиц маршрутизации, протокол межсетевых управляющих сообщений ISMP, предназначенный для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. Канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов, уровень сопряжения с физической средой) обеспечивает передачу данных по физическому каналу. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей независимо от того, какая внутренняя технология передачи данных. Протоколы канального уровня тесно связаны с физической (аппаратной) средой, в которой они работают (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN и др.). В стеке TCP/IP нет протоколов этого уровня, за счет чего и достигается аппаратная независимость семейства TCP/IP. Ниже канального уровня расположен только аппаратный уровень, главные функции которого состоят в определении электротехнических, механических, функциональных и процедурных характеристик активизации, поддержания и деактивизации физического канала между взаимодействующими конечными узлами. Более полноценным является такое подключение индивидуального компьютера к сети, когда провайдеры обеспечивают связь по коммутируемым линиям по протоколу SLIP или PPP. В этом случае индивидуальный компьютер превращается как бы в хост-компьютер; программы и файлы, получаемые из сети, хранятся на индивидуальном компьютере. 1.3 Основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP. Протоколы (protocols) - это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом. Три основных момента, касающихся протоколов. Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями. Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает. Если, например, какой-то протокол работает на Физическом уровне, то это означает, что он обеспечивает прохождение пакетов через плату сетевого адаптера и их поступление в сетевой кабель. Несколько протоколов могут работать совместно. Это так называемый стек, или набор, протоколов. Как сетевые функции распределены по всем уровням модели OSI, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека протоколов. Уровни в стеке протоколов соответствуют уровням модели OSI. В совокупности протоколы дают полную характеристику функциям и возможностям стека. Cтек TCP/IP HTTP — сетевой протокол прикладного уровня для передачи файлов. Основным назначением HTTP является передача веб-страниц , хотя с помощью него с успехом передаются и другие файлы, как связанные с веб-страницами (изображения и приложения), так и не связанные с ними. File Transfer Protocol или просто FTP — сетевой протокол, предназначенный для передачи файлов в компьютерных сетях. Протокол FTP позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер, кроме того возможен режим передачи файлов между серверами. SMTP — это сетевой протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP. Telnet — сетевой протокол для удалённого доступа к компьютеру с помощью командного интерпретатора. Аналогичное название имеют утилиты для работы с протоколом. SNMP — это протокол управления сетями связи на основе архитектуры TCP/IP. TCP— один из основных сетевых протоколов Internet, предназначенный для управления передачей данных в сетях TCP/IP. UDP— это сетевой протокол для передачи данных в сетях IP. Он является одним из самых простых протоколов транспортного уровня модели OSI. Его IP-идентификатор — 17. В отличие от TCP, UDP не гарантирует доставку пакета, поэтому аббревиатуру иногда расшифровывают как «Unreliable Datagram Protocol» (протокол ненадёжных датаграмм). Это позволяет ему гораздо быстрее и эффективнее доставлять данные для приложений, которым не требуется большая пропускная способность линий связи, либо требуется малое время доставки данных. IP— маршрутизируемый сетевой протокол, основа стека протоколов TCP/IP. Протокол IP используется для ненадёжной доставки данных (разделяемых на так называемые пакеты) от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола не даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, оказаться повреждёнными или не прибыть вовсе. ICMP — сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. В основном ICMP используется для передачи сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных. Также на ICMP возлагаются некоторые сервисные функции. Протокол RIP — один из наиболее распространенных протоколов маршрутизации в небольших компьютерных сетях, который позволяет маршрутизаторам динамически обновлять маршрутную информацию получая ее от соседних маршрутизаторов. Ethernet — пакетная технология компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Стек IPX/SPX. На физическом и канальном уровнях в сетях Novell используются все популярные протоколы этих уровней. На сетевом уровне в стеке Novell работает протокол IPX, а также протоколы обмена маршрутной информацией RIP и NLSP IPX является протоколом, который занимается вопросами адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell. Маршрутные решения IPX основаны на адресных полях в заголовке его пакета, а также на информации, поступающей от протоколов обмена маршрутной информацией. Например, IPX использует информацию, поставляемую либо протоколом RIP, для передачи пакетов компьютеру назначения или следующему маршрутизатору. Протокол IPX поддерживает только дейтаграммный способ обмена сообщениями, за счет чего экономно потребляет вычислительные ресурсы. Протокол IPX обеспечивает выполнение трех функций: задание адреса, установление маршрута и рассылку дейтаграмм. Транспортному уровню модели OSI в стеке Novell соответствует протокол SPX, который осуществляет передачу сообщений с установлением соединений. На верхних прикладном, представительном и сеансовом уровнях работают протоколы NCP и SAP. Протокол NCP является протоколом взаимодействия сервера NetWare и оболочки рабочей станции. Этот протокол прикладного уровня реализует архитектуру клиент-сервер на верхних уровнях модели OSI. С помощью функций этого протокола рабочая станция производит подключение к серверу, отображает каталоги сервера на локальные буквы дисководов, просматривает файловую систему сервера, копирует удаленные файлы, изменяет их атрибуты и т.п., а также осуществляет разделение сетевого принтера между рабочими станциями. Стек NetBIOS/SMB. Протокол NetBIOS работает на трех уровнях модели взаимодействия открытых систем: сетевом, транспортном и сеансовом. NetBIOS может обеспечить сервис более высокого уровня, чем протоколы IPX и SPX, однако не обладает способностью к маршрутизации. Таким образом, NetBIOS не является сетевым протоколом в строгом смысле этого слова. NetBIOS содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов, так как в протоколе обмена кадрами NetBIOS не вводится такое понятие как сеть. Это ограничивает применение протокола NetBIOS локальными сетями, не разделенными на подсети. NetBIOS поддерживает как дейтаграммный обмен, так и обмен с установлением соединений. Протокол SMB, соответствующий прикладному и представительному уровням модели OSI, регламентирует взаимодействие рабочей станции с сервером. В функции SMB входят следующие операции: управление сессиями, создание и разрыв логического канала между рабочей станцией и сетевыми ресурсами файлового сервера. ВТОРАЯ ГЛАВА 2. Протоколы транспортного уровня2.1 Сегменты TCP Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом. В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band. Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет. Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети. 2.2 Порты и установление TCP соединений В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами. Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу. Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях. Установление соединения выполняется в следующей последовательности: При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open). После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение. Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса. Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне. Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения 2.3 Концепция квитирования В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем. Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно. Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна". Метод с простоями требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). Из рисунка1 Приложение Б видно, что в этом случае производительность обмена данными существенно снижается - хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода квитанции. Снижение производительности для этого метода коррекции особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях. Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Рисунок 2 Приложение А иллюстрирует данный метод для размера окна в W кадров. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова. Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола. Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения. Реализация скользящего окна в протоколе TCP В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP. Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции. В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции. Реакция на перегрузку сети Варьируя величину окна, можно повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то возникают очереди в промежуточных узлах-маршрутизаторах и в конечных узлах-компьютерах. При переполнении приемного буфера конечного узла "перегруженный" протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. Однако даже после этого приложение может послать сообщение на отказавшийся от приема порт. Для этого, сообщение должно сопровождаться пометкой "срочно" (бит URG в запросе установлен в 1). В такой ситуации порт обязан принять сегмент, даже если для этого придется вытеснить из буфера уже находящиеся там данные. После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна. Другим проявлением перегрузки сети является переполнение буферов в маршрутизаторах. В таких случаях они могут централизовано изменить размер окна, посылая управляющие сообщения некоторым конечным узлам, что позволяет им дифференцировано управлять интенсивностью потока данных в разных частях сети. 2.4 Протоколы сетевого уровня Этот уровень первоначально использовался для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, не зависимо от способа передачи данных. В качестве блока данных сетевого уровня используется дейтаграмма, который предназначен для доставки некоторого фрагмента передаваемого сообщения. Такой подход позволяет отделить процесс передачи данных от прикладных программ, позволяя обрабатывать сетевой трафик одинаковым способом для любых приложений. По сети произвольной топологии дейтаграмма перемещается на основании адреса пункта назначения и адреса источника, и делает это независимо от всех остальных дейтаграмм. В качестве примера протоколов сетевого уровня можно привести X.25, IPX, и, конечно, популярнейший на сегодня Internet протокол - IP. Кроме этого, для осуществления своих функций, сетевой уровень имеет возможности структуризации сети и согласования различных методов работы канального уровня. Наиболее важный вопрос передачи данных, адресация, может быть решен двумя способами. Во-первых, с использованием совпадающих, во-вторых - различных сетевых и канальных адресов. Первый способ (например, протокол IPX) упрощает администрирование локальной сети. Второй обеспечивает гибкость, независимость от аппаратной части, и логическое единство адресного пространства. Эти преимущества позволили способу адресации, использующему различные сетевые и канальные адрес, получить распространение в сети Интернет (под названием Internet Protocol, IP), практически вытеснив все остальные способы передачи данных. Все остальные протоколы (кроме ARP/RARP, который часто относят к протоколу канального уровня) используют IP для передачи данных между узлами сети. Как было описано выше, взаимодействие на канальном уровне ограничивается локальной сетью, и механизм передачи кадров между разными сетями отсутствует (без их фактического объединения). Поэтому реально кадры Ethernet передают не данные, а дейтаграммы сетевого уровня, которые занимают место данных. Устройства, способные выделять IP дейтаграммы из кадров, определять их маршрут назначения, и упаковывать дейтаграммы опять в кадры канального уровня (обычно, уже другой сети), называются маршрутизаторами (router). Таким образом, упрощенно можно представить Интернет как совокупность сетей разного типа, объединенных посредством маршрутизаторов. Для определения маршрута следования дейтаграммы, используются специальные таблицы маршрутизации, которые могут быть задана администратором (статически), или определена маршрутизатором при помощи специальных (и достаточно сложных) протоколов взаимодействия (динамически). При этом для каждой сети, или группы сетей задаются правила (адреса маршрутизатора), в соответствии с которыми должны быть переданы дейтаграммы для достижения узла назначения. Причем в качестве правил могут быть указаны только адреса, до которых может быть проведена непосредственная доставка (next hop routing). Таким образом, на каждом маршрутизаторе задаются только адреса сетей, с которыми он имеет прямую связь, а не полную информацию о маршруте. Более того, нет необходимости одного "сквозного" протокола для всего пути дейтаграммы. Для ее передачи между компьютерами, которые подключены к разным локальным сетям (подсетям), нужно провести следующие действия. Отправитель посылает кадр, включающий IP дейтаграмму с адресом получателя, устройству, определенному как шлюз локальной сети (маршрутизатор). Для получения кадра шлюз должен быть подключен к той же локальной сети, что и отправитель; Маршрутизатор получает кадр, извлекает из него IP-дейтаграмму. По адресу назначения, в соответствии с таблицей маршрутизации, формирует кадр канального уровня, и направляет его в соответствующую подсеть следующему шлюзу согласно таблице маршрутизации. Операция повторяется до тех пор, пока IP-дейтаграмма не достигнет маршрутизатора, подключенного к той же подсети, что и получатель. В этом случае кадр будет оправлен непосредственно получателю. Исходя из такого способа доставки сообщений, удобно, что бы каждый из узлов имел уникальный сетевой адрес, состоящий из двух частей - адреса сети (Net ID) и адреса узла (Host ID). Для установки соответствия между адресами канального и сетевого уровня используется специальный протокол разрешения адресов. При составлении и модификацией таблиц маршрутизации используются RIP и OSPF а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP. Основными функциями протокола IP можно назвать разделение данных (передаваемых протоколами более высокого уровня) на дейтаграммы для их доставки получателю в другой сети, и сборку блоков данных из дейтаграмм при их получении от других узлов сети. Для этого к данным присоединяется специальный заголовок унифицированного формата, который для используемой в настоящее время четвертой версии IP может иметь длину до 20 байт (пять 32-х битовых слов). Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля: Поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6, называемую также IPng (IP next generation). Поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS). Поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки. Поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля. Поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит промежуточный фрагмент). Поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета. Поле Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется. Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP). Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку. Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую структуру. Поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе. Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. ЗаключениеСамо название набора протоколов TCP/IP состоит из названий двух основных протоколов стека - TCP и IP. Этот набор включает ряд протоколов, который обеспечивает различные услуги и возможности, необходимые для взаимодействия разнородных компьютеров и сетей и управления ими. Набор протоколов TCP/IP представляет пользователям две основные службы, которые используют прикладные программы: дейтаграммное средство доставки пакетов и надежное потоковое транспортное средство. Использование дейтаграммного средства доставки пакетов означает, что протоколы TCP/IP определяют маршрут передачи небольшого сообщения, основываясь только на адресной информации, находящейся в этом сообщении. Доставка осуществляется без установки логического соединения. Это делает протоколы TCP/IP адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования. Большинство приложений требует от коммуникационного программного обеспечения автоматического восстановления при ошибках передачи, потере пакетов или сбоях в промежуточных маршрутизаторах. Надежное транспортное средство позволяет устанавливать логическое соединение между приложениями, а затем посылать большие объемы данных по этому соединению. Структура набора протоколов TCP/IP имеет четыре уровня: уровень сетевого интерфейса (уровень доступа к сети), сетевой уровень (межсетевой уровень), транспортный уровень (уровень взаимодействия хостов) и прикладной уровень (уровень обработки). Эта структура отражена на рисунке. Прежде чем более детально рассмотреть каждый из четырех уровней, важно сначала разобраться в некоторых понятиях. Следует заметить, что физический уровень эталонной модели OSI остается вне набора TCP/IP, поэтому при сопоставлении с моделью OSI к набору TCP/IP придется добавить пятый - физический уровень. Этот уровень, разумеется, участвует в процессе передачи информации, но не имеет протоколов в наборе TCP/IP. Microsoft TCP/IP обеспечивает все элементы, необходимые для реализации протоколов при организации сетевого взаимодействия. В состав Microsoft TCP/IP входят: - протокол управления передачей ; межсетевой протокол; - простой протокол передачи почты; - протокол датаграмм пользователя; - протокол разрешения адреса, определяет уникальные числовые адреса машин в сети; - межсетевой протокол управления сообщениями. Это множество межсетевых протоколов предоставляет набор стандартов, определяющих, каким образом взаимодействуют компьютеры, и как можно осуществить объединение сетей. Обеспечивается также поддержка PPP и SLIP, протоколов, используемых для доступа по коммутируемым линиям к сетям TCP/IP, включая Internet. Каждый компьютер, подключенный к сети Интернет, имеет уникальный числовой идентификатор – IP-адрес длиной в 32 бита из четырех частей по 8 бит, например 194.85.160.21. Для удобства чтения каждый байт IP-адреса при записи отделяется точкой. Используется и другая форма идентификации компьютеров в сети – форма доменных имен. Между IP-адресом компьютера и его доменным именем устанавливается соответствие. IP-адрес также называют сетевым адресом компьютера, а доменное имя – сетевым именем компьютера. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Учебники, монографии, брошюры Башмаков, А. И. Интеллектуальные информационные технологии / А. И. Башмаков, И. А. Башмаков. – М. : МГТУ им. Баумана, 2005. 350 с Гаврилов, М. В. Информатика и информационные технологии / М. В. Гаврилов. – М. : Гардарики, 2007.150 с. Грабауров, В. А. Информационные технологии: учеб. пособие / В. А. Грабауров. – М. : Современная школа, 2006.400 с Еременко, Ю. А. Современные информационные технологии / Ю. А. Еременко, С. М. Штангей. – М. : ТНТ ООО, 2005. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. СПб: Питер, 200.-704 с. Леонтьев В.П. Большая энциклопедия компьютера и Интернета 2005. М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. – 1104 с. Могилев А.В. Информатика: Учебное пособие для студентов. М.: Изд. Центр «Академия», 2000.-816 с Петров, В. Н. Информационные системы / В. Н. Петров. – СПб. : Питер, 2002. 200- с Советов, Б. Я. Информационные технологии: учебник для вузов / Б. Я. Советов, В. В. Цехановский. – М. : Высшая школа, 2003. Титоренко, Г. А. Информационные технологии управления / Г. А. Титоренко. – М. : Юнити, 2007.-200 с. |