Основы компьютерных сетей.

1. Особенности компьютерных сетей .

1.1. Семиуровневая модель OSI

В настоящее время компьютерные системы повсеместно применяются в сфере телекоммуникаций. Большинство устройств включая абонентские терминалы представляют собой компьютерные системы, а оказание услуг электросвязи является прежде всего обменом данными между компьютерами.

Передача данных между двумя компьютерами представляет сложную задачу. Необходимо согласовать механические и электрические параметры используемых кабелей и разъемов, уровни напряжений, формат передаваемых данных, методы обработки ошибок и множество других параметров.

Для решения сложной задачи часто используется принцип многоуровневой декомпозиции, в соответствии с которым происходит разбиение задачи на ряд более простых подзадач, для решения каждой из которых определяется отдельный модуль (рис.1.1.).

Рис.1.1.

Все модули разбиваются на иерархические уровни. Вышестоящий модуль может обратиться к нижестоящему, результаты работы модуля передаются модулю вышестоящего уровня.

Обмен данными между двумя модулями, расположенными на одном уровне в разных узлах, можно рассматривать как непосредственный обмен данными между этими модулями. Обмен данными между модулями, лежащими на одном уровне, производится в соответствии с определенным протоколом. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов. Как правило, протоколы оперируют блоками данных, которые обобщенно называются PDU (Protocol Data Unit). Для обмена данными между двумя компьютерами необходимо, чтобы они поддерживали один и тот же стек протоколов.

Протокол (стек протоколов) – это прежде всего стандарт (набор стандартов), в соответствии с которыми происходит обмен данными. Программные (аппаратные) модули, осуществляющие обмен данными в соответствии с этим стандартом, представляют программную (аппаратную) реализацию стека протоколов. Часто реализацию того или иного стека протокола также называют стеком протоколом.

Разные реализации одного и того же стека протоколов могут различаться в зависимости от производителя, операционной системы и других факторов. Например, реализация стека TCP/IP под Windows отличается от реализации TCP/IP под UNIX с точки зрения возможностей, предоставляемых прикладному процессу. Но поскольку в обоих случаях стек TCP/IP реализован в соответствии со стандартом, обеспечивается обмен данными между UNIX и Windows машинами, поддерживающими TCP/IP.

Часть протоколов является проприетарным (англ. property), т.е. является собственностью фирмы-разработчика, и может не поддерживаться оборудованием или программным обеспечением других производителей. Во избежание проблем с совместимостью рекомендуется ориентироваться на открытые протоколы, являющиеся международным стандартом, на обязательную поддержку которых ориентируется большинство производителей.

Различают протоколы с установление соединения (connection-oriented) и без установления соединения (connectionless). Протоколы с установлением соединения осуществляют установление соединения между отправителем и получателем перед отправкой данных. Как правило, это виртуальное (или логическое) соединение – virtual circuit. Устройства, организующие соединение, согласуют параметры, которые должны обеспечиваться при передаче данных, например, маршрут и минимальную гарантированную скорость передачи. Коммутации физических каналов при установлении виртуального соединения не происходит.

Протоколы без установления соединения называют также дейтаграммными протоколами. При отправке блока данных получатель никак не уведомляется, повторная отправка утерянных PDU не осуществляется. Такие протоколы работают в режиме best effort, т.е. пытаются передать данные как можно качественнее и без потерь, но надежность не гарантируется.

Многоуровневый подход обеспечивает независимость внутренней структуры отдельных модулей при условии неизменности межмодульного интерфейса. Например, при замене сетевой карты достаточно инсталлировать новый драйвер сетевой карты, при этом в прикладные программы и программное обеспечение, реализующее протоколы более высоких уровней, никаких изменений вносить не нужно.

Семиуровневая модель OSI была разработана ISO в начале 80-х годов рядом международных организаций по стандартизации (ITU, ISO и др). В дальнейшем была создана программная реализация стека протоколов OSI, полностью соответствующего данной модели. Но к тому времени уже достаточно широко применялся стек TCP/IP, который гораздо проще и дешевле стека OSI, поэтому внедрить стек OSI не удалось. Тем не менее, модель OSI представляет существенный теоретический интерес и используется для описания межсетевого взаимодействия. Терминология модели OSI используется повсеместно.

Модель OSI содержит семь уровней (рис.1.2): 1 - физический (physical), 2 - канальный (datalink), 3 - сетевой (network), 4 - транспортный (transport), 5 - сеансовый (session), 6 - уровень представления (presentation),7 - прикладной (application).

Рис.1.2.

Прикладной уровень предоставляет приложениям доступ к сети. Прикладной уровень обменивается данными с представительским уровнем.

Представительский уровень обеспечивает согласование и преобразование форматов передаваемых данных между модулями прикладного уровня. На представительском уровне может выполняться шифровка/дешифровка, компрессия/декомпрессия или другое преобразование передаваемых данных.

В качестве примера функций представительского уровня можно привести определение кодировки веб-страницы браузером. Часто при загрузке веб-страницы она отображается нечитабельными символами из-за неправильного определения кодировки, что является примером сбоя представительского уровня.

Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями. Пример функции сеансового уровня – определение активной стороны при полудуплексной голосовой связи.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между двумя приложениями с требуемым уровнем надежности.

На транспортном уровне происходит разбиение потока данных на сегменты при отправке данных или сборка исходного потока данных из сегментов при приеме. Сегментом называется блок данных (PDU) транспортного уровня.

В случае передачи данных, критичных к ошибкам (например, передача двоичных файлов), нужна надежная передача с исправлением ошибок и повторной передачей утерянных сегментов. В таком случае используются надежные протоколы с установлением виртуальных соединений. При передаче некоторых видов трафика, чувствительных к задержке, но допускающих частичную потерю передаваемых данных (например, потоковое видео) можно использовать дейтаграммные протоколы.

Сетевой уровень обеспечивает доставку пакета между двумя узлами в сети с произвольной топологией. Пакетом называется блок данных сетевого уровня. Обобщенный формат пакета изображен на рис.1.3.

Рис.1.3.

Главная задача сетевого уровня – это поиск маршрута от одного компьютера к другому и передача пакета по этому маршруту. Надежность передачи данных, как правило, обеспечивается протоколами более высоких уровней. Пакет обобщенно состоит из заголовка и поля данных. В поле данных чаще всего содержится сегмент транспортного уровня, а заголовок содержит служебную информацию, а также адреса отправителя и получателя.

На сетевом уровне вводится адресация компьютеров. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Адреса сетевого уровня называют логическими адресами, поскольку адресация не зависит от аппаратного обеспечения. Адресация сетевого уровня иерархическая, адрес состоит как минимум из двух частей – номер сети и номер узла в этой сети. При этом сеть прежде всего понятие логическое, к одной сети относятся те компьютеры, у которых номер сети совпадает.

Передача данных между сетями осуществляется при помощи специальных устройств, которые называются маршрутизаторами. Маршрутизатор – это компьютер специального назначения, который имеет несколько сетевых интерфейсов, при этом каждый интерфейс является частью той сети, к которой он подключен (рис.1.4).

Рис.1.4.

Задача маршрутизатора – определение маршрута и коммутация пакета, т.е. маршрутизатор должен принять пакет на один из своих интерфейсов, определить, через какой интерфейс этот пакет должен быть передан далее, и отправить пакет через этот интерфейс. Задача выбора маршрута называется маршрутизацией.

Протоколы, относящиеся к сетевому уровню, можно разделить на 2 группы – маршрутизируемые протоколы (routed protocols) и протоколы маршрутизации (routing protocols).Маршрутизируемые протоколы используются для передачи данных между хостами, тогда как протоколы маршрутизации используются для передачи маршрутной информации между маршрутизаторами.

Канальный уровень обеспечивает передачу фрейма данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях с произвольной топологией. Также на канальном уровне осуществляется управление доступом к среде передачи данных.

Фреймом (англ. frame - кадр) или реже кадром называется PDU канального уровня. В поле данных кадра инкапсулируется пакет. На канальном уровне используется плоская или неиерархическая адресация. Адреса канального уровня в локальных сетях часто называют МАС-адресами, или физическими адресами.

Адресация канального уровня, а также формат фрейма зависят от типа оборудования. Это значит, что для передачи фрейма отправитель и получатель должны использовать на канальном уровне один и тот же стандарт. Например, можно объединить в одном сегменте сети два компьютера с сетевыми картами Etehrnet, но объединение компьютеров с сетевыми картами Ethernet и Token ring в одном сегменте является невозможным.

Обобщенно формат фрейма представлен на рис.1.5.

Рис.1.5.

Фрейм состоит из заголовка, поля данных, и трейлера. В заголовке содержится служебная информация, а также адресная информация, необходимая для доставки фрейма. В поле данных содержится блок данных сетевого уровня, т.е. пакет. В трейлере содержится контрольная сумма, позволяющая определить, был ли фрейм поврежден при передаче.

Во избежание захвата среды передачи данных каким-либо одним узлом максимальный размер фрейма ограничен, соответственно ограничен максимальный размер поля данных. Максимальный размер поля данных фрейма называется MTU – Maximum Transfer Unit. Например, для сетей Ethernet MTU составляет 1500 байт.

Физический уровень.

Задача физического уровня - осуществлять передачу отдельных битов по физическим каналам, таким как витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики среды передачи данных, параметры электрических сигналов, стандарты на прокладку кабельной проводки, методы модуляции/демодуляции, кодирования и пр. С точки зрения физического уровня осуществляется передача неформатированного потока данных бит за битом, физический уровень “не понимает” формата фреймов или пакетов.

Порядок инкапсуляции.

При передаче данных от отправителя к получателю (рис.1.11) данные сначала поступают на прикладной уровень, с прикладного на представительский, с представительского на сеансовый, а далее на транспортный уровень. На транспортном уровне поток данных разбивается на сегменты. На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет, на канальном уровне пакет инкапсулируется во фрейм, а фрейм на физическом уровне бит за битом передается через среду передачи данных. Получатель осуществляет обратный процесс, т.е. из фрейма извлекается пакет, из пакета извлекается сегмент. На транспортном уровне из сегментов собирается исходный поток данных, после чего данные передаются на сеансовый уровень, далее на представительский, с представительского – на прикладной уровень. Прикладной уровень передает данные приложению-получателю.

Таким образом, имеет место следующий порядок инкапсуляции: сегмент-пакет-фрейм (рис.1.12).

Рис.1.6.

Рис.1.7.

1.2. Классификация компьютерных сетей

Наиболее часто используется классификация сетей по их протяженности. Если расстояние между двумя наиболее отстоящими друг от друга узлами не превышает 1км, сеть считается локальной вычислительной сетью, сокращенно ЛВС (Local Area Network - LAN). Небольшие расстояния в локальных сетях позволяют использовать каналы с большой полосой пропускания при относительно небольших затратах. В настоящее время в ЛВС обеспечивается передача данных на скоростях до 10Гбит/с. Чаще всего ЛВС обслуживает одно здание или группу зданий.

Сеть протяженностью свыше 100 км считается глобальной сетью (World Area Network - WAN). Узлы глобальных сетей территориально рассредоточены, что затрудняет прокладку быстрых линий связи между ними. Поэтому скорость передачи данных для конечного пользователя в глобальных сетях существенно меньше.

Сеть протяженностью от 1 до 100км называется городской сетью (Metropolitan Area Network - MAN). Этот тип сетей появился относительно недавно с развитием кабельной инфраструктуры в крупных городах. Скорость передачи данных в таких сетях сопоставима со скоростью передачи данных в ЛВС.

В настоящее время наблюдается постепенное сближение локальных и глобальных сетей. Благодаря внедрению оптоволоконных линий связи и новых способов передачи данных повышается скорость магистральных каналов глобальных сетей. Для решения проблемы “последней мили” все чаще используется широкополосный доступ. Благодаря использованию широкополосного доступа миллионы пользователей могут подключаться к Internet на скоростях, которые раньше были доступны только в ЛВС.

Конвергенция сетей.

Идея конвергенции заключается в постепенном слиянии вычислительных и телекоммуникационных сетей. В настоящее время сети с коммутацией пакетов используются не только для передачи компьютерных данных, а также для передачи голосового и видео трафика, мобильной связи, телепрограмм, радиопрограмм. Также происходит слияние функциональности вычислительных и коммуникационных устройств. С помощью мобильного телефона можно получить доступ в Internet, а с помощью компьютера можно осуществлять телефонные звонки. Такой подход позволит пользователю получать доступ ко всем услугам из любого места, с любого устройства, в любое время. При этом могут быть внедрены принципиально новые услуги, например видео по запросу.

Проблема качества обслуживания (Quality of Service – QoS).

Изначально компьютерные сети предполагалось использовать для передачи компьютерного трафика, имеющего импульсный характер. Например, загрузка файла осуществляется с максимально возможной скоростью, при этом изменение времени загрузки в пределах нескольких секунд, как правило, некритично. В то же время недопустима потеря хотя бы одного сегмента переданных данных, так как это может привести к повреждению файла.

Мультимедийный трафик носит иной характер. При передаче мультимедийного трафика (например, голоса) необходимо передавать данные небольшими частями, но с фиксированным интервалом. Допускается частичная потеря передаваемой информации, но трафик чувствителен к задержке, а также к изменению времени задержки (джиттеру). Механизмы разграничения разных типов трафика и обеспечения требуемого качества услуг рассмотрены в разделе 8.

1.3. Системы исчисления.

Двоичная система исчисления – позиционная система исчисления по основанию 2, в качестве цифр используются 0 и 1. При работе с IP - сетями в большинстве случаев достаточно уметь работать с 8-битовыми числами.

Пример преобразования из двоичной системы в десятичную:

10111001

10111001₂ = 1×2⁷ + 0×2⁶ + 1×2⁵ + 1×2⁴ + 1×2³ + 0×2² + 0×2¹ + 1*2⁰ = 128 + 32 + 16 + 8 + 1 = 185

Для преобразования из десятичной системы в двоичную можно использовать метод деления с остатком. Преобразуем число 161 к двоичному виду.

Таким образом, 168₁₀ = 10100001₂

Для преобразования чисел от 1 до 255 можно воспользоваться упрощенным алгоритмом.

Для примера преобразуем число 161 к двоичному виду:

128 < 168. в 7 разряде <1 161 - 128 = 33.

64 > 33. в 6 разряде <0

32 < 33. в 5 разряде <1 33 - 32 = 1.

16 > 1. в 4 разряде <0

8 > 1. в 3 разряде <0

4 > 1. в 2 разряде <0

2 > 1. в 1 разряде <0

1=1. в 0 разряде <1

Таким образом, 168₁₀ = 10100001₂

Шестнадцатиричная система - позиционная система исчисления по основанию 16. Удобна тем, что для записи одного байта требуются всего две цифры. В шестнадцатиричной системе исчисления в качестве цифр используются символы от 0 до 9, а также латинские буквы от A до F. A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15.

При записи шестнадцатиричных чисел часто перед числом пишется “0x”, например 0хAF1.

Преобразование шестнадцатиричных чисел в десятичные осуществляется аналогично преобразованию двоичных чисел в десятичные. Например,

0xAF1 = A × 16² + F×16¹ + 1×16⁰ = 10 × 256 + 15 × 16 + 1×1 = 2560 + 240 + 1 = 2801

Для преобразования десятичных чисел в шестнадцатиричные можно использовать деление с остатком. Например, осуществим преобразование 2801₁₀ в шестнадцатиричную форму:

Также можно воспользоваться алгоритмом, изображенным на рис.8, применительно к шестнадцатиричным числам. Например, преобразуем 242 в шестнадцатиричную форму.

242 < 15 × 16¹ в 1 разряде F 242 - 15 × 16¹ = 242 – 240 = 2

2 = 2 в 2 разряде <2<

Таким образом, 242₁₀=0xF2

Преобразование из двоичной формы в шестнадцатиричную осуществляется следующим образом: двоичное число разбивается на группы по 4 бита справа налево, при этом каждая группа отдельно преобразуется в шестнадцатиричную форму. При необходимости двоичное число можно дополнить нулями слева. Например:

Преобразование из шестнадцатиричной формы в двоичную осуществляется аналогично: каждая цифра шестнадцатиирчного числа преобразуется в двоичную форму и записывается в 4-х битах, при необходимости используется дополнение нулями слева. Например,