Межсетевое взаимодействие — это практика объединения нескольких компьютерных сетей вместе для формирования более крупных сетей. Различные типы сетей могут быть подключены к промежуточным устройствам, известным как шлюзы, и после их соединения они действуют как одна большая сеть. Межсетевое взаимодействие было разработано как ответ на несколько проблем, возникших в первые дни персональных компьютеров и составляющих основу современного Интернета.
Многие люди каждый день используют разные типы сетей, даже не осознавая этого. Бизнесмен, который использует смартфон для проверки электронной почты, использует сотовую сеть, а домашний пользователь может передавать музыку на ноутбук через беспроводную сеть. Сельские пользователи могут получить доступ к сети к своему интернет-провайдеру через коммутируемое соединение. В корпоративном мире большие проводные сети являются нормой. Межсетевое взаимодействие позволяет всем этим сетям соединяться друг с другом, несмотря на их технологические различия.
Ключом к переходу на различные типы сетей является концепция пакетов — крошечных отдельных единиц данных. Пакеты являются основой для современных компьютерных сетей, но не ограничиваются какой-либо одной сетевой технологией. Вместо этого пакеты могут быть вставлены в так называемые фреймы, которые предназначены для определенных сетевых технологий. Эта компоновка позволяет использовать пакеты из любого типа сети в любой другой сети. Специальные устройства, поддерживающие более чем одну сетевую технологию, называемую шлюзами или маршрутизаторами, могут передавать пакеты между этими различными сетями.
Межсетевое взаимодействие постепенно развивалось как ответ на несколько проблем. Самые ранние соединения между несколькими компьютерами были «немыми» терминалами с небольшой вычислительной мощностью, которые могли бы подключаться к мощным мощным мейнфреймам. Поскольку персональные компьютеры (ПК) начали заменять терминалы, ПК были сгруппированы в локальные сети (ЛВС). Хотя это имело много преимуществ, локальные сети были изолированы и не могли подключаться к другим ЛВС, что ограничивало производительность. Файловые серверы, принтеры и другие ресурсы не могут быть разделены между местоположениями, а организации с несколькими местоположениями не могут легко обмениваться информацией.
В начале 1970-х годов американские исследователи, работающие в сети оборонного ведомства, известной как сеть агентств по продвижению исследовательских проектов (ARPANET), начали исследовать возможность связывания своей сети с другими ранними сетями. Эти исследования показали, что ранние сетевые протоколы не очень хорошо подходят для межсетевого взаимодействия, и началась разработка протокола управления передачей и протокола Интернета (TCP / IP). К концу 1970-х годов ARPANET была связана с двумя другими сетями, использующими TCP / IP, и была написана важная страница в истории Интернета.
Новые сети продолжали подключаться к ARPANET в 1980-х годах, и все большее число локальных сетей были подключены друг к другу через ARPANET. В 1989 году сеть, созданная Национальным научным фондом (NSF), заменила ARPANET. Оттуда региональные сети были подключены к сети NSF с использованием TCP / IP и связанных протоколов, и появилась большая «сеть сетей» — Интернет.
Реализация межсетевого взаимодействия средствами TCP/IP
-Многоуровневая структура стека TCP/IP
В стеке TCP/IP определены 4 уровня (рис. 5.5). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.
Рис. 5.5. Многоуровневая архитектура стека TCP/IP
-Уровень межсетевого взаимодействия
Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.
Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.
-Основной уровень
Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу -обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами -решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным .
На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.
Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.
-Прикладной уровень
Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.
-Уровень сетевых интерфейсов
Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий.
Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры.
-Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели ISO/OSI
Рассматривая многоуровневую архитектуру TCP/IP, можно выделить в ней, подобно архитектуре OSI, уровни, функции которых зависят от конкретной технической реализации сети, и уровни, функции которых ориентированны на работу с приложениями (рис. 5.7).
Рис. 5.6. Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели OSI
Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP работают на компьютерах, выполняющих приложения пользователей. Даже полная смена сетевого оборудования в общем случае не должна влиять на работу приложений, если они получают доступ к сетевым возможностям через протоколы прикладного уровня.
Протоколы транспортного уровня уже более зависят от сети, так как они реализуют интерфейс к уровням, непосредственно организующим передачу данных по сети. Однако, подобно протоколам прикладного уровня, программные модули, реализующие протоколы транспортного уровня, устанавливаются только на конечных узлах. Протоколы двух нижних уровней являются сетезависимыми, а следовательно, программные модули протоколов межсетевого уровня и уровня сетевых интерфейсов устанавливаются как на конечных узлах составной сети, так и на маршрутизаторах.
Каждый коммуникационный протокол оперирует с некоторой единицей передаваемых данных. Названия этих единиц иногда закрепляются стандартом, а чаще просто определяются традицией. В стеке TCP/IP за многие годы его существования образовалась устоявшаяся терминология в этой области (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Название единиц данных, используемые в TCP/IP
Потоком называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня TCP и UDP.
Протокол TCP нарезает из потока данных сегменты .
Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграммой (или датаграммой). Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол межсетевого взаимодействия IP.
Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом .
В стеке TCP/IP принято называть кадрами (фреймами) единицы данных протоколов, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в локальной технологии.
Выводы
· Составная сеть (internetwork или internet) - это совокупность нескольких сетей, называемых также подсетями (subnet), которые соединяются между собой маршрутизаторами. Организация совместной транспортной службы в составной сети называется межсетевым взаимодействием (internetworking).
· В функции сетевого уровня входит: передача пакетов между конечными узлами в составных сетях, выбор маршрута, согласование локальных технологий отдельных подсетей.
· Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы и конечные узлы на основе таблиц маршрутизации. Записи в таблицу могут заноситься вручную администратором и автоматически протоколами маршрутизации.
· Протоколы маршрутизации (например, RIP или OSPF) следует отличать от собственно сетевых протоколов (например, IP или IPX). В то время как первые собирают и передают по сети чисто служебную информацию о возможных маршрутах, вторые предназначены для передачи пользовательских данных.
· Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются в виде программных модулей на конечных узлах-компьютерах и на промежуточных узлах - маршрутизаторах.
· Маршрутизатор представляет собой сложное многофункциональное устройство, в задачи которого входит: построение таблицы маршрутизации, определение на ее основе маршрута, буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, поддержка сетевых интерфейсов. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.
· Для алгоритмов маршрутизации характерны одношаговый и многошаговый подходы. Одношаговые алгоритмы делятся на алгоритмы фиксированной, простой и адаптивной маршрутизации. Адаптивные протоколы маршрутизации являются наиболее распространенными и в свою очередь могут быть основаны на дистанционно-векторных алгоритмах и алгоритмах состояния связей.
· Наибольшее распространение для построения составных сетей в последнее время получил стек TCP/IP. Стек TCP/IP имеет 4 уровня: прикладной, основной, уровень межсетевого взаимодействия и уровень сетевых интерфейсов. Соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.
· Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям: традиционные сетевые службы типа telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP, а также сравнительно новые, такие, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.
· На основном уровне стека TCP/IP, называемом также транспортным, функционируют протоколы TCP и UDP. Протокол управления передачей TCP решает задачу обеспечения надежной информационной связи между двумя конечными узлами. Дейтаграммный протокол UDP используется как экономичное средство связи уровня межсетевого взаимодействия с прикладным уровнем.
· Уровень межсетевого взаимодействия реализует концепцию коммутации пакетов в режиме без установления соединений. Основными протоколами этого уровня являются дейтаграммный протокол IP и протоколы маршрутизации (RIP, OSPF, BGP и др.). Вспомогательную роль выполняют протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP, протокол группового управления IGMP и протокол разрешения адресов ARP.
· Протоколы уровня сетевых интерфейсов обеспечивают интеграцию в составную сеть других сетей. Этот уровень не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д., для глобальных сетей - Х.25, frame relay, PPP, ISDN и т. д.
· В стеке TCP/IP для именования единиц передаваемых данных на разных уровнях используют разные названия: поток, сегмент, дейтаграмма, пакет, кадр.
На предприятии используется глобальная компьютерная сеть, которая охватывает большие территории и включающая в себя большое число компьютеров.
Глобальная компьютерная сеть служит для объединения разрозненных сетей так, чтобы пользователи и компьютеры, где бы они ни находились, могли взаимодействовать со всеми остальными участниками глобальной сети. На каждом компьютере есть выход в интернет, но с ограниченным доступом к социальным сетям.
Компьютерные сети – это системы компьютеров, объединенных каналами передачи данных, обеспечивающие эффективное предоставление различных информационно-вычислительных услуг пользователям посредством реализации удобного и надежного доступа к ресурсам сети.
Информационные системы, использующие возможности компьютерных сетей, обеспечивают выполнение следующих задач:
1. Хранение и обработка данных
2. Организация доступа пользователей к данным
3. Передача данных и результатов обработки пользователям
Эффективность решения перечисленных задач обеспечивается:
1. Дистанционным доступом пользователей к аппаратным, программным и информационным ресурсам
2. Высокой надежностью системы
3. Возможностью оперативного перераспределения нагрузки
4. Специализацией отдельных узлов сети для решения определенного класса задач
5. Решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети
6. Возможностью осуществления оперативного контроля всех узлов сети
Виды компьютерных сетей:
1. Локальные (ЛВС, LAN-Local Area Network)
2. Региональные (РВС, MAN – Metropolitan Area Network)
3. Глобальные (ГВС, WAN – Wide Area Network)
В локальной сети абоненты находятся на небольшом (до 10-15 км) расстоянии.
Глобальные сети соединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, расположенных в разных странах, или разных континентах.
По признакам организации передачи данныхкомпьютерные сети можно разделить на две группы:
1. последовательные;
2. широковещательные.
В последовательных сетях передача данных осуществляется последовательно от одного узла к другому. Каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все виды сетей относятся к этому типу. В широковещательных сетях в конкретный момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию.
Топология представляет физическое расположение сетевых компонентов (компьютеров, кабелей и др.). Выбором топологии определяется состав сетевого оборудования, возможности расширения сети, способ управления сетью.
Существуют следующие топологии компьютерных сетей:
1. шинные (линейные, bus);
2. кольцевые (петлевые, ring);
3. радиальные (звездообразные, star);
4. смешанные (гибридные).
Практически все сети строятся на основе трех базовых топологий:топологии «шина», «звезда» и «кольцо». Базовые топологии достаточно просты, однако на практике часто встречаются довольно сложные комбинации, сочетающие, свойства и характеристики нескольких топологий.
В топологии «шина», или «линейная шина» (linear bus), используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которомуподключены все компьютеры сети. Эта топология является наиболее простой и распространенной реализацией сети.
Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, производительность сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем медленнее сеть.
Зависимость пропускной способности сети от количества компьютеров в ней не является прямой, так как, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество других факторов: тип аппаратного обеспечения, частота передачи данных, тип сетевых приложений, тип сетевого кабеля, расстояние между компьютерами в сети.
«Шина» является пассивной топологией - компьютеры только«слушают» передаваемые по сети, данные, но не передают их от отправителя к получателю. Выход из строя какого-либо компьютера не оказывает влияния на работу всей сети. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы с последующей передачей их по сети.
Основой последовательной сети с радиальной топологией (топологией «звезда») является специальный компьютер - сервер, к которому подключаются рабочие станции, каждая по своей линии связи.
Всяинформация передается через сервер, в задачи которого входит ретрансляция, переключение и маршрутизация информационных потоков в сети. Такая сеть является аналогом системы телеобработки, в которой все абонентские пункты содержат в своем составе компьютер.
Недостатками такой сети являются:
· высокие требования к вычислительным ресурсам центральной аппаратуры,
· потеря работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры,
· большая протяженность линий связи,
· отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации если выйдет из строя рабочая станция (или кабель, соединяющий ее сконцентратором), то лишь эта станция не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные рабочие станции в сети этот сбой не повлияет.
При использовании топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Каждый компьютер является повторителем, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Способ передачи данных по кольцевой сети называется передачей маркера. Маркер последовательно, от компьютера к компьютеру, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который должен передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя и отправляет его дальше по кольцу.
Данные передаются через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Далее принимающий компьютер посылает передающему сообщение - подтверждение о приеме данных. Получив сообщение - подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
На предприятие используется топология типа общая шина, которая представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.
Отправляемое какой-либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет, кому адресовано сообщение - если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» «МАРКЕР» остальным компьютерам такой сети.
Достоинства:
1. Небольшое время установки сети;
2. Дешевизна (требуется кабель меньшей длины и меньше сетевых устройств);
3. Простота настройки;
4. Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети.
Недостатки:
2. Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля или выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;
3. Затрудненность выявления неисправностей;
4. С добавлением новых рабочих станций падает общая производительность сети.
Обмен данными между сотрудниками на предприятии происходит с помощью Viber.
Viber - новое уникальное приложение, доступное каждому пользователю смартфона или компьютера. Viber –звонки, и возможность отправлять голосовые сообщения и видеофайлы, и многое другое.
| | 3 | |
Данный вопрос рассмотрим на примере наиболее распространенной и признанной эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI (ВОС).
В основу эталонной модели положена идея декомпозиции процесса функционирования открытых систем на уровни, причем разбиение на уровни производится таким образом, чтобы сгруппировать в рамках каждого из них функционально наиболее близкие компоненты. Кроме того, требуется, чтобы взаимодействие между смежными уровнями было минимальным, число уровней сравнительно небольшим, а изменения, производимые в рамках одного уровня, не требовали бы перестройки смежных. Отдельный уровень, таким образом, представляет собой логически и функционально замкнутую подсистему, сообщающуюся с другими уровнями посредством специально определенного интерфейса. В рамках модели ISO/OSI каждый конкретный уровень может взаимодействовать только с соседними. Совокупность правил и соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена называется протоколом .
Эталонная модель содержит семь уровней (табл. 1.1):
1) физический;
2) канальный;
3) сетевой;
4) транспортный;
5) сеансовый;
6) представительный;
7) прикладной.
Таблица 1.1
Семиуровневая модель протоколов межсетевого обмена OSI
| Наименование | ||
| Прикладной | Предоставление услуг на уровне конечного пользователя: почта, теледоступ и пр. |
|
| Представительный | Интерпретация и сжатие данных |
|
| Сеансовый | Аутентификация и проверка полномочий |
|
| Транспортный | Обеспечение корректной сквозной пересылки данных |
|
| Маршрутизация и ведение учета |
||
| Канальный | Передача и прием пакетов, определение аппаратных адресов |
|
| Физический | Собственно кабель или физический носитель |
Каждый уровень передающей станции в этой иерархической структуре взаимодействует с соответствующим уровнем принимающей станции посредством нижележащих уровней. При этом каждая пара уровней с помощью служебной информации в сообщениях устанавливает между собой логическое соединение, обеспечивая тем самым логический канал связи соответствующего уровня. С помощью такого логического канала каждая пара верхних уровней может обеспечивать между собой взаимодействие, абстрагируясь от особенностей нижних. Другими словами, каждый уровень реализует строго определенный набор функций, который может использоваться верхними уровнями независимо от деталей реализации этих функций.
Рассмотрим подробнее функциональное назначение каждого уровня.
Физический уровень. Физический уровень обеспечивает электрические, функциональные и процедурные средства установления, поддержания и разъединения физического соединения. Реально он представлен аппаратурой генерации и управления электрическими сигналами и каналом передачи данных. На этом уровне данные представляются в виде последовательности битов или аналогового электрического сигнала. Задачей физического уровня является передача последовательности битов из буфера отправителя в буфер получателя.
Канальный уровень. Протоколы канального уровня занимают особое место в иерархии уровней: они служат связующим звеном между реальным каналом, вносящим ошибки в передаваемые данные, и протоколами более высоких уровней, обеспечивая безошибочную передачу данных. Этот уровень используется для организации связи между двумя станциями с помощью имеющегося в наличии канала связи. При этом станции могут быть связаны несколькими каналами. Задача протокола канального уровня – составление кадров, правильная передача и прием последовательности кадров, контроль последовательности кадров, обнаружение и исправление ошибок в информационном поле (если это необходимо).
Сетевой уровень. Сетевой уровень предоставляет вышестоящему транспортному уровню набор услуг, главными из которых являются сквозная передача блоков данных между передающей и приемной станциями (то есть выполнение функций маршрутизации и ретрансляции) и глобальное адресование пользователей. Другими словами, нахождение получателя по указанному адресу, выбор оптимального (в условиях данной сети) маршрута и доставка блока сообщения по указанному адресу.
Таким образом, на границе сетевого и транспортного уровней обеспечивается независимость процесса передачи данных от используемых сред, за исключением качества обслуживания. Под качеством обслуживания понимается набор параметров, обеспечивающих функционирование сетевой службы, отражающий рабочие (транзитная задержка, коэффициент необнаруженных ошибок и др.) и другие характеристики (защита от несанкционированного доступа, стоимость, приоритет и др.). Система адресов, используемая на сетевом уровне, должна иметь иерархическую структуру и обеспечивать следующие свойства: глобальную однозначность, маршрутную независимость и независимость от уровня услуг.
Различают следующие виды сетевого взаимодействия:
С установлением соединения - между отправителем и получателем сначала с помощью служебных пакетов организуется логический канал (отправитель - отправляет пакет, получатель – ждет получение пакета), который разъединяется после окончания сообщения или в случае неисправимой ошибки. Такой способ используется протоколом Х.25;
Без установления соединения (дейтаграммный режим) – обмен информацией осуществляется с помощью дейтаграмм (разновидность пакетов), независимых друг от друга, которые принимаются также независимо друг от друга и собираются в сообщение на приемной станции. Такой способ используется в архитектуре протоколов DARPA.
Транспортный уровень. Транспортный уровень предназначен для сквозной передачи данных через сеть между оконечными пользователями – абонентами сети. Протоколы транспортного уровня функционируют только между оконечными системами.
Основными функциями протоколов транспортного уровня являются разбиение сообщений или фрагментов сообщений на пакеты, передача пакетов через сеть и сборка пакетов. Они также выполняют следующие функции: отображение транспортного адреса в сетевой, мультиплексирование и расщепление транспортных соединений, межконцевое управление потоком и исправление ошибок. Набор процедур протокола транспортного уровня зависит как от требований протоколов верхнего уровня, так и от характеристик сетевого уровня. Наиболее известным протоколом транспортного уровня является протокол TCP (Transmission Control Protocol).
Протоколы верхних уровней. К протоколам верхних уровней относятся протоколы сеансового, представительного и прикладного уровней. Они совместно выполняют одну задачу - обеспечение сеанса обмена информацией между двумя прикладными процессами, причем информация должна быть представлена в том виде, который понятен обоим процессам. Поэтому, обычно, эти три уровня рассматривают совместно. Под прикладным процессом понимается элемент оконечной системы, который принимает участие в выполнении одного или нескольких заданий по обработке информации. Связь между ними осуществляется с помощью прикладных объектов – элементов прикладных процессов, участвующих в обмене информацией. При этом протоколы верхних уровней не учитывают особенности конфигурации сети, каналов и средств передачи информации.
Протоколы представительного уровня предоставляют услуги по согласованию синтаксиса передачи (правил, задающих представление данных при их передаче) и конкретным представлениям данных в прикладной системе. Другими словами, на представительном уровне осуществляется синтаксическое преобразование данных от вида, используемого на прикладном уровне, к виду, используемому на остальных уровнях (и наоборот).
Прикладной уровень. Основной задачей протоколов прикладного уровня является интерпретация данных, полученных с нижних уровней, и выполнение соответствующих действий в оконечной системе в рамках прикладного процесса. В частности, эти действия могут заключаться в передаче управления определенным службам ОС вместе с соответствующими параметрами. Кроме того, протоколы прикладного уровня могут предоставлять услуги по идентификации и аутентификации партнеров, установлению полномочий для передачи данных, проверке параметров безопасности, управлению диалогом и др.
^ ОРГАНИЗАЦИЯ МЕЖСЕТЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
3.1. Принципы согласования гетерогенных сетей
При организации взаимодействия двух или более компьютеров для получения работоспособной сети достаточно использование базовой сетевой технологии.
Базовая сетевая технология - это согласованный набор протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Примерами базовых технологий могут служить такие технологии, как Ethernet или Token Ring.
Имея программные и аппаратные средства, а также среду передачи данных, соответствующие одной базовой технологии, и объединив их в соответствии с требованиями стандарта с помощью данной технологии, можно организовать информационный обмен нескольких компьютеров. Протоколы и оборудование сетей, построенных на основе базовых технологий, специально разрабатываются для совместной работы, что избавляет от необходимости использовать дополнительные средства для организации их взаимодействия.
Появление новых стандартов и технологий не обозначает массовый переход всех систем только на эти технологии. Дело в том, что процесс модернизации обычно требует немалых затрат, связанных как со стоимостью нового оборудования и программного обеспечения, так и, например, с теми убытками, которые понесет организация в результате «простоя», вызванного установкой, настройкой и проверкой работоспособности закупленного сетевого оборудования и программного обеспечения. Поэтому, на практике существование рядом сетей, использующих различные поколения одной и той же технологии, - явление вполне уместное.
Весьма актуальной остается задача, когда требуется организовать взаимодействие подобных сетей, объединенных в одну составную сеть. При этом, т. е. при построении составных сетей, включающих в себя подсети, организованные с использованием различающихся базовых технологий, встает проблема согласования между собой различных базовых технологий, а также различных «версий» реализации этих технологий.
Оборудование, разработанное для работы в сети, основанной на одной технологии, зачастую оказывается далеко не всегда совместимым между собой. Это связано с тем, что производители сетевого оборудования используют свои собственные фирменные стандарты, которые не всегда полностью идентичны официальным. Происходить такое может в результате неточной, ошибочной реализации официальных стандартов либо в результате попыток эти стандарты улучшить (расширить), т. е. внести новые дополнительные функции или свойства, призванные улучшить работы производимого оборудования.
Поэтому при объединении подсетей, использующих сетевое оборудование разных фирм, иногда возникает необходимость выбора: либо установка нового оборудования только от одного производителя, либо переконфигурация всего имеющегося оборудования на работу по стандартным протоколам и технологиям, чтобы оно стало совместимо с оборудованием других производителей.
Другой сложностью, возникающей при объединении нескольких сетей, использующих различные технологии и архитектуры, является применение в этих сетях различных стеков протоколов.
В США попытка перевести все сети на единый стек протоколов OSI не увенчалась большим успехом. Это можно объяснить тем, что в сети Интернет стандартом де-факто стал стек TCP/IP, а кроме того, стеки IPX/SPX, NetBEUI и ряд других все еще не потеряли своей популярности.
Для согласования протоколов, принадлежащих разным стекам, используются три основных метода:
инкапсуляция;
трансляция;
мультиплексирование.
Инкапсуляция (или туннелирование) протоколов - метод согласования разнородных сетей, использующих различные технологии транспортировки данных. Данный метод применяется, если нужно организовать обмен данными между двумя сетями, построенными по одинаковой технологии. Такие сети могут быть связаны не непосредственно, а посредством других промежуточных сетей, использующих отличные технологии построения сетей. Метод инкапсуляции, применяемый в этом случае, использует промежуточные сети в качестве транзитных, передавая информацию через них посредством их же транспортных средств.
Принцип инкапсуляции протоколов имеет сходство с принципом инкапсуляции пакетов при их продвижении по стеку протоколов. Пакеты транспортного протокола, которые нужно переслать через транзитную сеть, инкапсулируются в пакеты транспортного протокола этой транзитной сети. После прохождения промежуточной, транзитной сети происходит обратный процесс - полученные пакеты декапсулируются и пересылаются непосредственно адресату.
Инкапсуляция может быть использована для транспортных протоколов любого уровня и зачастую является наиболее простым и быстрым решением среди остальных методов согласования протоколов. Однако инкапсуляция не обеспечивает возможности взаимодействия с узлами транзитной сети.
Метод трансляции обеспечивает согласование двух протоколов за счет конвертирования формата сообщений, поступающих из одной сети, в формат другой сети. Задачи трансляции обычно берут на себя аппаратно-технические средства, служащие для организации межсетевого взаимодействия.
Сложность выполнения трансляции зависит от степени различий транслируемых протоколов между собой, от используемых этими протоколами систем адресации и представления данных. Например, конвертирование сообщения Ethernet в сообщение Token Ring выполняется достаточно просто, поскольку они используют одинаковую систему адресации пакетов.
К числу преимуществ трансляции перед другими методами можно отнести:
отсутствие необходимости устанавливать дополнительное программное обеспечение на рабочих станциях;
упрощение процессов администрирования, поиска неисправностей и обеспечения сетевой безопасности за счет локализации места возникновения проблем, связанных с межсетевым взаимодействием.
транслятор представляет собой «узкое место» составной сети, так как через него должен проходить весь межсетевой обмен данными, и при увеличении числа пользователей, запрашивающих ресурсы другой подсети, уровень работоспособности сети может значительно упасть;
трансляция зачастую оказывается весьма трудоемким с точки зрения вычислительных мощностей методом, что может уменьшать фактическую скорость передачи данных.
При этом задачи определения, с использованием какого именно стека происходит обработка полученного сообщения, выполняются специальными программными средствами, называемыми мультиплексорами или менеджерами протоколов.
Таким образом, мультиплексор протоколов выполняет коммутацию пакетов между протоколами соседних уровней различных стеков.
Примером использования метода мультиплексирования протоколов может служить некий сервер, поддерживающий прикладные протоколы NCP и NFS и способный благодаря этому выполнять запросы рабочих станций, находящихся в сетях NetWare и Windows NT одновременно.
По сравнению с прочими методами согласования протоколов мультиплексирование позволяет избавиться от «узкого места» сети, а значит, и от задержек, возникающих в результате ожидания очереди на обработку.
Однако при этом страдает простота администрирования и контроля работоспособности сети. Кроме того, данный метод требует установки на рабочие станции дополнительных стеков протоколов.
^ 3.2. Маршрутизация пакетов
3.2.1. Принципы маршрутизации пакетов
Под термином «маршрутизация пакетов» можно понимать некий механизм, позволяющий осуществить передачу пакета с одного узла составной сети на другой.
Как уже говорилось ранее, локальная сеть может быть разделена на две подсети с помощью таких сетевых устройств, как мосты и коммутаторы. Однако, очевидно, что эти же устройства могут использоваться и для объединения двух и более сетей в единую составную сеть.
Мосты и коммутаторы относятся к средствам физического и канального уровня сетевой модели 051. В силу этого, объединенная с их помощью сеть будет иметь ряд ограничений и недостатков, связанных с базовыми технологиями, по которым построены входящие в нее подсети.
Прежде всего, топология составной сети, построенной с использованием сетевого оборудования первого и второго уровней модели 051, не должна содержать петель, т. е. между отправителем и получателем всегда должен существовать только один единственный путь или маршрут. Такое ограничение существенно снижает надежность сети из-за отсутствия резервных маршрутов пересылки данных.
Кроме того, возникают проблемы, связанные с системой адресации, необходимой для обеспечения обмена данными между любыми узлами составной сети. Система физических адресов, используемая на нижних уровнях сетевой модели, в масштабах составной сети оказывается недостаточно гибкой и удобной.
Возникает и ряд других сложностей, связанных с разнородностью объединенных сетей.
Решением этих проблем стало использование маршрутизаторов - аппаратных и программных средств, способных выполнять функции третьего, сетевого уровня модели 051.
Сетевое оборудование первых двух и третьего уровня использует различную информацию в процессе ее перемещения от источника к адресату, т. е. выполняет схожие задачи, но принципиально разными способами.
Объединение разнородных подсетей с помощью маршрутизаторов (рис. 3.1) допускает наличие петель в топологии сети. Обыч-
Рис. 3.1.
Объединение гетерогенных подсетей в составную
но в сложных составных сетях практически всегда существует несколько альтернативных маршрутов, по которым возможна передача данных между двумя узлами. Кроме того, крупные составные сети могут включать в себя сети различных масштабов - от локальных до территориально-распределенных глобальных сетей.
Маршрутом пересылки пакета с одного узла составной сети на другой является порядок прохождения этим пакетом транзитных сетей, соединяющих сети, в которых расположены источник и адресат данного пакета.
Составные сети, в которых требуется маршрутизация пакета на сетевом уровне, должны быть объединены между собой посредством маршрутизаторов. Поэтому маршрутом пересылки пакета по сети можно назвать последовательность маршрутизаторов, через которые этот пакет будет переправлен в процессе следования к своему адресату.
Маршрутизация пакетов включает в себя две основные задачи:
определение оптимального маршрута пересылки пакета по составной сети;
собственно пересылка пакета по сети.
Однако такая информация, особенно в сложных и крупных сетях, оказывается весьма громоздкой и неудобной для осуществления по ней поиска с целью выбора подходящего маршрута.
Поэтому ни узел, отправивший пакет, ни какой-либо промежуточный маршрутизатор на пути их следования не хранят информацию обо всем маршруте пакета целиком. Узел-отправитель, а также каждый маршрутизатор знают лишь адрес маршрутизатора, на который нужно направить пакет, чтобы он был доставлен по назначению. Другими словами, маршрутизатор знает, что определенный пункт назначения может быть достигнут по оптимальному пути за счет отправки пакета определенному маршрутизатору, который знает адрес следующего на пути к конечному пункту назначения маршрутизатора.
Таким образом, процесс маршрутизации состоит в определении следующего узла в пути следования пакета и пересылки пакета этому узлу. Такой узел называют хопом (от англ. Иор - прыжок, скачок). Действительно, передача пакета по составной сети происходит своего рода скачками от маршрутизатора к маршрутизатору.
Информация, ставящая в соответствие конечному адресу назначения пакета адрес маршрутизатора, на который нужно дальше отправить пакет для достижения адреса назначения, хранится в специальной таблице маршрутов (табл. 3.1), которая размещается на маршрутизаторе.
Запись таблицы маршрутов обычно содержит следующие элементы:
поле, содержащее адрес сети назначения;
поле, содержащее адрес следующего по ходу следования пакета маршрутизатора;
вспомогательные поля.
При этом своя таблица маршрутов, даже самая элементарная, должна быть на каждом хосте.
Чтобы информация о маршрутах оставалась актуальной и соответствовала действительно существующим маршрутам, мар-
^
Таблица 3.1.
Пример таблицы маршрутов программного маршрутизатора операцией ной системы Windows ХР
| Сетевой адрес | Маска сети | Адрес шлюза | Интерфейс | Метри ка |
| 0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 192.168.0.1 | 192.168.0.167 | 20 |
| 127.0.0.0 | 255.0.0.0 | 127.0.0.1 | 127.0.0.1 | 1 |
| і 92.168.0.0 | 255.255.255.0 | 192.168.0.167 | 192.168.0.167 | 20 |
| 192.168.0.167 | 255.255.255.255 | 127.0.0.1 | 127.0.0.1 | 20 |
| 192.168.0.255 | 255.255.255.255 | 192.168.0.167 | 192.168.0.167 | 20 |
| 224.0.0.0 | 240.0.0.0 | 192.168.0.167 | 192.168.0.167 | 20 |
| 255.255.255.255 | 255.255.255.255 | 192.168.0.167 | 192.168.0.167 | I |
шрутизаторы в процессе своей работы по специальным протоколам обмениваются сообщениями, содержащими информацию об обнаруженных изменениях в топологии сети, например в результате разрыва какой-либо связи, а, следовательно, и об изменениях в допустимых маршрутах. На основе таких сообщений маршрутизаторы производят обновления таблиц маршрутов.
Выбор того или иного маршрута из таблицы происходит на основе применяемого данным маршрутизатором алгоритма маршрутизации, базирующегося на различных критериях.
3.2.2. Алгоритмы маршрутизации
Алгоритмы маршрутизации могут различаться по нескольким характеристикам:
по задачам, решаемым алгоритмом;
по принципу сбора и представления информации о сети;
по методу расчета оптимального маршрута.
выбираемый маршрут должен быть наиболее оптимальным;
реализация алгоритма должна быть простой, а его функционирование не требовательным к вычислительным мощностям;
алгоритм должен обладать высокой отказоустойчивостью;
адаптация работы алгоритма к изменяющимся условиям должна происходить как можно быстрее.
по актуальности используемых маршрутов:
по принципу обмена маршрутной информацией:
по количеству определенных маршрутов:
по используемой структуре маршрутизации:
по отношению к домену:
Статические алгоритмы маршрутизации основаны на ручном составлении таблиц маршрутизации администратором сети и обычно применяются в небольших сетях с простой топологией связей.
В динамических или адаптивных алгоритмах таблицы маршрутизации, и соответственно, сами маршруты постоянно обновляются в соответствии с меняющейся топологией сети.
Алгоритмы состояния канала отличаются от дистанционно-векторных в зависимости от того, куда и какая маршрутная информация рассылается. Рассылка маршрутной информации необходима для синхронизации таблиц маршрутов на всех маршрутизаторах сети. Алгоритмы состояния каналов рассылают обновленную маршрутную информацию небольшими порциями по всем направлениям. Дистанционно-векторные алгоритмы обмениваются сообщениями, содержащими большие объемы информации, однако обмен происходит только с соседними маршрутизаторами.
Различные алгоритмы могут определять один или несколько маршрутов для достижения какого-либо узла или подсети. В многомаршрутных алгоритмах каждому из возможных маршрутов в зависимости от его пропускной способности и других показателей назначается приоритет, на основании которого происходит выбор пути пересылки пакета. При этом обычно один маршрут является основным, а остальные - резервными.
Одноуровневые и иерархические алгоритмы работают в соответствующих системах маршрутизации. При этом в одноуровневой системе все маршрутизаторы равноправны по отношению друг к другу. Иерархическая маршрутизация основывается на разбиении большой сети на иерархически организованные подсети с собственной маршрутизацией внутри каждого уровня.
Системы маршрутизации могут обеспечивать выделение логических групп узлов, называемых доменами или областями. При этом отдельные алгоритмы маршрутизации могут действовать только в пределах доменов, другие же могут работать как в пределах доменов, так и между ними.
Для определения оптимальности того или иного маршрута алгоритмы используют показатели, характеризующие передачу данных по этому маршруту, например с точки зрения длины маршрута, качества канала связи и т. п. Такие показатели называются метриками маршрутов.
Более сложные алгоритмы в качестве метрик зачастую используют комбинацию нескольких показателей.
Наиболее распространенными метриками, используемыми в алгоритмах маршрутизации, являются:
длина маршрута - обычно это количество хопов, т. е. количество маршрутизаторов, через которые пакет должен пройти на пути к адресату;
надежность - степень отказоустойчивости канала связи либо соотношение возникающих ошибок к общему числу бит, передаваемых по этому каналу;
ширина полосы пропускания - характеризуется пропускной способностью канала связи;
задержка - время продвижения пакета от источника до пункта назначения с учетом загруженности сети, времени ожидания в очереди на обработку на маршрутизаторах;
физическое расстояние между узлами;
стоимость связи и т. д.
Для отслеживания изменений в топологии связей сети, изменений в существующих маршрутах и синхронизации таблиц маршрутизации среди маршрутизаторов и узлов сети используются протоколы обмена маршрутной информацией.
При этом эти протоколы могут основываться на дистанцион- но-векторных алгоритмах, примером использования которых является протокол RIP, имеющий реализации для работы в различных стеках протоколов, таких, как TCP/IP или IPX/SPX, или на алгоритмах состояния связей, например как протоколы IS-IS стека OSI, NLSP стека IPX/SPX, OSPF стека TCP/IP.
