Как решается проблема совместимости интерфейсов в компьютерных сетях кратко

Обновлено: 04.07.2024

Начнем с того, что основная задача сети-перенос данных с одного подключенного хоста на другой. Это может показаться простым на первый взгляд, но на самом деле это чревато проблемами. Здесь может быть полезна иллюстрация; рисунок № 1 используется для иллюстрации сложности проблемы.

Начиная с верхнего левого угла иллюстрации:

Приложение генерирует некоторые данные. Эти данные должны быть отформатированы таким образом, чтобы принимающее приложение могло понять, что было передано, - данные должны быть упорядочены. Механизм, используемый для упорядочения данных, должен быть эффективным во многих отношениях, включая быстрое и простое кодирование, быстрое и простое декодирование, достаточно гибкий, чтобы можно было вносить изменения в кодирование, не нарушая слишком много вещей, и добавлять наименьшее количество накладных расходов, возможных во время передача данных.
Сетевое программное обеспечение должно инкапсулировать данные и подготовить их к фактической передаче. Каким-то образом сетевое программное обеспечение должно знать адрес хоста назначения. Сеть, которая соединяет источник и пункт назначения, является общим ресурсом, и, следовательно, должна быть доступна некоторая форма мультиплексирования, чтобы источник мог направлять информацию в правильный пункт назначения. Как правило, это будет связано с определенной формой адресации.
Данные должны быть перемещены из памяти в источнике и непосредственно в сеть - фактический провод (или оптический кабель, или беспроводное соединение), который будет передавать информацию между устройствами, подключенными к сети.
Сетевые устройства должны иметь какой-то способ обнаружить конечный пункт назначения информации - вторую форму проблемы мультиплексирования - и определить, требуется ли какая-либо другая обработка информации, когда она находится в пути между источником и пунктом назначения.
Информация, прошедшая через сетевое устройство, должна быть снова закодирована и перенесена из памяти в провод. В любой точке, где информация перемещается из памяти в какую-либо форму физического носителя, информация должна быть поставлена в очередь; часто бывает больше данных для передачи, чем может быть помещено на любой конкретный физический носитель в любой момент времени. Здесь в игру вступает качество услуг.
Информация, передаваемая по сети, теперь должна быть скопирована с физического носителя и обратно в память. Он должен быть проверен на наличие ошибок - это контроль ошибок - и у приемника должен быть какой-то способ сообщить передатчику, что ему не хватает памяти для хранения входящей информации - это контроль потока.

Особый интерес представляет сетевое устройство в середине диаграммы. Сетевое устройство-например, маршрутизатор, коммутатор или middle box—соединяет два физических носителя вместе для построения реальной сети. Возможно, самый простой вопрос для начала заключается в следующем: зачем вообще нужны эти устройства? Маршрутизаторы и коммутаторы — это, очевидно, сложные устройства со своей собственной внутренней архитектурой и зачем добавлять эту сложность в сеть? Есть две фундаментальные причины.

Первоначальная причина создания этих устройств заключалась в соединении различных видов физических носителей вместе. Например, внутри здания может быть практично работать ARCnet или thicknet Ethernet (приведены примеры из времени, когда были впервые изобретены сетевые устройства). Расстояние, которое эти носители могли преодолеть, однако, очень мало-порядка сотни метров. Каким-то образом эти сети должны быть расширены между зданиями, между кампусами, между городами и, в конечном счете, между континентами, используя своего рода мультиплексированную (или обратную мультиплексированную) телефонную сеть, такую как T1 или DS3. Эти два различных типа носителей используют различные виды сигналов; должно быть какое-то устройство, которое переводит один вид сигналов в другой.

Вторая причина заключается в следующем — это масштаб и это стало проблемой. Природа физического мира такова, что у вас есть два варианта, когда дело доходит до передачи данных по проводу:

Провод может соединять напрямую два компьютера; в этом случае каждая пара компьютеров должна быть физически соединена с каждым другим компьютером, с которым она должна взаимодействовать.
Провод может быть общим для многих компьютеров (провод может быть общим носителем информации).

Чтобы решить проблему первым способом, нужно много проводов. Решение проблемы вторым способом кажется очевидным решением, но оно представляет другой набор проблем - в частности, как пропускная способность, доступная по проводам, распределяется между всеми устройствами? В какой-то момент, если на одном общем носителе достаточно устройств, любая схема, используемая для обеспечения совместного использования ресурсов, сама по себе будет потреблять столько же или больше пропускной способности, как любое отдельное устройство, подключенное к проводу. В какой-то момент даже 100-гигабайтное соединение, разделенное между достаточным количеством хостов, оставляет каждому отдельному хосту очень мало доступных ресурсов.

Решением этой ситуации является сетевое устройство - маршрутизатор или коммутатор, который разделяет два общих носителя, передавая трафик между ними только по мере необходимости. При некотором логическом планировании устройства, которые должны чаще общаться друг с другом, можно размещать ближе друг к другу (с точки зрения топологии сети), сохраняя пропускную способность в других местах. Конечно, маршрутизация и коммутация вышли далеко за рамки этих скромных начинаний, но это основные проблемы, которые системные администраторы решают, внедряя сетевые устройства в сети.

Есть и другие сложные проблемы, которые необходимо решить в этом пространстве, помимо простого переноса информации из источника в пункт назначения; Во многих случаях полезно иметь возможность виртуализировать сеть, что обычно означает создание туннеля между двумя устройствами в сети.

Сети всегда создавались для одной цели: передачи информации от одной подключенной системы к другой. Дискуссия (или, возможно, спор) о наилучшем способе выполнения этой, казалось бы, простой задачи длилась долго. Эту дискуссию можно грубо разбить на несколько, часто пересекающихся, этапов, каждый из которых задавал свой вопрос:

Должны ли сети быть с коммутацией каналов или с коммутацией пакетов?
Должны ли сети с коммутацией пакетов использовать кадры фиксированного или переменного размера?
Как лучше всего рассчитать набор кратчайших путей через сеть?
Как сети с коммутацией пакетов должны взаимодействовать с качеством обслуживания (QoS)?
Должна ли плоскость управления быть централизованной или децентрализованной?

На некоторые из этих вопросов давным-давно был дан ответ. С другой стороны, некоторые из этих вопросов все еще актуальны, особенно последний.

Коммутация каналов

На рисунке 2 общая пропускная способность каналов между любыми двумя устройствами разделена на восемь равных частей; A отправляет данные E, используя временной интервал A1 и F, используя временной интервал A2; B отправляет данные в E с использованием временных интервалов B1 и F с использованием временных интервалов B2. Каждый фрагмент информации имеет фиксированную длину, поэтому каждый из них может быть помещен в один временной интервал в текущем потоке данных (следовательно, каждый блок данных представляет фиксированное количество времени или интервала в проводе). Предположим, что где-то есть контроллер, назначающий слот в каждом из сегментов, через которые будет проходить трафик:

Для трафика [A, E]:
На C: слот 1 от A переключен на слот 1 в направлении D
На D: слот 1 от C переключен на слот 1 в направлении E
Для трафика [A, F]:
На C: слот 4 от A переключен на слот 4 в направлении D
На D: слот 4 от C переключен на слот 3 в направлении F
Для трафика [B, E]:
На C: слот 4 от B переключен на слот 7 в направлении D
На D: слот 7 от C переключен на слот 4 в направлении E
Для трафика [B, F]:
На C: слот 2 от B переключен на слот 2 в направлении D
На D: слот 2 от C переключен на слот 1 в направлении F

Ни одно из устройств обработки пакетов в сети не должно знать, какой бит данных идет куда; до тех пор, пока C берет все, что находится в слоте 1 в потоке данных A в каждом временном интервале, и копирует его в слот 1 в своем исходящем потоке в направлении D, А D копирует его из слота 1 входящего из C в слот 1 исходящего в E, трафик, передаваемый A, будет доставляться в E. Есть интересный момент, который следует отметить об этом виде обработки трафика—для пересылки трафика ни одно из устройств в сети на самом деле не должно знать, что является источником или назначением. Блоки данных, передаваемые по сети, не обязательно должны содержать адреса источника или назначения; куда они направляются и откуда поступают, все решения основываются на знании контроллерами открытых слотов в каждом канале. Набор слотов, назначенных для любой конкретной связи между устройствами, называется схемой, потому что это пропускная способность и сетевые ресурсы, выделенные для связи между одной парой устройств.

Основные преимущества сетей с коммутацией каналов включают в себя:

Для коммутации пакетов устройствам не нужно читать заголовок или выполнять какую-либо сложную обработку. Это было чрезвычайно важно в первые дни работы сети, когда аппаратное обеспечение имело гораздо меньшее количество транзисторов и переключателей, скорость линии была ниже, а время обработки пакета в устройстве составляло большую часть общей задержки пакета через сеть.
Контроллер знает доступную полосу пропускания и трафик, направляемый к периферийным устройствам по всей сети. Это делает его несколько простым, учитывая, что на самом деле имеется достаточная пропускная способность, для организации трафика для создания наиболее оптимальных путей через сеть.

Есть и недостатки, в том числе:

Системы TDM внесли ряд идей в развитие сетей, используемых сегодня. В частности, системы TDM сформировали большую часть ранних дискуссий о разбиении данных на пакеты для передачи по сети и заложили основу для гораздо более поздней работы в области QoS и управления потоком. Одна довольно важная идея, которую эти ранние системы TDM завещали большему сетевому миру, - это network planes.

В частности, системы TDM делятся на три плоскости:

Плоскость управления - это набор протоколов и процессов, которые формируют информацию, необходимую сетевым устройствам для пересылки трафика через сеть. В сетях с коммутацией каналов плоскость управления является полностью отдельной плоскостью; обычно существует отдельная сеть между контроллером и отдельными устройствами (хотя и не всегда, особенно в новых системах с коммутацией каналов).
Плоскость данных (также известная как плоскость пересылки) - это путь информации через сеть. Это включает в себя декодирование сигнала, полученного в проводе, в кадры, обработку их и передачу их обратно в провод, закодированный в соответствии с физической транспортной системой.
Плоскость управления ориентирована на управление сетевыми устройствами, включая мониторинг доступной памяти, мониторинг глубины очереди, а также мониторинг, когда устройство отбрасывает информацию, передаваемую по сети, и т. д. Часто бывает трудно различить уровни управления и плоскости управления в сети. Например, если устройство вручную сконфигурировано для пересылки трафика определенным образом, является ли это функцией плоскости управления (потому что устройство настраивается) или функцией плоскости управления (потому что это информация о том, как пересылать информацию)?

Коммутация пакетов

Есть два пакета, произведенных A: A1, предназначенный для E; и A2, предназначенный для F. B также отправляет два пакета: B1, предназначенный для F, и B2, предназначенный для E. Когда C получает эти пакеты, он считывает небольшую часть заголовка пакета, часто называемого полем, чтобы определить место назначения. Затем C обращается к локальной таблице, чтобы определить, по какому исходящему интерфейсу должен быть передан пакет. D делает то же самое, перенаправляя пакет из правильного интерфейса к месту назначения.

Этот способ пересылки трафика называется переадресацией по частям, поскольку каждое устройство в сети принимает совершенно независимое решение о том, куда пересылать каждый отдельный пакет. Локальная таблица, к которой обращается каждое устройство, называется таблицей пересылки; обычно это не одна таблица, а множество таблиц, потенциально включающих в себя базу информации маршрутизации (RIB) и базу информации пересылки (FIB).

В оригинальных системах с коммутацией каналов плоскость управления полностью отделена от пересылки пакетов по сети. С переходом от коммутации каналов к коммутации пакетов произошел соответствующий переход от решений централизованного контроллера к распределенному протоколу, работающему в самой сети. В последнем случае каждый узел способен принимать свои собственные решения о пересылке локально. Каждое устройство в сети запускает распределенный протокол, чтобы получить информацию, необходимую для построения этих локальных таблиц. Эта модель называется распределенной плоскостью управления; таким образом, идея плоскости управления была просто перенесена из одной модели в другую, хотя на самом деле они не означают одно и то же.

Сети с коммутацией пакетов могут использовать централизованную плоскость управления, а сети с коммутацией каналов могут использовать распределенные плоскости управления. В то время, когда сети с коммутацией пакетов были впервые спроектированы и развернуты, однако они обычно использовали распределенные плоскости управления. Software-Defined Networks (SDN) вернули концепцию централизованных плоскостей управления в мир сетей с коммутацией пакетов.

Первым преимуществом сети с коммутацией пакетов над сетью с коммутацией каналов является парадигма пересылки hop-by-hop. Поскольку каждое устройство может принимать полностью независимое решение о пересылке, пакеты могут динамически пересылаться в зависимости от изменений в топологии сети, что устраняет необходимость связываться с контроллером и ждать решения. Пока существует как минимум два пути между источником и пунктом назначения (сеть имеет два подключения), пакеты, переданные в сеть источником, в конечном итоге будут переданы в пункт назначения.

Вторым преимуществом сети с коммутацией пакетов по сравнению с сетью с коммутацией каналов является то, как сеть с коммутацией пакетов использует пропускную способность. В сети с коммутацией каналов, если конкретная схема (действительно временной интервал в приведенном примере TDM) не используется, то слот просто тратится впустую. При переадресации hop-by-hop каждое устройство может наилучшим образом использовать пропускную способность, доступную на каждом исходящем канале, чтобы нести необходимую нагрузку трафика. Хотя это локально сложнее, это проще глобально, и это позволяет лучше использовать сетевые ресурсы.

Основным недостатком сетей с коммутацией пакетов является дополнительная сложность, особенно в процессе пересылки. Каждое устройство должно быть в состоянии прочитать заголовок пакета, найти пункт назначения в таблице, а затем переслать информацию на основе результатов поиска в таблице. В раннем аппаратном обеспечении это были сложные, трудоемкие задачи; коммутация каналов была обычно быстрее, чем коммутация пакетов. Поскольку со временем аппаратное обеспечение усовершенствовалось, то скорость переключения пакета переменной длины, как правило, достаточно близка к скорости переключения пакета фиксированной длины, так что между пакетной коммутацией и коммутацией каналов небольшая разница.

Управление потоками в сетях с коммутацией пакетов

Протокол управления передачей (TCP) обеспечивает управление потоком для сетей с коммутацией пакетов на основе Интернет-протокола (IP). Этот протокол был впервые указан в 1973 году Vint Cerf и Bob Kahn.

В IPv6 существует три различных типа адресов:

Unicast — определяет конкретный уникальный хост в сети
Multicast — идентифицирует группу хостов или интерфейсов, при отправке пакета на этот адрес он доставляется на каждый хост группы
Anycast — тоже объединяет несколько хостов, но имеет существенное отличие от Multicast — пакет, посланный на Anycast-адрес, доставляется только ближайшему к отправителю участнику группы.

Новый протокол обеспечивает возможность широкого вещания — в этом случае одни и те же данные одновременно отправляются нескольким адресатам. Обнаружение недоступности соседей — это функция, позволяющая узлу следить за тем, доступен ли соседний узел, что повышает эффективность обнаружения ошибок и восстановления, если узлы внезапно становятся недоступными.

При внедрении протокола IPv6 в существующую структуру Internet, базовым протоколом которого является в настоящее время протокол IPv4, появляются две основные проблемы:

Обеспечение взаимодействия по IPv6 между двумя и более изолированных локальных сетей IPv6, изолированных в сети IPv4.
Несовместимость IPv6 и IPv4

Для решения данных проблем используется: туннелирование, двойной стек, ALG, бесконтекстный IP/ICMP транслятор

Двойной стек — в данном случае на каждом хосте IPv6, где требуется взаимодействие с хостами IPv4, устанавливается стек протокола IPv4 и выделяется IP-адрес. После этого этот хост сможет взаимодействовать с хостами IPv4 и IPv6. Это самый простой и радикальный метод решения проблемы совместимости. Недостатки данного метода:

Требуется дополнительная установка и конфигурация программного обеспечения на каждом таком хосте.
Все маршрутизаторы в цепи должны поддерживать как протокол IPv4, так и протокол IPv6.

Мы видим, что данный метод требует повышенные требования к ресурсам хостов, огромное количество времени и усилий системного администратора.

Второй метод — ALG(шлюз прикладного уровня) — преобразование трафика сетевого приложения из трафика IPv4 в трафик IPv6 и наоборот, путем создания специального прикладного программного обеспечения для каждого используемого сетевого приложения. Недостаток один — необходимость создания AGL-шлюзов в количестве, соответствующем сетевым приложениям.

Бесконтекстный IP/ICMP транслятор — данный механизм предполагает установку на границе IPv6 сети специального агента, осуществляющего трансляцию протоколов. При этом IPv6 хостам присваиваются специальные IPv4-транслируемые адреса. Приходящие извне IPv4 пакеты перенаправляются этому агенту, проходя который, они подвергаются преобразованию к формату протокола IPv6 и пересылаются далее к своим получателям. Ответные пакеты, идущие от IPv6 хостов к IPv4 хостам так же должны пройти через IP/ICMP транслятор. Пройдя транслятор, пакеты IPv6 становятся пакетами IPv4 и доставляются по назначению. Главное удобство данного механизма — прозрачность для взаимодействующих хостов и полная бесконтактность, что существенно облегчает ее реализацию и использование.

Рис. 1. Модель конфигурации сети. Весь трафик проходит через IP/ICMP транслятор

Область применения данного метода — ранний этап перехода к протоколу IPv6, но в дальнейшем его применение будет ограничено. Схема IP/ICMP трансляции является односторонней в том смысле, что она предназначена для интеграции IPv6 сетей с IPv4 Internet, но не наоборот.

Основные термины (генерируются автоматически): ICMP, ALG, сеть, пакет, хост, ATM, TCP, двойной стек, протокол, транслятор.

Занятие 4 по курсу "Информационные сети"

Сетевая модель OSI (Open System Interconnection)

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была создана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия
Организация взаимодействия между устройствами сети – сложная задача. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный приём – декомпозиция, то есть разбиение одной задачи на несколько задач-модулей. Декомпозиция заключается в чётком определении функций каждого модуля, а также порядка их взаимодействия (интерфейсов). В результате достигается логическое упрощение задачи, и появляется возможность моди-фикации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

всё множество модулей, решающих частные задачи, разбивают на группы и упорядочивают по уровням, образующим иерархию;
в соответствии с принципом иерархии для каждого промежуточного уровня можно указать непосредственно примыкающие к нему соседние вы-шележащий и нижележащий уровни;
группа модулей, составляющих каждый уровень, должна формиро-ваться таким образом, чтобы все модули этой группы для выполнения своих задач обращались с запросами только к модулям соседнего нижележащего уровня;
с другой стороны, результаты работы всех модулей, отнесённых к некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего выше-лежащего уровня.

Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает чёткое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями.

Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, возможность их автономной разработки и модификации.

На рис. 4.1. показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.

Рис. 4.1. Взаимодействие двух узлов.

В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закреплены разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости называют протоколом. При этом соотношение между протоколом как формально определённой процедурой и протоколом – программным модулем, реализующим эту процедуру, – аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько программных реализаций. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами – концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д. В общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нём должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

Общая характеристика модели OSI
Из того, что протокол представляет собой соглашение, принятое двумя взаимодействующими объектами, в данном случае двумя работающими в сети компьютерами, не следует, что он обязательно является стандартным. На практике при реализации сетей обычно используются стандартные протоколы: фирменные, национальные или международные стандарты.

В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стандарти-зации – ISO, ITU-T и некоторые другие – разработали модель ISO/OSI, которая сыграла значительную роль в развитии сетей.

Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, даёт им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

Она разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных, в основном глобальных, сетей в 1970-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

По своей сущности компьютерная сети является совокупностью компьютеров и сетевого оборудования, соединенных каналами связи. Поскольку компьютеры и сетевое оборудование могут быть разных производителей, то возникает проблема их совместимости. Без принятия всеми производителя общепринятых правил построения оборудования создание компьютерной сети было бы невозможно. Поэтому разработка и создание компьютерных сетей может происходить только в рамках утвержденных стандартов.

В основу стандартизации компьютерных сетей положен принцип декомпозиции, т.е. разделения сложных задач на отдельные более простые подзадачи. Каждая подзадача имеет четко определенные функции и строго установленные связи между подзадачами. При более внимательном рассмотрении работы компьютера в сети можно выделить две основные подзадачи:

- взаимодействие программного обеспечения пользователя с физическим каналом связи (посредством сетевой карты) в пределах одного компьютера

- взаимодействие компьютера через канал связи с другим компьютером

Современное программное обеспечение компьютера имеет многоуровневую модульную структуру, т.е. программный код, написанный программистом и видимый на экране монитора (модуль верхнего уровня), проходит несколько уровней обработки, прежде чем превратится в электрический сигнал (модуль нижнего уровня), передаваемый в канал связи.

На Рис.2 схематически показана модель взаимодействия двух компьютеров в сети. Для упрощения показаны четыре уровня модулей для каждого компьютера. Процедура взаимодействие каждого уровня этих компьютеров может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары модулей соответствующих уровней.

Иерархически организованный набор протоколов для взаимодействия компьютеров в сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Другими словами, в сетевых технологиях традиционно принято, что протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня, но в разных компьютерах, а интерфейсы – соседних уровней в одном компьютере. Модули, таким образом, должны обрабатывать: во- первых свой собственный протокол, а во- вторых интерфейсы с соседними уровнями.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней, как правило, реализуются комбинацией программно- аппаратных средств, а протоколы верхних уровней- чисто программными средствами.

Отметим, что протоколы каждого уровня обладают независимостью друг от друга, т.е. протокол любого уровня может быть изменен не оказывая при этом никакого влияния на протокол другого уровня. Главное, чтобы интерфейсы между уровнями обеспечивали необходимые связи между ними.

1-й компьютер 2-й компьютер

Рис. 2 Взаимодействие двух компьютеров в сети

Независимость протоколов каждого уровня друг от друга и взаимодействие самих уровней посредством интерфейсов является важнейшей предпосылкой для создания ряда стандартных протоколов для компьютерных сетей.

6.5. Протокол ТCP/IP

Как уже указывалось выше, основойсети Интернет является стек проколов TCP/ IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). В этом протоколе существую четыре уровня взаимодействия: канальный + физический уровен , уровень IP (адресация пакетов), TCP (управление передачей), прикладной уровень.

Рассмотрим в самом общем виде принцип взаимодействия компьютеров в сети, основываясь на выше описанной многоуровневой модели.

Взаимодействие компьютеров в сети начинается с того, что приложение (программа пользователя) одного компьютера обращается к прикладному уровню другого компьютера, например, к файловой системе. Приложение первого компьютера формирует с помощью операционной системы блок данных стандартного формата, состоящее из заголовка и поля данных.

Как видно из рис 3., информация, передающаяся в линию связи содержит большое количество служебных заголовков, которые по величине могут превосходить даже собственно данные. В результате взаимодействия протоколов всех уровней и их единому стандарту на прикладном уровне второго компьютера получаются данные, переданные первым компьютером.

На IP- уровне происходит адресация компьютеров в сети Интернет. Адрес отправителя и адрес получателя помещается в заголовок пакета. IP- адресация построена на концепции сети, состоящей из хостов. Хост представляет собой объект сети, который может передавать и принимать IP- пакеты, например, компьютер, рабочая станция или специальное устройство маршрутизатор. Хосты соединяются между собой через одну или несколько сетей. IP – адрес любого из хостов состоит из адреса (номера) сети и адреса хоста в этой сети.

В соответствии принятым в момент разработки IP – протокола соглашением, адрес представляется четырьмя десятичными числами, разделенными точками. Например, сеть имеет адрес 10.1.1.10. Каждое из этих чисел не может превышать 255 и представляет один байт 4- байтного IP- адреса. Выделение всего лишь четырех байт для адресации всей сети Интернет связано с тем, что в то время массового распространения локальных сетей пока не предвиделось. О персональных компьютерах и рабочих станциях вообще не было речи. В результате под IP-адрес было отведено 32 бита.

IP – адрес назначается администратором сети во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. Номер сети может быть выбран администратором произвольным образом, или назначен по рекомендации специального подразделения Интернет – InterNIC. Обычно поставщики услуг Интернет получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их среди своих абонентов. Отметим, что маршрутизатор может входить сразу в несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет свой IP – адрес. Таким же образом и конечный компьютер так же может входить в несколько сетей, а значит иметь несколько IP- адресов. Таким образом IP- адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

IP- адресация определяет пять классов сетей: A,B,C,D,E

В сетях класса В выделяют 16 бит для номера сети и 16 бит для номеров хостов, их адрес начинается с 10 в двоичной записи, или со 128 в десятичной записи, они имеют номера от 128.0 до 191.255 (10000000.00000000= 128.0, 10111111.11111111= 191.255.Сети В представляют хороший компромисс между адресным пространством номера сети и номерами хостов. Сеть класса В является сетью среднего размера с максимальным числом хостов 2 16 = 65 536.

Сети класса С выделяют 24 бита для номера сети и 8 бит для номеров хостов, их адрес начинается с 110 в двоичной записи, или со 192 в десятичной записи, они имеют номера от 192.0.0 до 223.255.255 (11000000.00000000.00000000= 192.0.0, 11011111.11111111.11111111= 223.255.255. Сети класса С являются наиболее распространенными сетями, число хостов в одной сети равно 2 8 = 256.

Адреса сетей класса D начинаются с 1110 в двоичной записи, или с 224 в десятичной записи, они имеют номера от 224.0.0.0 до 239.255.255.255 (11100000.00000000.00000000.00000000.=224.0.0.0, 111011111.11111111.11111111.1111111= 239.255.255.255)

Адреса сетей класса E начинаются с 11110 в двоичной записи, или с 240 в десятичной записи, они имеют номера от 240.0.0.0 до 247.255.255.255 (11110000.00000000.00000000.00000000.=240.0.0.0, 111101111.11111111.11111111.1111111= 247.255.255.255). Сети класса Е зарезервированы для будущих использований.

Основной недостаток использования классов IP- адресов напрямую состоит в том, что если организация имеет несколько сетевых номеров, то все компьютеры вне сети имеют доступ к этим адресам и сеть организации становится прозрачной.

Для устранения указанного недостатка адресное пространство сети разбивается на более мелкие непересекающиеся пространства – подсети (subnet) с помощью специальных кодов, которые называются маски. Маски используются также для увеличения адресного пространства IP- сетей. С каждой из подсетей можно работать как с обычной TCP/IP – сетью.

- взаимодействие компьютера через канал связи с другим компьютером

1-й компьютер 2-й компьютер

Рис. 2 Взаимодействие двух компьютеров в сети

6.5. Протокол ТCP/IP

IP- адресация определяет пять классов сетей: A,B,C,D,E

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

7. Какие среды передачи данных могут использоваться в компьютерных сетях? Приведите примеры.

Ответ

В качестве сред передач данных могут выступать:

1. Медно-электрические кабеля: — коаксиальный кабель, состоит из центральной жилы, её изоляции, и всё это помещено в оплетку из тонкого медного провода либо из алюминиевой или медной фольги. Оплетка предназначена для защиты центральной жилы от наведения на нее помех и уменьшения излучения ею полезного сигнала. На концах сегментов из коаксиального кабеля устанавливаются разъёмы называемые СР-50; BNC.

В компьютерных сетях используют коаксиальные кабеля имеющие в основое соединение 50 Ом.

Коаксиальный кабель может быть в 2х исполнениях: Тонкий внешним диаметром 5-6 мм. и толстый диаметром 12-14; мм.

Витая пара представляет собой 8 проводов попарно завитых и ламинированных изоляцией. Витые пары маркируются по цвету по цвету: оранжевый – бело-оранжевый; синий – бело-синий; коричневый – бело-коричневый; зеленый – бело-зеленый. На концах сегментов выполненных на витой паре устанавливается разъём RJ45. В работе локальных сетей принимают участие 2-е пары, подключенные соответственно к первому, второму и третьему, шестому контактам разъема RJ45 (если смотреть на разъем так что кабель уходит вниз, а защелка сзади разъёма). Завивка проводов делается для улучшения помехозащищенности и согласованности сетевых компонентов. Развитие проводов витой пары при монтаже допускается на длину 1 см. Провод витая пара выпускается в 2х исполнениях: UTP – неэкранированная витая пара; STP – экранированная. 2.

Оптоволоконный кабель — имеет два типа передачи:

— при многомодовой передаче используется источник света видимого спектра. Лучи хаотически отражаются от стенок световода.

— при одномодовой передаче используется лазерный луч, который двигается в доль оси более тонкого световода. Качество передачи и её дальность при одномодовой передаче гораздо выше. Световоды подключаются к устройствам, которые преобразовывают электрический сигнал в световой и наоборот (модем)

3. Инфракрасные лучи: Главной особенностью передачи с использованием ИК лучей – это необходимость обеспечения прямой видимости и не большого расстояния между 2мя ИК модемами.

4. Радиоволны: Особенности прохождения радиоволн заключаются в следующем: Окружающая землю ионосфера отражает радиоволны длинного, среднего и короткого диапазона. Радиоволны УКВ(сверхвысоко частотного диапазона) прошивают ионосферу и уходят в космос, поэтому для связи со спутником используется диапазон СВЧ. Также диапазон СВЧ используется для построения компьютерных сетей по технологии WI-FI. Необходимо учитывать то, что радиоволны СВЧ диапазона не обладают способностью огибать препятствия и любое препятствие, встречающееся на их пути, их поглощает. Поэтому основное требование к WIFI сетям прямая видимость между точкой доступа и сетевыми радио-картами.

Читайте также: