Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети»
| Вид материала | Лекция |
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 408.34kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 488.73kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 371.9kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 560.01kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 547.71kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 546.8kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 676.23kb.
- Урок по теме «Компьютерные сети. Интернет», 157.31kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 611.15kb.
- Лекция Глобальные сети. Интернет. Корпоративные компьютерные сети, 89.75kb.
Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети».
Лекция 2.
- Трехуровневая инфраструктура Интернет (ISP, peering, backbone).
- Эталонная семиуровневая модель OSI.
- Стек протоколов TCP/IP: архитектура, иерархия, приложения.
Инфраструктура Интернет
Доступ оконечных систем к интернету осуществляется при помощи Интернет провайдеров (ISP), которые подразделяются на резидентных, университетских и корпоративных.
Провайдеры (ИП) 3го звена (нижнего) предоставляют сеть маршрутизации и линий связи.
Провайдеры предлагают несколько способов подключениия к сети – коммутируемое модемное соединение (56 кбит\с), резидентное широкополосное подключение при помощи кабельного модема или цифровой абонентской линии, высокоскоростной доступ через локальную сеть, беспроводной доступ.
Провайдеры обеспечивают прямое подключение веб-сайтов
ИП 3го звена являются потребителями услуг ИП 2го звена (среднее).
Для того, чтобы обеспечить связь между удаленными пользователями и обеспечить доступ к удаленной информации, местные Интернет провайдеры подключаются к Интернет-провайдерам национального или интернационального звена (UUnet, Sprint) – ИП 1го звена (верхнее звено), которые предоставляют высокоскоростные маршрутизаторы, соединенные оптоволоконными кабелями (магистрали).
Интернет-провайдеры 2го звена имеют, как правило, региональный охват либо национальный) и считаются потребителями услуг ИП 1го, хотя могут также обмениваться информацией без участия ИП 1го звена.
ИП 1го звена обеспечивают скорость передачи не ниже 622 мбит\с, до 10 Гбит\с, маршрутизаторы должны функционировать с предельно высокой скоростью, чтобы не вызывать задержек пакетов.
Все сети ИП 1го звена соединены между собой напрямую.
К каждой сети ИП 1го звена подключено множество ИП 2го звена и прочих компьютерных сетей. Международная область охвата.
Итак, инфраструктура Интернет состоит из следующих макроуровней:
3. Уровень ISP (Internet Service Provider).
ISP-уровень – формирование поставщиков сетевого сервиса. Инфраструктура этих сетей включает: транспортную среду, программно-аппаратные средства, канальные емкости, персонал.
2. Уровень пиринга (peering) или IX (Internet Exchange).
система использования инфраструктур нескольких сетей путем обмена трафиком для обеспечения связи между ISP.
1. Уровень опорной сети (backbone).
Создание опорных инфраструктур национального и межнационального масштаба с высокоскоростной транспортной средой, крупными узлами доступа ISP к опорной сети
Модель взаимодействия открытых систем
Open System Interconnection (OSI)
К концу 70х были разработаны разными фирмами свои стеки протоколов. Так что имела место проблема устройств, реализующих различные протоколы.
Проблема стандартизации сети.
ОСИ – прорыв в стандартизации архитектуры КС (80е годы) – в связи с потребностями глобального объединения КС.
Эталонная модель ОСИ была разработана международной организацией по стандартизации ИСО – как модель для разработки архитектуры протоколов и как основа для разработки стандартов протоколов.
Открытая информационная система – любая информационная система, построенная в соответствии с открытыми спецификациями – формальным описанием аппаратных и программных компонентов, которые опубликованы, общедоступны, соответствуют стандартам, принятым в результате согласования со всеми заинтересованными сторонами.
Информационная система – сеть, компьютер, пакет программ, ОС …
Для сетей, построенных с соблюдением принципов открытости, стандарты ОСИ должны обеспечивать следующие возможности
- построение сети из аппаратных и программных средств разных производмителей
- безболезненная замена одних компонент другими
- легкость сопряжения одной сети с другой.
Модель ОСИ построена в соответствии с принципом иерархической декомпозиции.
Декомпозиция – расщепление сложной задачи на несколько более простых проблем (модулей) – состоит в четком распределении функций каждого модуля и порядка их взаимодействия.
Модули, в свою очередь, группируются и упорядочиваются по уровням, в результате получается иерархическая структура.
При таком подходе каждый уровень можно рассматривать как черный ящик, абстрагироваться от его внутренних механизмов и концентрироваться на способе взаимодействия уровней.
Группа модулей, составляющих каждый уровень, для решения своих задач должна обращаться к модулям соседнего нижнего уровня, т.е. каждый вышестоящий уровень использует нижестоящий уровень как инструмент решения своих задач. А результаты работу каждого уровня передаются только на соседний вышестоящий уровень.
Такой подход облегчает задачи разработки, тестирования и модификаций каждого уровня независимо от других.
Уровни образуют иерархию, известную как стек протоколов, т.е. протоколы – фактически стандарты, регламентирующие взаимодействие уровней. Говорят, что протокол регламентирует одноранговый интерфейс, т.е. определяет порядок взаимодействия уровня с выше- и нижестоящими уровнями.
Взаимодействие уровней осуществляется путем обмена сообщениями в соответствии с определенным для них протоколом. Сообщения состоят из заголовка (язык общения уровней) и поля данных (основная информация).
Протокол регламентирует интерпретацию заголовка и выполнение соответствующих действий.
Протокольная единица данных, PDU
Сообщение – единица информации прикладного уровня
Дейтаграмма – единица сообщения сетевого уровня
Сегмент – единица информации транспортного уровня
Кадр – единица информации канального уровня
Каждый уровень может выполнять одну или несколько функций
(1) Контроль ошибок (обеспечивает повышение надежности логического интерфейса между уровнями)
(2) Контроль потока (позволяет избежать переполнения канала связи единицами данных)
(3) Разбиение и сборка пакетов для изменения размеров и формата единиц обмена на разных уровнях
(4) Мультиплексирование
(5) Установка логического соединения между хостами
1. Физический уровень реализуется на всех устройствах, подключенных к сети. Обеспечивает передачу неструктурированного потока битов по физическому носителю.
Выполняет передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов.
Функции ФУ реализуются в основном аппаратурой – сетевыми адаптерами и т.д.
2. Канальный уровень или уровень передачи данных обеспечивает надежную передачу информации по физической линии – посылает блоки (кадр\фрейм) с необходимой синхронизацией, контролем ошибок, управлением потоком кадров.
На этом уровне происходит пересылка кадра данных между любыми узлами в сетях (ЛС) с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях (ГС) с произвольной топологией.
В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, называют МАС-адресами.
- Принимает от Ф.У. последовательность битов
- направляет данные на сетевой уровень в нужном формате.
- Обнаружение и коррекция ошибок - проверка контрольной суммы, повторная передача данных (Frame Check Sequence)
- проверка доступности разделяемой среды (Media Access Control)
Протоколы КУ реализуются конечными и промежуточными узлами – аппаратно + программно.
3. Сетевой уровень реализует технологию межсетевого взаимодействия
Обеспечивает доставку данных (пакетов) между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.
Обеспечивает возможность взаимодействия ЛАН с разными сетевыми технологиями, тем самым обеспечивает независимость верхних уровней от технологий передачи данных и коммутации, применяемых для соединений и систем.
Отвечает за установку и разрыв соединений, за управление соединениями.
СУ обеспечивает доставку пакета по составному маршруту, обращаясь по мере продвижения к КУ.
Включает – группу протоколов для определения маршрутов (протоколы сетевого уровня) и протоколы, собирающие информацию о топологии межсетевых соединений (протоколы маршрутизации)
Реализуется программно и аппаратно.
4. Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между конечными точками – любыми узлами сети – с требуемым уровнем надежности. Обеспечивает сквозное восстановление ошибок и управление потоком. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов.
Классы (0-4) транспортного сервиса определяются требованиями приложения и физическими возможностями передающего канала.
- Срочность
- Восстановление прерванной связи
- Обнаружение ошибок
Программная реализация здесь и на остальных уровнях.
5. Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом между узлами (сеанс), предоставляет структуру управления для взаимодействия приложений, устанавливает и разрывает соединения (сеансы) между приложениями, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями.
6. Уровень представления выполняет различные виды преобразования данных, такие как компрессия, шифрование, кодирование данных. Обеспечивает прикладному процессу независимость от различий в представлении данных.
7. Прикладной уровень предоставляет различные информационные службы, обеспечивает доступ к разделяемым ресурсам, к распределенным приложениям, включая набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям. Примерами таких сервисов являются электронная почта, передача файлов, подключение удаленных терминалов к компьютеру по сети.
Таким образом, при построении транспортной подсистемы наибольший интерес представляют функции физического, канального и сетевого уровней, тесно связанные с используемым в данной сети оборудованием: сетевыми адаптерами, концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами.
Функции прикладного, представления и сеансового уровней реализуются операционными системами и системными приложениями конечных узлов.
Транспортный уровень выступает посредником между этими двумя группами протоколов.
Итак – протоколы нижних уровней реализуются совокупностью программных и аппаратных средств, протоколы высших уровней – программно.
Эффективность всей системы зависит от:
- Оборудования
- Качества программ
- Рациональности распределения функций между протоколами
Соответствие существующих стеков эталонной модели – условно.
Только протоколы ОСИ имеют 7 уровней, что соответствует модели. Большая сложность, т.к. разработчики стремились учесть все имеющиеся на тот момент технологии.
Стек IPX/IPS оригинальная разработка корпорации Nowell для сетевой ОС Netware (начало 80х) – до 96г лидер по числу установленных копий.
Далее за 2 года его догнал стек TCP/IP, который с 98г вышел на лидирующую позицию
Структура стека протоколов семейства TCP/IP
В
конце 70х начале 80х применение набора протоколов TCP/IP было ограничено Минобороны США, а также НИИ и организациями, заключившими с ним контракт. Остальной мир приветствовал разработку протоколов OSI – Open System Interconnection – определенных в свое время в качестве стандарта в рамках данной модели. Но в течение этого времени стек TCP/IP вырвался из военной базы и быстро завоевал коммерческий рынок. Этому способствовало то, что этот набор был уже сформировавшимся и работоспособным, обеспечивающим высокий уровень эффективности, в то время как протоколы OSI все еще находились в стадии разработки. Толчком к успеху TCP/IP послужило распространение сети Ethernet, поставщики которой стали включать TCP/IPв свои продукты как для военных, так и для широкого круга покупателей.
Архитектура протоколов ТСР\ИР – результат экспериментальных исследований сети с коммутацией пакетов АРПАНЕТ, главным образом для ГС.
Обычно эту архитектуру называют набором (стеком) протоколов.
Он состоит из большого количества протоколов, стандартизованных советом по функционированию Интернета Internet Activities Board
В общих чертах во взаимодействии участвуют приложения, компьютеры и сети.
Стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем OSI, имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.
Плюсы
Фрагментация пакетов для движения по ГС
Гибкая система адресации (просто включить подсети
Экономичная система широковещательных рассылок
Минусы
Относительно высокие требования к ресурсам
Относительно сложное администрирование
Полный стек протоколов реализован на хостах.
Промежуточные узлы поддерживают протоколы нижних уровней.
(уровень IV) ФИЗИЧЕСКИЙ & КАНАЛЬНЫЙ соответствует физическому и канальному уровням модели OSI.
Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay, ATM.
Организация взаимодействия с топологиями сетей, входящих в составную сеть, в терминах TCP/IP, сводится к:
- способу упаковки (распаковки) IP-пакета в (из) единицу передающихся данных,
- способу преобразования адресов.
Т.О. Говорят, что TCP/IP стек работает поверх сети, путем добавления спецификаций для поддержки сетевых технологий, которые не сами входят в стек TCP/IP.
(уровень III) – МЕЖСЕТЕВОЙ - internet layer это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием технологий ЛС, территориальных сетей и т.п.
В качестве основного протокола сетевого уровня используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями.
Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения.
К уровню межсетевого взаимодействия относятся протоколы маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).
ICMP предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета.
(уровень II) – ТРАНСПОРТНЫЙ – host-to-host-layer обеспечивает связь между хостами. 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 виртуальных соединений. Клиент и сервер перед передачей данных обмениваются специальными управляющими пакетами (установка логического соединения), а потом уже происходит основной обмен данными.
- надежность за счет подтверждения приема очередного пакета, иначе повторная пересылка,
- контроль потока – чтоб ни одна сторона не превысила установленную частоту передачи пакетов,
- контроль перегрузки путем снижения разрешенной частоты передачи пакетов.
Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом. Это позволяет значительно сэкономить время при пересылке данных, но выигрыш происходит за счет снижения надежности, т.к. передающая сторона не имеет информацию о том, была ли передача пакета успешной. Используется, когда задача надежной передачи данных не ставится вообще, либо обеспечивается другим уровнем (прикладным) или пользовательским приложением.
Пример - TFTP
(уровень I) – ПРИКЛАДНОЙ большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся протокол FTP, telnet, протокол электронной почты SMTP, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации WWW и многие другие.