Лекция "Стандартные стеки коммуникационных протоколов"

тема 4 вопрос 5 распространенные стеки протоколов. взаимодействие коммуникционных устройств Стандартные стеки коммуникационных протоколов Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки,  являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие  распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами  популярных стеков протоколов могут служить: стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый  в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной  организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.  Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо  сети и ее характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В  крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило,  несколько стеков.  В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы нижних уровней, которые в большей  степени стандартизованы, чем протоколы верхних уровней, и это является предпосылкой для успешной  совместной работы оборудования различных производителей. Перечень протоколов, поддерживаемых  тем или иным коммуникационным устройством, является одной из наиболее важных характеристик  этого устройства.  Компьютеры реализуют коммуникационные протоколы в виде соответствующих программных элементов сетевой операционной системы, например, протоколы канального уровня, как правило, выполнены в виде драйверов сетевых адаптеров, а протоколы верхних уровней в виде серверных и клиентских компонент  сетевых сервисов.  Умение хорошо работать в среде той или иной операционной системы является важной характеристикой  коммуникационного оборудования. Часто можно прочитать в рекламе сетевого адаптера или  концентратора, что он разрабатывался специально для работы в сети NetWare или UNIX. Это означает,  что разработчики аппаратуры оптимизировали ее характеристики применительно к тем протоколам,  которые используются в этой сетевой операционной системе, или к данной версии их реализации, если  эти протоколы используются в различных ОС. Из­за особенностей реализации протоколов в различных  ОС в качестве одной из характеристик коммуникационного оборудования используется его  сертифицированность на возможность работы в среде данной ОС.  На нижних уровнях ­ физическом и канальном ­ практически во всех стеках используются одни и те же  протоколы. Это хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие,  которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.  Протоколы сетевого и более высоких уровней существующих стандартных стеков отличаются большим  разнообразием и, как правило, не соответствуют рекомендуемому моделью ISO разбиению на уровни. В  частности, в этих стеках функции сеансового и представительного уровня чаще всего объединены с  прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель ISO появилась как результат  обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.  Стек OSI. Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является  концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне  конкретных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью  соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней  взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях OSI поддерживает Ethernet, Token  Ring, FDDI, а также такие протоколы как LLC, X.25 и ISDN. Сервисы сетевого, транспортного и  сеансового уровней этого стека пока мало распространены. Наиболее популярными протоколами стека  OSI являются протоколы, реализующие высокоуровневые сервисы по передаче файлов, эмуляции  терминала, ведению каталогов имен и по организации электронной почты. Хотя в стеке OSI  предусматривается еще ряд дополнительных высокоуровневых сервисов, многие из них еще не  реализованы или реализованы частично.  Из­за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального  процессора, что делает их более подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных  компьютеров.  Стек OSI ­ международный, независимый от производителей, стандарт. Его поддерживает правительство  США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны или непосредственно поддерживать  стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Тем не менее, стек OSI более  популярен в Европе, а не в США, так как в Европе меньше установлено старых сетей, использующих  свои собственные протоколы. Большинство организаций пока только планируют переход к стеку OSI, и  очень немногие приступили к созданию пилотных проектов. Из тех, кто работает в этом направлении,  можно назвать Военно­морское ведомство США и сеть NFSNET. Одним из крупнейших производителей,  поддерживающих OSI, является компания AT&T, ее сеть Stargroup полностью базируется на этом стеке.  Стек TCP/IP. Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defense,  DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети  ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды.  Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным транспортным  протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX.  Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и  других протоколов стека. Этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной  сети Internet. Организация Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в  совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC.  Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального  уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных ­ протоколы работы на  аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, протоколы территориальных сетей X.25 и  ISDN.  В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол Internet Protocol (IP),  который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого  количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому стек  TCP/IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них  подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи.  За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные протоколы как  протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP,  используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной  информации, такие как Mosaic, и многие другие.  Все говорит о том, что стек TCP/IP станет наиболее распространенным в ближайшем будущем. Если в  настоящее время он распространен в основном в UNIX­сетях, то реализация его в последних версиях  сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows 95, Windows NT, NetWare 4.1)  приведет к еще большему его распространению. По данным IDC в 1994 году стек TCP/IP использовался в 9.5% настольных систем, 2.5% серверов локальных сетей, 35.1% систем средних среднего класса и в  17.3% сетей на основе мейнфреймов. По прогнозам IDC в 1998 году эти цифры существенно изменяться  и будут равны 50.3%, 18.2%, 59% и 40.8% соответственно.  Стек IPX/SPX. Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для  сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80­х годов. Протоколы сетевого и сеансового  уровня Internetwork Packet Exchange (IPX) и Sequenced Packet Exchange (SPX), которые дали название  стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо  меньшей степени, чем стек IPX/SPX. Популярность стека IPX/SPX непосредственно связана с  операционной системой Novell NetWare, которая, несмотря на то, что ее популярность несколько  снизилась в последнее время, все еще сохраняет мировое лидерство по числу установок .  Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare (до версии  4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со  скромными ресурсами. Понятно, что для таких компьютеров Novell нужны были протоколы, на  реализацию которых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти (ограниченной в IBM­ совместимых компьютерах под управлением MS­DOS 640 Кбайтами) и которые бы быстро работали на  процессорах небольшой вычислительной мощности. В результате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень ­ в больших корпоративных сетях, так как они  слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между  клиентами и серверами). Это обстоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell, и на его реализацию нужно получать у нее лицензию, долгое время  ограничивали распространенность его только сетями NetWare. Однако с момента выпуска версии  NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает вносить в свои протоколы серьезные изменения, направленные  на приспособление их для работы в корпоративных сетях. Сейчас стек IPX/SPX реализован не только в  NetWare, но и в нескольких других популярных сетевых ОС, например, SCO UNIX, Sun Solaris, Microsoft Windows NT.  Стек NetBIOS/SMB. Этот стек широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft. На  физическом и канальном уровнях этого стека используются все наиболее распространенные протоколы  Ethernet, Token Ring, FDDI и другие. На верхних уровнях работают протоколы NetBEUI и SMB.  Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 году как сетевое расширение  стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен так называемым протоколом расширенного  пользовательского интерфейса NetBEUI ­ NetBIOS Extended User Interface. Для обеспечения  совместимости приложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс  NetBIOS. Протокол NetBEUI разрабатывался как эффективный протокол, потребляющий немного  ресурсов, для использования в сетях, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Этот протокол  содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и  сеансовому уровням модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов. Это  ограничивает применение протокола NetBEUI локальными сетями, не разделенными на подсети, и делает невозможным его использование в составных сетях. Некоторые ограничения NetBEUI снимаются  реализацией этого протокола NBF (NetBEUI Frame), которая включена в операционную систему  Microsoft Windows NT.  Протокол блоков сообщений сервера SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового,  представительного и прикладного уровней. SMB реализует файловый сервис, сервис печати и сервис  передачи сообщений между приложениями.  На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые  приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые  предпочитают иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень обеспечивает верхним  уровнем стека передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. (определяется 5  классов сервисов). Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными  средствами конечных узлов сети. Обеспечивает управление диалогом, редко реализуется в виде отдельных протоколов, функции этого  уровня зачастую объединяют с функциями других уровней. Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее  содержание. (SSL протокол, шифрование) Прикладной уровень – набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети  получают доступ к разделяемым ресурсам. Три нижних уровня (физический, канальный и сетевой) являются сетезависимыми, т.е. протоколы этих  уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым оборудованием. Три верхних уровня (прикладной, представительный и сеансовый) ориентированы на приложение, и не  зависят от технической реализации сети. Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает все детали, функционирование нижних  уровней от верхних.   Открытой системой может быть названа любая система, которая построена в соответствии с открытыми  спецификациями. Спецификация – формализованное описание аппаратных или программных  компонентов, способов их функционирования, условий эксплуатации и т.д. Под открытыми  спецификациями понимаются опубликованные общедоступные спецификации, соответствующие  стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми  заинтересованными сторонами. Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация  коммуникационных протоколов. Наиболее распространенными стеками являются следующие: 1) Стек tcp/ip 2) Стек NetBIOS 3) Стек от компании Novell 4) Стек OSI СРС. Сравнение стеков TCP/IP, Novell и SMB (IBM, Microsoft) Стек TCP/IP Стек протоколов TCP/IP — набор сетевых протоколов, на которых базируется интернет. Обычно в стеке  TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительный и сеансовый) модели OSI объединяют в один — прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи  данных, функции по определению типа данных передаются приложению. HTTP (от англ. HyperText Transfer Protocol — «протокол передачи гипертекста») — сетевой протокол  прикладного уровня для передачи файлов.Основным назначением HTTP является передача веб­страниц  (текстовых файлов с разметкой HTML), хотя с помощью него с успехом передаются и другие файлы, как связанные с веб­страницами (изображения и приложения), так и не связанные с ними (в этом HTTP  конкурирует с более сложным FTP). File Transfer Protocol (букв. «протокол передачи файлов») или просто FTP — сетевой протокол,  предназначенный для передачи файлов в компьютерных сетях. Протокол FTP позволяет подключаться к  серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер, кроме  того возможен режим передачи файлов между серверами. SMTP (англ. Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол передачи почты) — это сетевой  протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP. Telnet (Teletype Network) — сетевой протокол для удалённого доступа к компьютеру с помощью  командного интерпретатора. Аналогичное название имеют утилиты для работы с протоколом. SNMP (англ. Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью) — это  протокол управления сетями связи на основе архитектуры TCP/IP. TCP (англ. Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) — один из основных  сетевых протоколов Internet, предназначенный для управления передачей данных в сетях TCP/IP. UDP (англ. User Datagram Protocol — протокол пользовательских датаграмм) — это сетевой протокол  для передачи данных в сетях IP. Он является одним из самых простых протоколов транспортного уровня модели OSI. Его IP­идентификатор — 17. В отличие от TCP, UDP не гарантирует доставку пакета,  поэтому аббревиатуру иногда расшифровывают как «Unreliable Datagram Protocol» (протокол  ненадёжных датаграмм). Это позволяет ему гораздо быстрее и эффективнее доставлять данные для  приложений, которым не требуется большая пропускная способность линий связи, либо требуется малое  время доставки данных. IP (англ. Internet Protocol — межсетевой протокол) — маршрутизируемый сетевой протокол, основа  стека протоколов TCP/IP. Протокол IP используется для ненадёжной доставки данных (разделяемых на  так называемые пакеты) от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола не  даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том  порядке, в котором были отправлены, оказаться повреждёнными или не прибыть вовсе. ICMP (англ. Internet Control Message Protocol — межсетевой протокол управляющих сообщений) —  сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. В основном ICMP используется для передачи  сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных. Также на  ICMP возлагаются некоторые сервисные функции. Протокол RIP (Routing Information Protocol) — один из наиболее распространенных протоколов  маршрутизации в небольших компьютерных сетях, который позволяет маршрутизаторам динамически  обновлять маршрутную информацию (направление и дальность в хопах), получая ее от соседних  маршрутизаторов. Ethernet (эзернет, от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей. Стандарты  Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат  пакетов и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Стек NetBIOS/SMB Протокол NetBIOS работает на трех уровнях модели взаимодействия открытых систем: сетевом,  транспортном и сеансовом. NetBIOS может обеспечить сервис более высокого уровня, чем протоколы  IPX и SPX, однако не обладает способностью к маршрутизации. Таким образом, NetBIOS не является  сетевым протоколом в строгом смысле этого слова. NetBIOS содержит много полезных сетевых  функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням, однако с его  помощью невозможна маршрутизация пакетов, так как в протоколе обмена кадрами NetBIOS не вводится такое понятие как сеть. Это ограничивает применение протокола NetBIOS локальными сетями, не  разделенными на подсети. NetBIOS поддерживает как дейтаграммный обмен, так и обмен с  установлением соединений. Протокол SMB, соответствующий прикладному и представительному  уровням модели OSI, регламентирует взаимодействие рабочей станции с сервером. В функции SMB  входят следующие операции: Управление сессиями. Создание и разрыв логического канала между рабочей станцией и сетевыми ресурсами файлового сервера.  Файловый доступ. Рабочая станция может обратиться к файл­серверу с запросами на  создание и удаление каталогов, создание, открытие и закрытие файлов, чтение и запись в файлы,  переименование и удаление файлов, поиск файлов, получение и установку файловых атрибутов,  блокирование записей.  Сервис печати. Рабочая станция может ставить файлы в очередь для печати на сервере и получать информацию об очереди печати.  Сервис сообщений. SMB поддерживает простую передачу сообщений со следующими  функциями: послать простое сообщение; послать широковещательное сообщение; послать начало блока  сообщений; послать текст блока сообщений; послать конец блока сообщений; переслать имя  пользователя; отменить пересылку; получить имя машины. Стек IPX/SPX На физическом и канальном уровнях в сетях Novell используются все популярные протоколы этих  уровней (Ethernet, Token Ring, FDDI и другие). На сетевом уровне в стеке Novell работает протокол IPX, а также протоколы обмена маршрутной информацией RIP и NLSP (аналог протокола OSPF стека  TCP/IP). IPX является протоколом, который занимается вопросами адресации и маршрутизации пакетов  в сетях Novell. Маршрутные решения IPX основаны на адресных полях в заголовке его пакета, а также на информации, поступающей от протоколов обмена маршрутной информацией. Например, IPX использует  информацию, поставляемую либо протоколом RIP, для передачи пакетов компьютеру назначения или  следующему маршрутизатору. Протокол IPX поддерживает только дейтаграммный способ обмена  сообщениями, за счет чего экономно потребляет вычислительные ресурсы. Протокол IPX обеспечивает  выполнение трех функций: задание адреса, установление маршрута и рассылку дейтаграмм.  Транспортному уровню модели OSI в стеке Novell соответствует протокол SPX, который осуществляет  передачу сообщений с установлением соединений. На верхних прикладном, представительном и  сеансовом уровнях работают протоколы NCP и SAP. Протокол NCP является протоколом  взаимодействия сервера NetWare и оболочки рабочей станции. Этот протокол прикладного уровня  реализует архитектуру клиент­сервер на верхних уровнях модели OSI. С помощью функций этого  протокола рабочая станция производит подключение к серверу, отображает каталоги сервера на  локальные буквы дисководов, просматривает файловую систему сервера, копирует удаленные файлы,  изменяет их атрибуты и т.п., а также осуществляет разделение сетевого принтера между рабочими  станциями. Коммуникационные устройства необходимы для связи компьютеров между собой. При этом выделяются два основных способа взаимодействия компьютеров ­ в рамках локальной сети и с помощью  существующих телефонных линий.  Локальная сеть связывает компьютеры в пределах одной организации и предоставляет следующие  преимущества: возможность обмена информацией (файлами) без использования дискет;  возможность хранить файлы на общем сетевом диске и обращаться к ним с любого компьютера сети;  возможность использования общих внешних устройств (принтеры, сканеры),  подключенных к сети. 1. 2. 3. 4.           Сети компьютеров можно классифицировать следующим образом. Простейшие одноуровневые объединяют небольшое число компьютеров, причем все  они имеют одинаковые возможности использования;  Двухуровневые сети могут объединять большее число компьютеров, среди которых  выделяется один центральный компьютер, который организует работу всей сети. Такие компьютеры  принято называть сетевыми серверами. К ним предъявляются повышенные требования по технической  оснащенности: мощный процессор класса Pentium 266­300 Мгерц, большая основная память (32­64 Мб),  два или три дисковых накопителя большой емкости (2 Гб), наличие устройств работы с компакт­ дисками, наличие источников бесперебойного питания и устройств резервного хранения информации. На дисках сервера хранятся основные файлы, необходимые для управления работой всей сети и отдельных  компьютеров, а также файлы пользователей.  Многоуровневые сети могут объединять между собой отдельные локальные сети со  своими серверами. Особенность таких сетей состоит в том, что серверы могут быть компьютерами  разных типов ( IBM­совместимые ПК, компьютеры Macintosh, рабочие станции). Это требует  использования специальных программ управления такими сетями. Подобные сети иногда называют  корпоративными.  Региональные сети объединяют компьютеры в рамках некоторого региона (Татарстан,  Поволжье, Россия) и используют для передачи информации телефонные линии или специальные  высокоскоростные каналы. Наиболее известной сетью в России является сеть Relcom.  Глобальные (мировые) сети объединяют миллионы компьютеров по всему миру.  Наиболее известная мировая сеть ­ Internet. Для связи компьютеров друг с другом в пределах одной сети необходимы два основных типа устройств: специальные электронные схемы (сетевые платы), вставляемые в каждый компьютер;  провода (кабели), необходимые для физического соединения компьютеров. Для организации взаимодействия компьютеров через телефонные линии необходимы специальные  устройства ­ модемы. Они служат посредниками между компьютером и телефонной линией и  необходимы для преобразования цифрового представления информации в непрерывный сигнал и  обратно. Отсюда происходит и название этих устройств: модем ­ это сокращение от  модулятор/демодулятор. Основная характеристика модема ­ пропускная способность, т.е. количество  битов, передаваемых за 1 секунду. Современные модемы обеспечивают пропускную способность около  30 тысяч бит/секунду.