Методические рекомендации по выполнению практической работы "Протоколы передачи данных и управление доступом к среде"

Практическая работа № 1 Тема: Протоколы передачи данных и управление доступом к среде  Цели работы:  1)   Изучить   правила   адресации   сетевого   уровня,   научиться   распределять   адреса   между участниками сети передачи данных и организовывать маршрутизацию между сегментами сети.  2) Иметь представление о семействе протоколов ТСР/IP, его назначении, составе и настройке. Оборудование, ПО: персональный компьютер, включенный в сеть IP, Microsoft Windows. 1. Изучить  теоретические сведения: Ход работы: Сетевой уровень модели OSI Сетевой   уровень отвечает   за   возможность   доставки пакетов по   сети   передачи   данных   – совокупности сегментов сети, объединенных в единую сеть любой сложности посредством узлов связи, в которой имеется возможность достижения из любой точки сети в любую другую. В   связи   с   необходимостью   перенаправлять   пакеты   из   одного   сегмента   сети   в   другой, сетевые адреса должны удовлетворять следующим требованиям: ∙         Адреса должны быть уникальны. В сети не может быть нескольких участников с одинаковыми адресами во избежание неоднозначности. ∙        Сетевой адрес должен содержать информацию о том, как достичь получателя по сети. Это   приводит   к структурности   адреса –   адрес   разбивается   на   части,   позволяющие определить местоположение участника внутри сети. Структура может быть сложной многоуровневой, например, адрес содержит информацию о стране,   области,   населенном   пункте,   предприятии,   здании,   отделе   и   т.д.   или   простой, содержащей номер сети и номер компьютера в сети. По сложной   структуре легче   построить   маршрут   прохождения   пакета,   но   адрес оказывается сложным и перегруженным часто ненужной информацией. Примером такой адресации   может   служить   доменная   адресация   в   Интернет,   по   адресу asu.bru.mogilev.by нетрудно понять, где находится данный участник сети и как до него добраться. Простая   структура позволяет   значительно   сократить   размер   адреса   и   сохраняет возможность работы в сети любой структуры, но для этого могут потребоваться сложные и, часто, не столь очевидные алгоритмы, как в предыдущем случае. Семейство протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ­ протокол управления   передачей/межсетевой   протокол)   является   стандартным   семейством протоколов,   предназначенным   для   больших   объединенных   сетей   как   локального,   так   и глобального масштаба. Протоколы TCP/IP реализованы во множестве программ для работы с TCP/IP, доступных на   многих   компьютерных   платформах.   Сегодня   программное   обеспечение, поддерживающее   TCP/IP,   широко   используется   в   Интернете   и   часто   применяется   для построения крупных частных объединенных сетей с маршрутизацией. Основные протоколы семейства TCP/IP Протокол ARP (Address Resolution Protocol)        ARP   разрешает   IP­адреса,   используемые   программным   обеспечением   TCP/IP,   в аппаратные   адреса   сетевых   адаптеров   локальной   сети.   ARP   предоставляет   узлам, расположенным   в   одной   физической   сети,   следующие   службы   протокола:   аппаратные адреса (или МАС­адреса ­ адреса уровня управления доступом к среде передачи); когда на ARP­запрос   отправляется   ответ,   то   отправитель   ARP­ответа   и   запрашивающий   узел заносят IP­адреса и аппаратные адреса друг друга в локальную таблицу, называемую кэшем ARP, для дальнейшего использования.         Протокол IP (Internet Protocol)        Межсетевой протокол IP (Internet Protocol) ­ это не ориентированный на установление соединения и ненадежный протокол передачи датаграмм, ответственный, главным образом, за адресацию и маршрутизацию пакетов между узлами.     Термин   "не   ориентированный   на   установление   соединения"   означает,   что   сеанс   для обмена   данными   не   устанавливается.   Термин   "ненадежный"   означает,   что   доставка   не гарантируется.   IP   всегда   предпринимает   все   усилия,   чтобы   доставить   пакет.   IP­пакет может быть потерян, доставлен вне очереди, дублирован или задержан. Протокол IP не пытается исправить ошибки этих типов. Подтверждение получения пакетов и повторное обращение   за   потерянными   пакетами   входят   в   круг   обязанностей   протокола   более высокого уровня, например TCP. Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol)        Протокол   межсетевых   управляющих   сообщений.   Используя   ICMP,   узлы   и маршрутизаторы,   связывающиеся   по   протоколу   IP,   могут   сообщать   об   ошибках   и обмениваться ограниченной управляющей информацией и сведениями о состоянии. ICMP­ сообщения обычно автоматически отправляются в следующих случаях: •   IP­датаграмма не может попасть к узлу назначения.  •   IP­маршрутизатор (шлюз) не может перенаправлять датаграммы с текущей скоростью  передачи.  •   IP­маршрутизатор перенаправляет узел­отправитель на другой, более выгодный маршрут к узлу назначения.  ICMP­сообщения инкапсулируются и передаются в IP­датаграммах         Протокол IGMP (Internet Group Management Protocol)        IGMP предоставляют протокол обмена и обновления информации об участии узлов в отдельных группах многоадресной рассылки. Многоадресный IP­трафик направляется по одному   адресу,   но   обрабатывается   несколькими   узлами.   Набор   узлов,   принимающих трафик с данным IP­адресом многоадресной рассылки, называется группой многоадресной рассылки.         IP­адреса для многоадресной рассылки зарезервированы и назначаются из диапазона адресов класса D (см. ниже): с 224.0.0.0 по 239.255.255.255. Протокол UDP (User Datagram Protocol)        UDP   используется   некоторыми   программами   вместо   TCP   для   быстрой,   простой   и ненадежной   (главное   отличие   от   ТСР)   передачи   данных   между   узлами   TCP/IP.         UDP   обеспечивает   службу   датаграмм,   не   ориентированную   на   установление соединения, что означает, что UDP не гарантирует ни доставку, ни правильность порядка доставки   датаграмм.   Узел­источник,   которому   требуется   надежная   связь,   должен использовать   либо   протокол   TCP,   либо   программу,   которая   сама   обеспечивает подтверждения   и   следит   за   правильностью   порядка   датаграмм. UDP­сообщения инкапсулируются и передаются в IP­датаграммах. Протокол TCP (Transmission Control Protocol) предоставляет надежную и ориентированную на установление соединения службу доставки пакетов.  Протокол TCP:  гарантирует доставку IP­датаграмм;   выполняет   разбиение   на   сегменты   и   сборку   больших   блоков   данных,   отправляемых программами;   обеспечивает доставку сегментов данных в нужном порядке;   выполняет проверку целостности переданных данных с помощью контрольной суммы;   посылает   положительные   подтверждения,   если   данные   получены   успешно.   Используя избирательные подтверждения, можно также посылать отрицательные подтверждения для данных, которые не были получены;   предлагает   предпочтительный   транспорт   для   программ,   которым   требуется   надежная передача данных с установлением сеанса связи, например, для баз данных "клиент­сервер" и программ электронной почты.        TCP основан на связи точка­точка между двумя узлами сети. TCP получает данные от программ и обрабатывает их как поток байтов. Байты группируются в сегменты, которым TCP дает последовательные номера, необходимые для правильной сборки сегментов на узле­приемнике.         TCP­сегменты инкапсулируются и передаются в IP­датаграммах.        Для обмена данными по протоколу TCP программы используют порты TCP. Каждый отдельный   серверный   порт   TCP   может   совместно   использоваться   несколькими соединениями, так как все TCP­соединения уникально идентифицируются двумя парами IP­адресов и портов TCP (по одной паре адрес/порт для каждого узла). Программы TCP используют   зарезервированные   или   хорошо   известные   номера   портов.   Серверная   часть каждой   программы,   использующей   порты   TCP,   прослушивает   определенный   порт   в ожидании поступающих на него сообщений. Все номера серверных портов TCP, меньшие 1024 (а также некоторые большие номера), зарезервированы.  Параметры конфигурации TCP/IP        Для   правильной   работы   протокола   TCP/IP   в   Windows   2000   необходимо   настроить следующие параметры: IP­адрес        Каждому   сетевому   интерфейсу   на   каждом   устройстве   TCP/IP   (узле   или маршрутизаторе)   должен   быть   назначен   уникальный   IP­адрес,   принадлежащий   данному сегменту   сети.   IP­адрес   является   необходимым   элементом   конфигурации.         IP­адрес имеет две части ­ код (идентификатор) сети и код (идентификатор) узла.  Код   сети,  также   называемый   адресом   сети,   обозначает   один   сетевой   сегмент   в   более крупной объединенной сети (сети сетей), использующей протокол TCP/IP. IP­адреса всех систем,   подключенных   к  одной  сети,   имеют  один  и   тот  же   код  сети.   Этот  код  также используется для уникального обозначения каждой сети в более крупной объединенной сети.  Код   узла,   также   называемый   адресом   узла,   идентифицирует   узел   TCP/IP   (рабочую станцию, сервер, маршрутизатор или другое TCP/IP­устройство) в пределах одной сети. Код узла уникальным образом обозначает систему в том сегменте сети, к которой она подключена.         Вот   пример   32­битного   IP­адреса:   10000011   01101011   00010000   11001000         Для облегчения восприятия человеком IP­адреса записываются в точечно­десятичной нотации. 32­битный IP­адрес делится на четыре 8­битных октета. Октеты представляются в десятичной системе счисления и разделяются точками. Таким образом вышеприведенный IP­адрес в точечно­десятичной нотации выглядит так: 131.107.16.200.        На   рисунке   показан   пример   IP­адреса (131.107.16.200), разделенного на код сети и код узла. Часть, соответствующая коду сети (131.107), в   данном   случае   определяется   первыми   двумя октетами   IP­адреса.   Часть,   задающая   код   узла (16.200),   обозначается   последними   двумя октетами IP­адреса.        Сообщество Интернета определило пять классов IP­адресов. Адреса классов A, B и C могут назначаться узлам TCP/IP.        Класс адреса задает число бит в адресе, которые отводятся под коды сети и узла. Тем самым, класс адреса определяет и то, сколько всего может быть сетей данного класса и узлов в каждой из этих сетей и где в IP адресе проходит граница между кодом сети и номером узла.        В   следующей   таблице   символы   w.x.y.z   обозначают   четыре   октета   IP­адреса.   Эта таблица показывает:  ­ ­ ­ как значение первого октета (w) любого IP­адреса задает класс этого адреса;  как октеты адреса данного класса делятся на код сети и код узла;  число возможных сетей данного класса и число узлов в этих сетях. Выбор сетевых адресов        Для   частных   TCP/IP­сетей,   которые   никак   не   подключены   к   Интернету,   можно использовать   любой   допустимый   диапазон   IP­адресов   классов   A,   B   или   C.         Для   частных   TCP/IP­сетей,   которые   подключены   к   Интернету   не   напрямую,   а   с помощью   преобразователя   сетевых   адресов   (NAT)   или   шлюза   уровня   приложения, например прокси­сервера, рекомендуется использовать частные IP­адреса, приведенные в следующей таблице. Эти диапазоны адресов зарезервированы для частных TCP/IP­сетей и не используются в Интернете. Маска подсети        Для   каждого   сетевого   интерфейса   на   каждом   устройстве   TCP/IP   (узле   или маршрутизаторе) должна быть задана маска подсети, которая, будучи наложенной на IP­ адрес,   позволяет   определить   код   (идентификатор)   сети.   Все   IP­интерфейсы   в   одном сегменте   сети   должны   использовать   один   и   тот   же   код   сети.   Следовательно,   все   IP­ интерфейсы в одном сегменте сети должны иметь одну и ту же маску подсети. Маска подсети является необходимым элементом конфигурации.        Коды сетей и коды узлов в IP­адресе можно различить с помощью маски подсети. Каждая   маска   подсети   представляет   собой   32­битное   число,   состоящее   из последовательной   группы   единичных   битов   для   выделения   из   IP­адреса   кода   сети,   и последовательной   группы   нулевых   битов   для   выделения   кода   узла.         Например,   вот   маска   подсети,   которая   обычно   используется   с   IP­адресом 131.107.16.200   из   примера   выше:   11111111   11111111   00000000   00000000         Эта маска подсети состоит из 16 единичных битов, за которыми следуют 16 нулевых битов, что означает, что части этого IP­адреса, соответствующие коду сети и коду узла, имеют одинаковую длину в 16 бит. В точечно­десятичной нотации эта маска будет иметь следующий вид: 255.255.0.0.  В следующей таблице показаны маски подсети для классов адресов Интернета.         Часто   используются   специальные   маски   подсети   для   деления   сети   на   IP­подсети. Деление   сети   на   IP­подсети   позволяет   разделить   стандартную   часть   IP­адреса, соответствующую коду узла, на подсети, которые являются подразделами исходного кода сети, основанного на классе.        Изменяя длину частей маски подсети, можно уменьшить число битов, используемых для кода узла. Во избежание неполадок с адресацией и маршрутизацией все компьютеры TCP/IP   в   одном   сегменте   сети   должны   использовать   одну   и   ту   же   маску   подсети.         Очень   часто   комбинация   из   IP­адреса   и   маски   подсети   записываются   в   виде:  IP­адрес/число_единичных_бит_маски_подсети.        Пример: Запись вида 192.168.10.15/24 означает адрес 192.168.10.15 и маску подсети 255.255.255.0         Часть   IP­адреса,   покрываемая   единичными   битами   маски   подсети   называют   еще сетевым   префиксом.       Найти   маску 23 PC        11111111.11111111.11111111.11111000        255.255.255.248 состоящую   из   подсети     Протокол IP (Internet Protocol) Архитектуру сетевого уровня удобно рассматривать на примере сетевого протокола IP – самого распространенного в настоящее время, основного протокола сети Интернет. Термин «стек протоколов TCP/IP» означает «набор протоколов, связанных с IP и TCP (протоколом транспортного уровня)». Архитектура   протоколов   TCP/IP   предназначена   для   объединенной   сети,   состоящей   из соединенных   друг   с   другом шлюзами отдельных   разнородных   пакетных   подсетей,   к которым подключаются разнородные машины. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и  имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая подсеть может  принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить  его по указанному адресу в этой конкретной подсети. Не требуется, чтобы подсеть гарантировала обязательную доставку пакетов и имела  надежный сквозной протокол. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут обмениваться  пакетами. Когда необходимо передать пакет между машинами, подключенными к разным подсетям,  то машина­отправитель посылает пакет в соответствующий шлюз (шлюз подключен к подсети также как обычный узел). Оттуда пакет направляется по определенному маршруту через систему шлюзов и подсетей, пока не достигнет шлюза, подключенного к той же  подсети, что и машина­получатель: там пакет направляется к получателю. Таким образом, адрес получателя должен содержать в себе: ∙        номер (адрес) подсети; ∙        номер (адрес) участника (хоста) внутри подсети. IP адреса представляют собой 32­х разрядные двоичные числа. Для удобства их  записывают в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками. Каждое число  является десятичным эквивалентом соответствующего байта адреса (для удобства будем  записывать точки и в двоичном изображении). 192.168.200.47 является десятичным эквивалентом двоичного адреса 11000000.10101000.11001000.00101111 Иногда применяют десятичное значение IP­адреса. Его легко вычислить 192*2563+168*2562+200*256+47=3232286767 или с помощью метода Горнера : (((192*256)+168)*256+200)*256+47=3232286767  Таблица 1. Перевод некоторых чисел из двоичной системы счисления в десятичную и  обратно. Двоичное 10000000 11000000 11100000 11110000 11111000 11111100 11111110 11111111 Десятичное 128 192 224 240 248 252 254 255  Количество разрядов адреса подсети может быть различным и определяется маской сети. Маска сети также является 32­х разрядным двоичным числом. Разряды маски имеют  следующий смысл: 1.     если разряд маски равен 1, то соответствующий разряд адреса является разрядом  адреса подсети, 2.     если разряд маски равен 0, то разрядом хоста внутри подсети. Все единичные разряды маски (если они есть) находятся в старшей (левой) части маски, а  нулевые (если они есть) – в правой (младшей). Исходя из вышесказанного, маску часто записывают в виде числа единиц в ней  содержащихся. 255.255.248.0 (11111111.11111111.11111000.00000000) – является правильной маской  подсети (/21), а 255.255.250.0 (11111111.11111111.11111010.00000000) – является неправильной,  недопустимой. Нетрудно увидеть, что максимальный размер подсети может быть только степенью двойки  (двойку надо возвести в степень, равную количеству нулей в маске). При передаче пакетов используются правила маршрутизации, главное из которых звучит  так: «Пакеты участникам своей подсети доставляются напрямую, а остальным – по другим  правилам маршрутизации». Таким образом, требуется определить, является ли получатель членом нашей подсети или  нет. Определение диапазона адресов подсети можно произвести из определения понятия маски: Определение диапазона адресов подсети. 1.     те разряды, которые относятся к адресу подсети, у всех хостов подсети должны быть  одинаковы; 2.     адреса хостов в подсети могут быть любыми. То есть, если наш адрес 192.168.200.47 и маска равна /20, то диапазон можно посчитать: 11000000.10101000.11001000.00101111 – адрес 11111111.11111111.11110000.00000000 – маска 11000000.10101000.1100ХХХХ.ХХХХХХХХ – диапазон адресов где 0,1 – определенные значения разрядов, Х – любое значение, Что приводит к диапазону адресов: от 11000000.10101000.11000000.00000000 (192.168.192.0) до 11000000.10101000.11001111.11111111 (192.168.207.255)  Следует учитывать, что некоторые адреса являются запрещенными или служебными и их  нельзя использовать для адресов хостов или подсетей.  Это адреса, содержащие: 0   ­  в первом или последнем байте, 255 ­  в любом байте (это широковещательные адреса), 127 ­ в первом байте (внутренняя петля – этот адрес имеется в каждом хосте и служит для  связывания компонентов сетевого уровня). Поэтому доступный диапазон адресов будет несколько меньше. Диапазон адресов: 10.Х.Х.Х – для больших локальных сетей; 172.16.Х.Х – для больших локальных сетей, но применяется реже, 192.168.Х.Х – для маленьких (небольших) локальных сетей, не может быть использован в  сети Internet, т.к. отданы для использования в сетях, непосредственно не подключенных к  глобальной сети. Команда ipconfig Команда ipconfig отображает краткую информацию, т.е. только IP­адрес, маску подсети и  стандартный шлюз для каждого подключенного адаптера, для которого выполнена  привязка с TCP/IP.   2. Решить задачи. 1. Какие адреса из приведенного ниже списка являются допустимыми адресами хостов и  почему: 0.10.10.10 10.0.10.10 10.10.0.10 10.10.10.10 127.0.127.127 127.0.127.0 255.0.200.1 1.255.0.0 2. Перечислите все допустимые маски, по какому принципу они получаются. 3. Определите диапазоны адресов подсетей (даны адрес хоста и маска подсети): 10.212.157.12/24 27.31.12.254/31 192.168.0.217/28 10.7.14.14/16 4. Какие из адресов 241.253.169.212 243.253.169.212 242.252.169.212 242.254.169.212 242.253.168.212 242.253.170.212 242.253.169.211 242.253.169.213 будут достигнуты напрямую с хоста 242.254.169.212/21. Определите диапазон адресов в его подсети. 5*. Посмотрите   параметры   IP   на   своем   компьютере   с   помощью   команды ipconfig. Определите диапазон адресов и размер подсети, в которой вы находитесь. Попробуйте объяснить, почему выбраны такие сетевые параметры и какие сетевые параметры выбрали бы вы. 3. Ответить на контрольные вопросы ∙          Чем занимается сетевой уровень? ∙          Что такое сеть передачи данных? ∙          Какие требования предъявляются к сетевой адресации? ∙          Можно ли использовать в качестве сетевого МАС­адрес? ∙          Что такое маска подсети? ∙          Какова структура IP­адреса? ∙          Чем определяется размер подсети? ∙          Как определить диапазон адресов в подсети? ∙          Как определить размер подсети? 4. Сделайте вывод по проделанной работе.