Сетевые протоколы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение    3

1 Базовые технологии вычислительных сетей    6

1.1 Понятие вычислительной сети    6

1.2 Понятие сетевого протокола    13

1.3 Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI    17

2 Практическая реализация эталонной модели OSI    28

2.1 Стеки сетевых протоколов    28

2.1.1 Стек OSI    30

2.1.2 Стек TCP/IP    32

2.1.3 Стек IPX/SPX    36

2.1.4 Стек NetBIOS/SMB    39

2.2 Описание основных сетевых протоколов уровней модели OSI    41

Заключение    58

Глоссарий    61

Список использованных источников    63

Приложения

Введение

Актуальность темы исследования. Различные типы сетей все плотнее интегрируются в нашу жизнь, хотя мы этого порой даже не замечаем, в то время как они раскрывают перед нами все более широкие возможности. Практически каждый человек в современном мире знает, что существует и глобальная сеть, которая охватывает весь мир, - Интернет. По последним данным на начало 2008 года количество ПК в мире превысило миллиард. Значительная часть этих компьютеров объединена в сети. Более двухсот тысяч сетей имеют доступ к Интернету. Количество пользователей Интернета в мире достигло 1,2 млрд. человек [21].

Согласно прогнозам ученых, в недавнем будущем все, начиная от общения и заканчивая бытовыми устройствами дома и на работе, будет управляться по сети. Развитие цивилизации в технологическом аспекте происходит очень быстро. Появляются новые устройства, новые типа их связи.  Сейчас практически у каждого есть сотовый телефон, в то время как еще пять-десять лет  назад они были не так широко распространены.

В развитии современных компьютерных технологий прослеживается тенденция к объединению в сеть различных устройств, а не только компьютеров. Огромные возможности предоставит беспроводная связь, например технология Wi-Fi. Уже сейчас можно проверять факсы и электронную почту, пришедшую на домашний телефонный номер удаленно. Если учесть, что практически все бытовые устройства будущего, согласно прогнозам, будут иметь возможность коммутации и поддерживать сетевые технологии на аппаратном уровне, то возможности  сетей в будущем представляются практически безграничными. Например, можно будет на расстоянии заниматься приготовлением пищи в микроволновой печи, с компьютера проверять безопасность в квартире, смотреть за ребенком, оставшимся дома.

Однако и проводные технологии не утратили актуальность на сегодняшний день, поскольку подавляющая часть компьютеров в мире все еще объединяется в сети посредством сетевых кабелей. Беспроводные сетевые технологии – это дело будущего, но в настоящее время изучение проводных сетевых технологий не менее актуально, чем тридцать лет назад.

В последнее время появилось большое количество новых стандартов в области сетей. Это породило немало споров и замешательства. Чтобы уметь строить собственные сети или хотя бы настраивать существующие, необходимо понимание принципов работы сетей, в частности сетевых протоколов. Поэтому тема данной работы является актуальной.

Степень научной разработанности проблемы. Так как официальным языком международных организаций, вырабатывающих сетевые стандарты и протоколы, является английский, не удивительно, что значительная часть публикаций о компьютерных сетях и их возможностях – это переводы трудов зарубежных авторов. Тем не менее существует ряд отечественных авторов, труды которых пользуются заслуженным авторитетов. Среди них, в первую очередь, следует назвать В.Г. Олифер и Н.А. Олифер [27-31], фундаментальные труды которых в области компьютерных сетей и сетевых технологий сочетают ширину охвата с основательным рассмотрением деталей каждой технологии и особенностей оборудования. Также среди отечественных авторов, исследующих данную область, можно назвать таких, как А.В. Велихов [7], С.А. Пескова [33],  Ю.А. Кулаков [23] Д.С. Гулевич [9], А.И. Гусева [10], А.В. Пятибратов [35] и других.

Объект исследования. Объектом исследования является вычислительные и компьютерные сети.

Предмет исследования. Предметом исследования является взаимодействие узлов сети с помощью сетевых протоколов.

Цель исследования. Цель исследования в данной работе – это изучение сетевых протоколов, их систем и стеков.

Достижение этой цели предполагает решение ряда задач, главными из которых являются следующие:

-  дать понятие вычислительной сети и сетевого протокола;

- изучить эталонную модель OSI;

- исследовать основные стеки сетевых протоколов;

- описать некоторые основные сетевые протоколы различных уровней модели OSI;

- проанализировать, насколько соответствует эталонная модель OSI своей практической реализации.

Теоретико-методологическая основа исследования. Методология работы заключается, прежде всего, в использовании принципов системности, всесторонности и конкретности исследования, а также применении структурно-функционального подхода. Эмпирическая база работы представлена широким кругом описаний сетевых стандартов и технологий, научной литературой на тему компьютерных сетей и принципов их функционирования.

1 Базовые технологии вычислительных сетей

1.1 Понятие вычислительной сети

На сегодняшний день вычислительная сеть - это сложный комплекс взаимосвязанных программных и аппаратных компонентов [27, C.14]:

- компьютеров;

- коммуникационного оборудования;

- операционных систем;

- сетевых приложений.

Классический пример современной сети - локальная офисная сеть с выходом в Интернет посредством технологии ADSL. Модель данной сети изображена на рис. 1.

Рис.1. Модель локальной сети офиса с выходом в сеть Интернет

Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть.

К локальным сетям - Local Area Networks (LAN) - относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN) - объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах.

Городские сети (или сети мегаполисов) - Metropolitan Area Networks (MAN) - являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса [27, C.19].

Корпоративная сеть - сеть смешанной топологии, в которую входят несколько локальных вычислительных сетей. Корпоративная сеть — коммуникационная система, принадлежащая и/или управляемая единой организацией в соответствии с правилами этой организации. Корпоративная сеть отличается от сети, например, Интернет провайдера тем, что правила распределения IP адресов, работы с Интернет ресурсами и т. д. едины для всей корпоративной сети, в то время как провайдер контролирует только магистральный сегмент сети, позволяя своим клиентам самостоятельно управлять их сегментами сети, которые могут являться как частью адресного пространства провайдера, так и быть скрыты механизмом сетевой трансляции адресов за одним или несколькими адресами провайдера.

При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс проблем. В первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам - физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, называют станциями или узлами сети [12, C.43].

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.

Полносвязная топология (рис. 2, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными.

Рис. 2. Типовые топологии сетей

Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным, поскольку каждый компьютер в сети должен иметь большое

2 Практическая реализация эталонной модели OSI

2.1 Стеки сетевых протоколов

Итак, взаимодействие компьютеров в сетях происходит в соответствии с определенными правилами обмена сообщениями и их форматами, то есть в соответствии с определенными протоколами. Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети, называется стеком 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 [29, C.44].

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 [49, C.121].

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. Из-за 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 [13, C.50].

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.

2.1.1 Стек OSI

Следует различать стек протоколов OSI и модель OSI. В то время как модель OSI концептуально определяет процедуру взаимодействия открытых систем, декомпозируя задачу на 7 уровней, стандартизирует назначение каждого уровня и вводит стандартные названия уровней, стек OSI - это набор вполне конкретных спецификаций протоколов, образующих согласованный стек протоколов. Этот стек протоколов поддерживает правительство США в своей программе GOSIP [22, C.144]. Все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях, должны либо непосредственно поддерживать стек OSI, либо 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. В Европе также ощущается большая потребность в общем стеке, так как здесь имеется большое количество разных стран [30, C.89].

Это международный, независимый от производителей стандарт. Он может обеспечить взаимодействие между корпорациями, партнерами и поставщиками. Это взаимодействие осложняется из-за проблем с адресацией, именованием и безопасностью данных.

Все эти проблемы в стеке OSI частично решены. Протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их более подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров. Большинство организаций пока только планирует переход к стеку OSI. Из тех, кто работает в этом направлении, можно назвать Военно-морское ведомство США и сеть NFSNET. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI, является компания AT&T. Ее сеть Stargroup полностью базируется на стеке OSI [35, C.100].

По вполне очевидным причинам стек OSI в отличие от других стандартных стеков полностью соответствует модели взаимодействия OSI, он включает спецификации для всех семи уровней модели взаимодействия открытых систем (рис. 8).

На физическом и канальном уровнях стек OSI поддерживает протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, а также протоколы LLC, X.25 и ISDN [35, C.110].