Сетевые протоколы

    Сама  по себе сетевая модель OSI, является абстрактной моделью. Она используется для разработки сетевых протоколов. Благодаря тому, что эта модель представляет уровневый подход к сети, совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачней. Но из-за того что семиуровневая модель OSI является чисто теоретической, она имеет ряд недоработок. Несмотря на это предпринимались попытки создавать сети в точном соответствии с этой моделью, но такие сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реально применяемые протоколы, вынуждены отклоняться от этой модели, для обеспечения не предусмотренных в ней возможностей, поэтому привязка некоторых из реально применяемых протоколов к уровням OSI является условной. Так некоторые протоколы для обеспечения надёжности передачи данных занимают сразу несколько уровней модели OSI. Стоит отметить основную недоработку модели OSI, она заключается в непродуманном транспортном уровне. В базовой модели этот уровень позволяет производить обмен данными между приложениями, но обмен простыми датаграммами в модели OSI не предусмотрен. Транспортный уровень должен отвечать за образование соединений, доставку и управлять потоком данных. В реально применяемых протоколах такая возможность предусмотрена. Примером таких протоколов могут служить стеки  TCP/IP, IPX/SPX и стек OSI.

    Далее рассмотрим более подробно реально применяемые стеки протоколов. 
 

    Стек  протоколов TCP/IP. 

    Основными протоколами стека TCP/IP, являются протоколы TCP и IP, они и дали название этому набору протоколов. Сами по себе эти протоколы в модели OSI, являются протоколами сетевого(IP) и транспортного(TCP) уровней. Протокол IP отвечает за доставку пакета данных по составной сети, а TCP  за надёжность этой доставки. В настоящее время данный стек протоколов широко используется для связи компьютеров во всемирной сети Internet, а также широко используется в работе различных коммерческих сетей. Так как данный стек был спроектирован до появления модели  OSI, то его привязка к базовой модели OSI является условной, хотя он тоже имеет уровневую структуру. На рисунке 2[8] представлена условная привязка стека TCP/IP к базовой модели OSI.

                                                                                    Рисунок 2 

    Как видно из представленной модели стек протоколов разбивается на четыре уровня. Самый нижний уровень стека TCP/IP – это уровень межсетевых интерфейсов, он соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. В самом стеке этот уровень никак не регламентируется, но, не смотря на это, он поддерживает практически все популярные стандарты передачи для физического и канального уровней. Так для локальных сетей – это Internet, Token Ring, FDDI, а для глобальных сетей это протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP,PPP, которые устанавливают соединение типа точка – точка через последовательные каналы глобальных сетей, а также протоколы территориальных сетей X.25, ISDN. Рассмотрим более подробно некоторые из них. Протокол РРР служит для подключения компьютера к РРР-серверу, который подключен к сети. При этом создаётся такое подключение, которое имитирует доступ к ресурсам сети таким образом, как будто компьютер подключен к этой сети напрямую. Этот протокол используется для установки прямых соединений между узлами сети, для соединения компьютеров с помощью телефонных линий. Также этот протокол используется поверх широкополосных соединений. Во многих случаях протокол РРР применяют провайдеры для предоставления коммутируемого доступа в сеть Интернет, широко используется для доступа в Интернет через мобильные сети, такие как сети GSM, GPRS и EDGE. Установка связи с помощью протокола РРР, происходит в четыре этапа. На первом этапе осуществляется установка связи посредством LCP, с помощью которого осуществляется выбор протоколов аутентификации, шифрования, сжатия, а также производится настройка параметров соединения, таких как, ширина канала, максимальный размер пакетов и других. На втором этапе происходит проверка подлинности пользователя с помощью схем реализуемых на основе протоколов аутентификации выбранных на предыдущем этапе. На третьем этапе происходит контроль подлинности пользователя с помощью повторного вызова, хотя этот этап не является обязательным. И на четвёртом этапе происходит вызов протокола сетевого уровня, который был определён на первом этапе.

    Далее следует уровень межсетевого  взаимодействия, он соответствует сетевому уровню в базовой модели. Этот уровень отвечает за передачу дейтаграмм с использованием различных линий связи. Основным протоколом, работающим на этом уровне, является протокол IP. Этот протокол изначально разрабатывался как протокол, предназначенный для передачи пакетов данных в составных сетях, состоящих из множества локальных сетей, объединенных между собой как локальными, так и глобальными связями. Благодаря этому данный протокол хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя их ресурсы. Сам по себе протокол IP является дейтограмным протоколом, то есть протоколом, который осуществляет передачу пакета без установки соединения. Также к этому уровню относятся протоколы, с помощью которых собирается маршрутная информация, и составляются таблицы маршрутизации, это такие протоколы как RIP и OSPF. На этом же уровне работает протокол ICMP. Это протокол межсетевых управляющих сообщений. Протокол ICMP формирует специальные пакеты, с помощью которых сообщает сетевым устройствам об ошибках передачи, изменении маршрута передачи пакета и другую подобную информацию, то есть этот протокол служит для образования обратной связи между взаимодействующими устройствами. Но это не делает протокол IP надёжным протоколом для передачи данных, для надёжной передачи существует протокол TCP. Сам по себе протокол IP отправляет данные, разбивая их на так называемые пакеты, при этом этот протокол осуществляет отправку не устанавливая предварительного соединения с получателем, это часто приводит к тому, что пакеты приходят не в том порядке, в котором они были отправлены, пакеты могут продублироваться или же не прийти вовсе, также они могут прийти повреждёнными.[8] Чтобы в таких случаях исправить ошибки служат протоколы верхнего уровня такие как ТСР, эти протоколы верхнего уровня используют протокол IP как транспорт для передачи данных.

    Любой узел сети имеет два адреса один логический, это IP-адрес, а другой физический - МАС-адрес. Для пересылки информации  между узлами сети используются оба адреса. На межсетевом уровне стека TCP/IP, работает протокол ARP. Этот протокол предназначен для преобразования IP-адресов в МАС-адрес.  Протокол ARP служит для того чтобы по  IP-адресу получателя выяснить его МАС-адрес. Работает этот механизм следующим образом. IP-протокол, прежде чем создать подключение, проверяет свой ARP-кеш на наличие данных по МАС-адресу получателя. Если такие данные имеются, тогда начинается передача пакетов данных. Если таких данных нет, тогда в работу включается ARP-протокол. Он отправляет широковещательный запрос по сети содержащий IP-адрес получателя, когда получатель получает этот запрос, то в ответ, отправителю он отправляет свой МАС-адрес и вместе с тем получатель отправляет запрос на получение IP-адреса отправителя для проверки. После того как отправитель получает МАС-адрес получателя, он добавляет этот МАС-адрес в свой ARP-кеш, и только после этого начинает передачу пакетов данных. Записи в ARP-кеше хранятся около двух минут, если за это время к этой записи не было обращений, то она удаляется, если же обращения были, то время жизни записи продлевается ещё на две минуты, но в любом случае запись будет, хранится в кеше не более десяти минут, после этого она будет удалена. Если после удаления МАС-адреса понадобится повторить отправку томуже получателю, тогда ARP протокол сформирует и отправит новый запрос на сервер получателя.

    Следующий уровень стека TCP/IP называется основным. Он занимает два уровня базовой модели OSI, транспортный и сеансовый. На нём работают два протокола это ТСР и UDP. Протокол управления передачей ТСР обеспечивает устойчивое виртуальное соединение между удалёнными приложениями, что обеспечивает высокую надёжность соединения, но вместе с тем требует больших ресурсов от сети. Протокол ТСР гарантирует доставку пакетов в том порядке, в каком они были отправлены, исключает дублирование пакетов. В случае потери данных протокол ТСР отправляет повторный запрос данных, поэтому в отличии от протокола UDP, протокол ТСР гарантирует доставку отправления получателю без ошибок и потерь.  Другой протокол UDP -  это протокол передачи дейтаграмм пользователя. Этот протокол передаёт пакеты дейтограммным способом, то есть без установки виртуального соединения, поэтому он требует меньше ресурсов сети по сравнению с протоколом  ТСР. То, что протокол UDP работает без установки соединения, позволяет ему наиболее эффективно и быстро осуществлять доставку пакетов для приложений, которым требуется наибольшая скорость доставки и пропускная способность линий связи.

    Над основным уровнем находится прикладной уровень. Этот уровень стека TCP/IP объединяет в себе два уровня базовой модели, прикладной и уровень представлений. На прикладном уровне стека TCP/IP работает множество протоколов. Это такие протоколы как протокол передачи файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet,  почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW, протокол управления сетями связи SNMP и многие другие. Рассмотрим  более подробно некоторые из них.

    С помощью протокола  пересылки  файлов FTP, на прикладном уровне стека TCP/IP, реализуется возможность удалённого доступа к файлам. Для надежной пересылки, протокол FTP использует транспорт на основе протокола с установкой виртуального соединения. Помимо простой пересылки файлов протокол FTP предлагает множество других сервисов, таких как интерактивная работа с удалённой машиной, назначение типа и формата запоминаемых данных, этот протокол позволяет распечатать содержание каталогов удалённой машины и многое другое. Но из-за того что  протокол FTP предоставляет множество различных сервисов, сам он становится очень сложным для программирования, поэтому если приложению требуется просто передать файл оно может использовать более простой протокол TFTP. В этом протоколе реализована возможность только для передачи файлов, при этом он использует для передачи более простой транспорт, реализованный на основе протокола который работает без установки соединения, что снижает нагрузку на сеть.

    Протокол управления сетями SNMP, также работающий на прикладном уровне, служит для организации сетевого управления. Этот протокол разделяет эту задачу на две. Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия сервера с программой-клиентом. Эти же протоколы определяют форматы имен, адресов и форматы сообщений, которыми обмениваются клиенты и серверы. Вторая задача связана с контролируемыми данными. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в шлюзах, имена этих данных и правила написания  этих имен. Также в протоколе SNMP реализована спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB, она определяет те элементы данных, которые хост или шлюз должен сохранять, и допустимые операции над ними.

        Протокол SMTP, это протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP. Этот протокол работает на прикладном уровне стека TCP/IP. Для того чтобы получатель получил сообщение, этот протокол отправляет его на почтовый сервер того домена, в котором находится адресат. Изначально этот протокол разрабатывался для передачи сообщений в кодировке ASCII, что делало невозможным передачу сообщений на национальных языках, передачу видео и файлов с изображениями, звуковых файлов, программ и архивов, то есть двоичных файлов. Для того чтобы пересылка двоичных файлов стала возможной, был разработан стандарт MIME, в котором был чётко прописан метод перевода двоичных файлов в текстовые, это дало возможность пересылать практически любые типы данных и файлов с помощью этого протокола. Благодаря этой доработке протокол SMTP стал стандартом для передачи электронной почты, он используется всеми серверами и клиентами. Обычно этот протокол используется совместно с протоколом POP3 или IMAP, которые служат для приёма сообщений.[5]

    Сам по себе стек протоколов TCP/IP изначально создавался для работы в сети Internet, но это не мешает его широко использовать для работы в многочисленных локальных, региональных и корпоративных сетях, которые сами не являются частями сети Internet. Чтобы не возникало путаницы, такие сети называют TCP/IP сетями или просто IP-сетями. Благодаря тому, что стек TCP/IP создавался для сетей Internet, он имеет ряд преимуществ перед другими протоколами, в тех случаях, когда локальная сеть имеет связи с глобальной сетью. В случаях применения данного стека в больших сетях, его плюсом является то, что он позволяет применять фрагментацию пакетов. Это объясняется тем, что большие составные сети часто строятся из фрагментов, построенных  на различных принципах передачи данных, из-за этого в каждом фрагменте существуют свои ограничения на длину передаваемого кадра. В этом случае при переходе от фрагмента сети, имеющего больший размер кадра, к сети имеющей меньший размер кадра, может возникнуть необходимость фрагментации передаваемого кадра на несколько частей, с чем прекрасно справляется протокол IP стека TCP/IP.

    Так же одной из особенностей стека TCP/IP, является гибкая система адресации, которая позволяет наиболее просто, по сравнению с другими протоколами, предназначенными для тех же целей, включать в составную сеть сети различных технологий передачи данных. Это делает применение данного стека наиболее удобным при создании больших разнородных сетей. Ещё одной особенностью стека протоколов TCP/IP, является то, что в данном стеке очень мало используются возможности широковещательной передачи. Это даёт преимущества при работе в территориальных сетях с маленькой скоростью передачи данных.

    Но, не смотря на вышеперечисленные достоинства, у данного стека есть и свои недостатки. К ним можно отнести  высокие требования к ресурсам сети и сложность управления. Это происходит из-за того, что в стеке протоколов TCP/IP, реализованы мощные функциональные возможности, которые и требуют больших вычислительных затрат. Сложность в управлении происходит из-за того, что в IP-сетях реализована система гибкой адресации и практически не используются возможности широковещательных рассылок. Поэтому работа IP-сети, невозможна без централизованных служб, таких как DNS и DHCP. Эти службы направлены на облегчение администратирования сети, это с одной стороны, а с другой сами требуют постоянного внимания со стороны системного администратора. Несмотря на перечисленные неудобства стек протоколов TCP/IP, на сегодняшний день является наиболее популярным и широко используемым как в локальных, так и в глобальных сетях. 
 

    Стек  протоколов IPX/SPX. 
 

     Стек протоколов IPX/SPX, был разработан фирмой Novell ещё в начале 80-х годов, для сетевой операционной системы NetWare. Название этому стеку дали протоколы сеансового(SPX) и сетевого(IPX) уровней. Сами по себе эти протоколы являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, которые распространены гораздо меньше чем IPX/SPX. Как видно из рисунка 3[8], при наложении данного стека на базовую модель OSI, он так же как и стек протоколов TCP/IP, объединяет три верхних уровня в один, но в отличии от стека TCP/IP, стек IPX/SPX объединяет и канальный уровень с физическим, то есть получается четырёх уровневая модель OSI.

    На  нижних уровнях стек IPX/SPX поддерживает, так же как и стек TCP/IP, практически все популярные протоколы этих уровней.

    На  сетевом уровне используются протоколы  IPX, RIP и NLSP. На сетевом уровне протокол IPX отвечает за маршрут передачи пакета данных и за адресацию. Маршрутизация протоколом IPX, осуществляется за счет информации полученной от протоколов обмена маршрутной информацией, такими протоколами и являются протоколы RIP и NLSP. Сам протокол IPX поддерживает только дейтаграммный способ рассылки сообщений, благодаря чему он меньше потребляет вычислительные ресурсы системы.