Вычислительные системы сети и телекоммуникаций

Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

Кафедра «Экономическая кибернетика»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Вычислительные системы сети и телекоммуникаций Хабаровск 2012

Содержание Введение 4

1. Способы повышения надежности и производительности 7

2. Эволюция памяти компьютеров на основе оптических носителей. Организация записи данных на компакт-диски. CD-R, CD-RW, DVD диски, развитие форматов 9

2.1 CD 9

2.2 DVD 10

2.3 Blu-Ray против HD DVD 12

2.4 Локальные компьютерные сети 13

2.5 Технология Ethernet 14

2.6 Структура стандартов IEEE 802.x. Уровни LLC и MAC 15

2.7 Метод доступа CSMA/CD 17

2.8 Формат кадра технологии Ethernet 18

2.9 Стандарт 10Base-T 19

2.10 Протоколы TCP/IP как основа Интернет 21

2.11 Многоуровневая модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI 21

2.12 Многоуровневая архитектура стека TCP/IP 23

2.13 Структура IP-пакета 25

3. Маршрутизация IP-пакетов 30

3.1 Протоколы транспортного уровня TCP и UDP 32

3.2 Прикладные протоколы 34

3.3 Протокол FTP 34

3.4 Протоколы РОРЗ и SMTP 34

3.5 Протокол HTTP 35

3.6 Протокол TELNET 35

3.7 Протокол UDP 36

4. Адресация в Интернете: IP и DNS 37

4.1 DNS-адреса Интернета 37

4.2 Классы IP-адресов 38

4.3 Использование масок при IP-адресации 39

4.4 Отображение IP-адресов на локальные адреса. Протокол разрешения адресов ARP 41

4.5 Организация доменов и доменных имен 44

4.6 Служба DNS 46

Список литературы 49

Введение

Принципы организации внешней памяти компьютеров на основе магнитных дисков Магнитные диски компьютера служат для длительного хранения информации (она не стирается при выключении ЭВМ). При этом в процессе работы данные могут удаляться, а другие записываться.

Выделяют жесткие и гибкие магнитные диски. Однако гибкие диски в настоящее время используются уже очень редко. Гибкие диски были особенно популярны в 80−90х годах прошлого столетия.

Гибкие диски (дискеты), называемые иногда флоппи-дисками (Floppy Disk), представляют собой магнитные диски, заключенные в квадратные пластиковые кассеты размером 5,25 дюйма (133 мм) или 3,5 дюйма (89 мм). Гибкие диски позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических дорожек. При записи или чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а головка с помощью специального механизма подводится к нужной дорожке.

Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт.

В отличие от гибких дисков жесткий диск позволяет хранить большие объемы информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять терабайты.

Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском «парят» специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же, как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.

При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.

Дорожка — концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.

Цилиндр — это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.

Сектор — участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.

Кластер — минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.

Любой магнитный диск имеет логическую структуру, которая включает в себя следующие элементы:

загрузочный сектор;

таблицы размещения файлов;

область данных.

Загрузочный сектор (Boot Record) занимает сектор с номером 0. В нем содержится небольшая программа IPL2 (Initial Program Loading 2), с помощью которой компьютер определяет возможность загрузить операционную систему с данного диска.

Особенностью винчестера является наличие помимо загрузочного сектора еще одной области — главного загрузочного сектора (Master Boot Record). Дело в том, что единый жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков. Для главного загрузочного сектора на жестком диске всегда выделяется физический сектор 1. Этот сектор содержит программу IPL1 (Initial Program Loading 1), которая при своем выполнении определяет загрузочный диск.

Таблица размещения файлов используется для хранения сведений о размещении файлов на диске. Для магнитных дисков обычно используются две копии таблиц, которые следует одна за другой, и содержимое их полностью совпадает. Это делается на тот случай, если на диске произошли какие либо сбои, то диск всегда можно «отремонтировать», используя вторую копию таблицы. Если будут испорчены обе копии, то вся информация на диске будет потеряна.

Область данных (Data Area) занимает основную часть дискового пространства и служит непосредственно для хранения данных.

1. Способы повышения надежности и производительности

RAID (Redundant Array of Independent Disk) — матрица независимых дисков с избыточностью. Массивы RAID обеспечивают более надежное хранение ваших данных. Например, если у нас есть два винчестера. Объединив их в один RAID-массив, все, что будет записано на первый винчестер, будет автоматически продублировано на второй. Если с первым винчестером что-то случится (у жестких дисков есть свойство периодически выходить со строя — это может быть 1 раз в 5 лет, но все равно терять данные не хочется), то мы сможем восстановить свои данные со второго винчестера. Описанный способ является далеко не единственным способом организации RAID-массива. Алгоритм работы RAID-массива зависит от уровня RAID. Всего существует 6 уровней:

RAID 0 предназначен не для обеспечения надежности, а для увеличения суммарного объема диска. Предположим, у нас есть два винчестера по 200 Гбайт. Объединив их в один винчестер, мы получим один диск на 400 Гбайт. Очень удобно, если мы работаем с видео (имеется в виду профессиональный видеомонтаж, а не просто просмотр фильмов)

RAID 1 Простое зеркальное копирование, как было описано выше. Все, что записано на первый жесткий диск, будет продублировано на второй. Желательно, чтобы диски были одного размера. Если это не так, то размер RAID-массива будет равен размеру меньшего диска В RAID 2 используется метод битового чередования блоков данных, при этом добавляются коды коррекции ошибок

RAID 3 — это усовершенствованный уровень 2: коды коррекции ошибок записываются на другой диск

RAID 4 — усовершенствованный уровень 3: практически то же самое, но изменен метод записи контрольных кодов

RAID 5 — самый надежный уровень. Использует контрольные суммы, и данные записываются вместе с контрольными кодами на все диски. Если с одним из дисков что-то случилось, то данные можно восстановить с помощью контрольной суммы. Общий размер массива вычисляется по формуле M x (N — 1), N— это количество дисков в массиве, а М — размер наименьшего диска. Минимальное значение N= 3.

2. Эволюция памяти компьютеров на основе оптических носителей. Организация записи данных на компакт-диски. CD-R, CD-RW, DVD диски, развитие форматов Впервые, идея оптической записи появилась в 1965 году, в американском институте Battelle Memorial, штат Огайо. Эта технология тогда еще была крайне примитивной — фотографическим методом на диск наносились темные точки и черточки. Для считывания информации диск просвечивался специальной лампой.

2.1 CD

Ученый Джеймс Расселл запатентовал свое технологию в 1970 году. Ему же принадлежит и идея использования лазера в качестве источника света.

В 1979 году компании Philips и Sony заключили договор о совместной разработке нового носителя. Уже через год, компании представили новый стандарт, получивший название CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Это был диск с диаметром в 12 сантиметром объем в 650 Мбайт или 74 с половиной минуты звучания. Позднее большее распространение получили диски 700 и более МГБ — эти компьютерные лазерные диски были названы CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory, компакт-диск — память только для чтения).

В конце 90-х годов устройство для работы с CD-ROM стало стандартным компонентом любого персонального компьютера. Позже был разработан новый стандарт записи информации на специальные компакт-диски. После записи диски можно было читать на обычных дисководах CD-ROM.

Компакт-диски, поддерживающие однократную запись, были названы CD-R (Compact Disk — Recordable: компакт-диск для записи). Позже появились диски с возможностью многократной записи CD-RW (Compact Disk — Rewritable: компакт-диск с функцией перезаписи).

2.2 DVD

1994 году стало известно, что альянс Philips и Sony занимается разработкой диска высокой плотности, основанного на базе технологии CD. Новый стандарт получил название DVD (Digital Video Disk или Digital Versatile Disk — обе расшифровки верны). И прежде чем остановится на этой аббревиатуре, производители называли свою разработку то MMCD (Multi Media CD), то HD-CD (High Density Compact Disk). Кстати, правами на аббревиатуру DVD никто не обладает.

Как оказалось в дальнейшем, подобными разработками занимаются и другие крупные производители (к примеру, Toshiba). Так как существование двух схожих форматов могло привести ко множеству совершенно не нужных проблем, 8 декабря 1995 года производители объединились в DVD Consortium, несколько позднее переименованный в DVD Forum.

Диски нового формата внешне ничем не отличались от обычных CD. Но объем информации удалось увеличить с 650 Мбайт до 4,7 Гбайт. Так же немаловажно то, что проигрыватели DVD без проблем могли воспроизводить и обычные CD, а следовательно не возникало никаких проблем со стандартами. Благодаря появлению DVD, стало возможным получить высокое качество звука и изображения в домашних условиях. Формат довольно быстро стал популярным. На сегодняшний день в DVD Forum входит больше 250 компаний по всему миру. И уже не верится, что в свое время иные аналитики название DVD в шутку расшифровывали как «Dead, Very Dead», предрекая скорую смерть стандарта.

Некоторые проблемы стандартизации возникли лишь когда появились первые DVD с возможностью записи. В мире появились два стандарта — DVD+R и DVD-R. Каждый из них обладал своими преимуществами и недостатками, малопонятными рядовому пользователю. Впрочем, особых проблем у пользователей не возникало. Нужно лишь было следить за тем, чтобы приобретаемый диск поддерживался имеющимся в наличии проигрывателем (DVD-R были более распространены). Да довольно быстро появились универсальные проигрыватели и рекордеры, поддерживающие оба стандарта. На сегодняшний день не все пользователи даже знают о существовании различных стандартов.

Так же как CD DVD компакт-диски имеют формат DVD-R-поддерживающие однократную запись и формат DVD-RW — возможность многократной перезаписи.

Созданные на базе DVD-R диски DVD-RW, первоначально имели неприятность, связанную с несовместимостью старых приводов с этими новыми дисками (проблема заключалась в отличии оптического слоя, ответственного за «запоминание» информации, который имел меньшую (по сравнению с носителями с однократной записью и штампованными дисками) отражающую способность). В дальнейшем данная проблема была почти полностью решена, хотя раньше именно из-за этого старые DVD-приводы не могли нормально проигрывать новые перезаписываемые диски.

Так как при разработке стандартов DVD-R и DVD-RW не были учтены разработки фирм Sony, Philips и некоторых других, то эти производители записывающих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RW Alliance (англ.), который и разработал в середине 2002 года стандарт DVD+R (W).

Созданный альтернативный формат, получивший название DVD+R и DVD+RW, имел другой материал отражающего слоя и специальную разметку, облегчающую позиционирование головки. С помощью этого диски DVD+RW способны в несколько приемов осуществлять запись (поверх существующей), как в обычном кассетном видеомагнитофоне, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого (для DVD-RW вначале необходимо целиком стереть имеющуюся запись).

Помимо этого, во время использования перезаписываемых «плюсовых» дисков количество ошибок уменьшается, а корректность записи увеличивается, в результате чего сбойный сектор можно с легкостью перезаписать, а не стирать и не записывать весь диск заново. Следовательно, если вы намерены активно пользоваться функцией перезаписи и записи, лучше выбрать рекордер, поддерживающий «плюсовой» формат (на что сейчас способно большинство моделей).http://ru.wikipedia.org/wiki/DVD — cite_note-4#cite_note-4

2.3 Blu-Ray против HD DVD

Лишь недавно закончилась очень напряженная борьба двух новых стандартов — HD DVD против Blu-Ray. Обы стандарта обладают своими преимуществами и недостатками, у обоих были свои могущественные покровители, в лице крупнейших корпораций. И предсказать победу той или иной стороны было делом довольно затруднительным.

Потребность в новых стандартах возникла, благодаря внедрению телевидения высокой четкости (HDTV) в Японии и США. Соответственно потребовались и диски для хранения информации огромных объемов. В результате появились новые стандарты, в основу которых легло излучение излучение с длиной волны 405 нм, находящейся в голубом секторе спектра (отсюда и название Blu-Ray). Объемы новых дисков теоретически могут зашкаливать аж за 200 Гб (на практике правда все получается значительно скромнее).

Разработкой спецификаций HD DVD занимались компании NEC и Toshiba. Позже к ним присоединились так же Microsoft и Intel. О спецификации HD DVD-ROM версии 1.0 впервые было заявлено еще в средине 2004 года (тогда он назывался AOD — Advanced Optical Disc). Его главное приимущество состоит в том, что принцип работы считывающей головки мало чем отличается от обычного DVD, благодаря чему проще достичь совместимости стандартов. Да и на цене это сказывалось самым положительным образом — проигрыватели HD DVD с самого начала стоили значительно дешевле своих конкурентов и не намного выше обычных DVD-проигрывателей.

Формат Blu-Ray Disc (BD) поддерживало гораздо больше компаний — это Dell, Hitachi, HP, LG, JVC, Matsushita, Samsung, Pioneer, Philips, Sharp, Sony, Thomson, Mitsubishi, TDK и Walt Disney. Однако, наличие такого количества не обеспечило формату быстрой и безоговорочной победы. Прошло несколько лет, прежде чем в мире признали, что проиграл HD DVD.

2.4 Локальные компьютерные сети Локальные сети объединяют компьютеры одного здания или нескольких рядом расположенных зданий в единую сеть, при этом технологии локальных сетей обеспечивают экономичное соединение компьютеров за счет использования стандартных топологий и качественных кабельных систем.

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня Ethernet рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них среде передачи данных — отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями.

Для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени. Наиболее явным образом режим совместного использования появляется в сетях Ethernet шинной топологии, где коаксиальный кабель является физически неделимым, общим для всех узлов сети.

2.5 Технология Ethernet

Ethernet — самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов.

В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанной на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 г. Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосети, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирма DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различая все же имеются. В то время как в стандарте IEEE 802.3 функции протокола разделены на уровни MAC и LLC, в оригинальном стандарте Ethernet они объединены в единый канальный уровень. В Ethernet DIX определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы отличить стандарт Ethernet, определенный IEEE, и фирменный стандарт Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным стандартом оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации — 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во много не являлся самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3u. Аналогично, принятый 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. В более скоростных версиях Ethernet применяют более эффективные в отношении полосы пропускания избыточные логические коды.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод CSMA/CD.

2.6 Структура стандартов IEEE 802.x. Уровни LLC и MAC

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802. x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплексов международных стандартов ISO 8802−1.х. Эти стандарты были созданы на основе распространённых фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet, Token Ring.

Стандарты семейства IEEE 802. x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI — физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Рис. Структура стандартов IEEE 802. x

Специфика локальных сетей так же нашла свое отражение в разделении канального уровня (Data Link Layer) на два подуровня которые часто называют уровнями:

управление логическим каналом (Logical Link Control, LLC);

управление доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее с определенным алгоритмом в распоряжение того или иного узла сети. В совместных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяет специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethrnet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

После того как доступ к среде получен, ей может пользоваться более высокий уровень — уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг.

Уровень LLC отвечает за передачу с различной степень надежности кадров данных между узлами, а так же реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно уровень LLC принимает запрос от сетевого протокола на выполнение транспортной операции канального уровня с тем или иным качеством. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг.

2.7 Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом количественного доступа с опознавание несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей среде, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду.

Простота схемы подключения — один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

2.8 Формат кадра технологии Ethernet

На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используется кадры 4 различных форматов (типов).

Кадр 802.3/LLC (или кадр 802.3/802.2, или кадр Novell 802.2);

Кадр RAW 802.3(или кадр Novell 802.3);

Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

Кадр Ethernet SNAP.

Стандарт технологии Ethernet, определенный документ в документе IEEE 802.3, дает описание формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладывается кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков подуровней MAC и LLC.

Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet (в котором был описан определенный формат кадра) в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличая касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet.

Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet.

Четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и к приданию кадру необходимой гибкости для учета добавления полей или изменения их назначения в будущем.

2.9 Стандарт 10Base-T

Стандарт 10Base-T принят в 1991 году, как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet, и имеет обозначение 802.3i.

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель неэкранированной витой пары категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок NEXT и некоторые другие параметры его качества) телефонные компании уже достаточно давно использовали для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель Voice Grade предназначен для передачи голоса.

Удалось приспособить этот вид кабеля для построения локальных сетей, т.к. для этого только требовалось заменить трансивер сетевого адаптера или порта маршрутизатора, а метода доступа и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные с центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющий трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности (link test) и основана на передачи каждые 16мс специальных импульсов J и K манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то порт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и K являются запрещенными при передачи кадров, то текстовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.

Появления между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.

2.10 Протоколы TCP/IP как основа Интернет

TCP/IP — это два основных сетевых протокола Internet. Часто это название используют и для обозначения сетей, работающих на их основе. Протокол IP (Internet Protocol — IP v4) обеспечивает маpшpутизацию (доставку по адpесу) сетевых пакетов. Протокол TCP (Transfer Control Protocol) обеспечивает установление надежного соединения между двумя машинами и собственно передачу данных, контpолиpуя оптимальный pазмеp пакета передаваемых данных и осуществляя пеpепосылку в случае сбоя. Число одновpеменно устанавливаемых соединений между абонентами сети не ограничивается, т. е. любая машина может в некоторый промежуток времени обмениваться данными с любым количеством других машин по одной физической линии.

Протокол IP — это протокол, описывающий формат пакета данных, передаваемого по сети.

Протокол TCP — это протокол следующего уровня, предназначеный для контроля передачи и целостности передаваемой информации.

2.11 Многоуровневая модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization — ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах

вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной — соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

Физический уровень (Physical layer). Данные представляются в виде электрических импульсов, пучков света, электромагнитных волн, что кодируют биты. Задача состоит в создании физического канала для отправки битов.

Канальный уровень (Data Link layer). Обеспечивает передачу данных через физический канал.

Сетевой уровень (Network layer). Обеспечивает передачу данных между сетями в пределах области под названием internetwork. Где internetwork — это объединение двух и более сетей с общими принципами маршрутизации (проще сказать, сеть сетей).

Транспортный уровень (Transport layer). Обеспечивает доставку данных конкретному приложению на рабочей станции или сервере. На этом уровне появляется адресация — порты. Так, например, если приходит сообщение на 80-й порт, то оно передается процессу веб-сервера, который слушает этот порт.

Сессионный уровень (Session layer). Создает и управляет диалогами и сессиями между приложениями. Приложение должно различать разные потоки данных в пределах одного соединения. Например, приложение может одновременно запрашивать два файла с одного сервера, при этом оно будет различать потоки.

Уровень представлений (Presentation layer). Здесь данные кодируются, сжимаются или шифруются. Например, отправляя сообщение, его нужно предварительно сжать для уменьшения трафика, то это задача именно этого уровня.

Уровень приложений (Application layer). Организовывает интерфейс между приложениями. То есть описывает структуру сообщения понятного приложению.

Семейство TCP/IP имеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных; UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных; и SCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP, в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протокол ICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами).

2.12 Многоуровневая архитектура стека TCP/IP

Протоколы каждого уровня строятся на основе тех, которые соответствуют более низкому уровню. Данные проходят вниз по стеку протоколов на машине-отправителе, затем движутся по физической сети и поднимаются вверх по стеку протоколов на машине-адресате. Например, прикладная программа, «думающая», что использует только протокол UDP, на самом деле вызывает протоколы UDP, IP и физической сети.

Ниже канального уровня расположен только аппаратный уровень, который определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами (уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и др.)

Протоколы, обеспечивающие функции канального уровня, тесно связаны с физической (аппаратурной) средой, в которой они работают, например, Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP, ISDN и др. В семействе TCP/IP нет протоколов, принадлежащих этому уровню, за счет этого и достигается аппаратная независимость семейства TCP/IP. Однако в состав семейства входят протоколы ARP и RARP, обеспечивающие взаимодействие между данным — канальным уровнем и следующим — сетевым уровнем TCP/IP, а именно, обеспечивающие трансляцию сетевых адресов в адреса локальной сети.

К сетевому уровню в TCP/IP относится межсетевой протокол IP, который является базовым в структуре TCP/IP и обеспечивает доставку пакета по месту назначения — маршрутизацию, фрагментацию и сборку поступивших пакетов на хосте получателя Этому уровню принадлежит протокол ICMP, в функции которого входят, в основном, сообщения об ошибках и сбор информации о работе сети.

Оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей выбирают протоколы маршрутизации К ним относятся такие протоколы как RIP, EGP BGP OSPF и др.

Транспортный уровень предоставляет услуги по транспортировке данных. Эти услуги избавляют механизмы передачи данных прикладного уровня от необходимости вникать в детали транспортировки данных. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов как надежная и достоверная транспортировка данных через сеть. Транспортный уровень реализует механизмы установки, поддержания и упорядоченного закрытия соединений, механизмы систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки, управления потоком данных.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Кроме того, протоколы прикладного уровня определяют, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи. Прикладной уровень отвечает также за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой на прикладном уровне другой системы. При необходимости он осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата и структур данных, а также согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня. Прикладной уровень устанавливает и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами, управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между объектами и yпpавляет обменом информации между ними. Кроме того, прикладной уровень предоставляет средства для отправки информации и уведомления об исключительных ситуациях передачи данных.

2.13 Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру

Рис. Структура заголовка IP-пакета Поле Номер версии (Version), занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options). Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence), Приоритет может иметь значения от самого низкого — 0 (нормальный пакет) до самого высокого — 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т — для максимизации пропускной способности, а бит R — для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP, дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF). Значения идентификаторов для различных протоколов приводятся в документе RFC «Assigned Numbers».

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма — 16 бит — подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля «контрольная сумма» устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Destination IP Address) имеют одинаковую длину — 32 бита — и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

3. Маршрутизация IP-пакетов

IP маршрутизация это довольно простой процесс, особенно с точки зрения хоста. Если пункт назначения напрямую подключен к хосту (например канал точка-точка) или хост включен между несколькими сетями (Ethernet или Token ring), IP датаграмма направляется непосредственно в пункт назначения, иначе хост посылает датаграмму на маршрутизатор по умолчанию, тем самым предоставляя маршрутизатору решать как доставить датаграмму в пункт назначения. Эту простую схему реализуют практически все хосты.

Большинство многопользовательских систем в настоящее время, включая практически каждую UNIX систему, могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы выступать в роли маршрутизатора. Существует возможность указать простой алгоритм маршрутизации, который будет использоваться как хостом, так и маршрутизатором. Основная и фундаментальная разница между хостом и маршрутизатором заключается в том, что хост никогда не перенаправляет датаграммы с одного своего интерфейса на другой, тогда как маршрутизатор перенаправляет. В соответствии с общей схемой, IP может получать датаграммы от собственных уровней TCP, UDP, ICMP и IGMP (это датаграммы, формирующиеся здесь же), которые необходимо отправить, однако датаграммы могут быть приняты с какого-либо сетевого интерфейса (эти датаграммы должны быть перенаправлены). IP уровень имеет в памяти таблицу маршрутизации, которую он просматривает каждый раз при получении датаграммы, которую необходимо перенаправить. Когда датаграмма принята с сетевого интерфейса, IP, во-первых, проверяет, не принадлежит ли ему указанный IP адрес назначения или не является ли этот IP адрес широковещательным. Если это так, то датаграмма доставляется в модуль протокола, указанный в поле протокола в IP заголовке. Если датаграмма не предназначается для этого IP уровня, если IP уровень был сконфигурирован для того чтобы работать как маршрутизатор, пакет перенаправляется (в этом случае датаграмма обрабатывается как исходящая), иначе датаграмма молча уничтожается.

IP маршрутизация осуществляется по принципу пересылка-за-пересылкой. IP не знает полный маршрут к пункту назначения (за исключением тех пунктов назначения, которые непосредственно подключены к посылающему хосту). Все что может предоставить IP маршрутизация — это IP адрес маршрутизатора следующей пересылки, на который посылается датаграмма. При этом делается предположение, что маршрутизатор следующей пересылки ближе к пункту назначения, чем посылающий хост. Также делается предположение, что маршрутизатор следующей пересылки напрямую подключен к посылающему хосту.

IP маршрутизация осуществляет следующие действия:

Осуществляется поиск в таблице маршрутизации, при этом ищется пункт, который совпадет с полным адресом пункта назначения (должен совпасть идентификатор сети и идентификатор хоста). Если пункт найден в таблице маршрутизации, пакет посылается на указанный маршрутизатор следующей пересылки или на непосредственно подключенный интерфейс (в зависимости от поля флагов). Как правило, так определяются каналы точка-точка, при этом другой конец такого канала, как правило, является полным IP адресом удаленного хоста.

Осуществляется поиск в таблице маршрутизации пункта, который совпадет, как минимум, с идентификатором сети назначения. Если пункт найден, пакет посылается на указанный маршрутизатор следующей пересылки или на непосредственно подключенный интерфейс (в зависимости от поля флагов). Маршрутизация ко всем хостам, находящимся в сети назначения, осуществляется с использованием этого единственного пункта таблицы маршрутизации. Например, все хосты локальной сети Ethernet представляются в таблицах маршрутизации именно таким образом. Эта проверка совпадения идентификатора сети осуществляется с использованием возможной маски подсети.

В таблице маршрутизации ищется пункт, помеченный «по умолчанию» (default). Если пункт найден, пакет отсылается на указанный маршрутизатор по умолчанию.

Если ни один из шагов не дал положительного результата, датаграмма считается недоставленной. Если недоставленная датаграмма была сгенерирована данным хостом, то обычно возвращается ошибка «хост недоступен» (host unreachable) или «сеть недоступна» (network unreachable). Этот код ошибки возвращается приложению, которое сгенерировало датаграмму.

В начале всегда осуществляется сравнение на совпадение полного адреса хоста, после чего осуществляется сравнение идентификатора сети. Только в том случае, если результат обеих сравнений отрицательный, используется маршрут по умолчанию. Маршруты по умолчанию и сообщения ICMP о перенаправлении, отправляемые на маршрутизатор следующей пересылки, являются довольно мощными характеристиками IP маршрутизации.

Еще одна фундаментальная характеристика IP маршрутизации заключается в возможности указать маршрут к сети, вместо того, чтобы указывать маршрут к каждому отдельно взятому хосту. Именно поэтому хосты включенные в Internet, например, имеют в своих таблицах маршрутизации тысячи пунктов, вместо того чтобы содержать в них не более чем миллион пунктов.

3.1 Протоколы транспортного уровня TCP и UDP

На транспортном уровне модели OSI выделяют 2 интернет протокола:

Интернет протокол TCP

Интернет протокол UDP

Интернет протокол TCP (Transmition Control Protocol) обеспечивает гарантированную передачу данных до узла назначения. А второй протокол UDP (User Datagram Protocol) соответственно не гарантирует доставку дейтаграммы до узла назначения. Термином дейтаграмма на транспортном уровне называется блок данных. Давайте теперь рассмотрим в отдельности каждые из 2 интернет протоколов транспортного уровня Основными функциями протокола TCP являются следующие:

передает данные, используя дуплексную передачу с заранее установленным логическим соединением, т. е. виртуальным каналом, что и гарантирует точную доставку мультиплексирование/демультиплексирование дейтаграмм различные функциональные механизмы для надежной доставки сообщений Протокол UDP является одним из двух основных протоколов транспортного уровня, расположенных непосредственно над IP. Он предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку датаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец.

Другими словами, его пакеты могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором они были отправлены. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле «порт», обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле — «контрольная сумма» — позволяет поддерживать целостность данных. Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS и SNMP.

3.2 Прикладные протоколы Протоколы прикладного уровня служат для передачи информации конкретным клиентским приложениям, запущенным на сетевом компьютере. В IP-сетях протоколы прикладного уровня опираются на стандарт TCP и выполняют ряд специализированных функций, предоставляя пользовательским программам данные строго определенного назначения. Ниже мы кратко рассмотрим несколько прикладных протоколов стека TCP/IP.

3.3 Протокол FTP

компьютер диск сеть Как следует из названия, протокол FTP (File Transfer Protocol) предназначен для передачи файлов через Интернет. Именно на базе этого протокола реализованы процедуры загрузки и выгрузки файлов на удаленных узлах Всемирной Сети. FTP позволяет переносить с машины па машину не только файлы, но и целые папки, включающие поддиректории на любую глубину вложений. Осуществляется это путем обращения к системе команд FTP, описывающих ряд встроенных функций данного протокола.

3.4 Протоколы РОРЗ и SMTP

Прикладные протоколы, используемые при работе с электронной почтой, называются SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и РОРЗ (Post Office Protocol), первый «отвечает» за отправку исходящей корреспонденции, второй — за доставку входящей.

В функции этих протоколов входит организация доставки сообщений e-mail и передача их почтовому клиенту. Помимо этого, протокол SMTP позволяет отправлять несколько сообщений в адрес одного получателя, организовывать промежуточное хранение сообщений, копировать одно сообщение для отправки нескольким адресатам. И РОРЗ, и SMTP обладают встроенными механизмами распознавания адресов электронной почты, а также специальными модулями повышения надежности доставки сообщений.

3.5 Протокол HTTP

Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) обеспечивает передачу с удаленных серверов на локальный компьютер документов, содержащих код разметки гипертекста, написанный на языке HTML или XML, то есть веб-страниц. Данный прикладной протокол ориентирован прежде всего на предоставление информации программам просмотра веб-страниц, веб-браузерам, наиболее известными из которых являются такие приложения, как Microsoft Internet Explorer и Netscape Communicator.

Именно с использованием протокола HTTP организуется отправка запросов удаленным http-серверам сети Интернет и обработка их откликов; помимо этого HTTP позволяет использовать для вызова ресурсов Всемирной сети адреса стандарта доменной системы имен (DNS, Domain Name System), то есть обозначения, называемые URL (Uniform Resource Locator) вида http:/ /www.domain.zone/page.

3.6 Протокол TELNET

Протокол TELNET предназначен для организации терминального доступа к удаленному узлу посредством обмена командами в символьном формате ASCII. Как правило, для работы с сервером по протоколу TELNET на стороне клиента должна быть установлена специальная программа, называемая telnet-клиентом, которая, установив связь с удаленным узлом, открывает в своем окне системную консоль операционной оболочки сервера. После этого вы можете управлять серверным компьютером в режиме терминала, как своим собственным (естественно, в очерченных администратором рамках). Например, вы получите возможность изменять, удалять, создавать, редактировать файлы и папки, а также запускать на исполнение программы на диске серверной машины, сможете просматривать содержимое папок других пользователей. Какую бы операционную систему вы ни использовали, протокол Telnet позволит вам общаться с удаленной машиной «на равных». Например, вы без труда сможете открыть сеанс UNIX на компьютере, работающем под управлением MS Windows.