Информационные сети
предпосылки появления сетей
Достоинства компьютерных сетей: коллективное использование распределенных ресурсов; высокая эффективность и экономичность обработки информации за счет специализации компьютеров; рациональное использование каналов связи; открытость архитектуры; территориальное распределение данных; охват значительной территории.
Распределенная информационно- вычислительная сеть представляет собой взаимосвязанный набор: оконечного оборудования данных – ООД, генерирующего и (или) потребляющего информацию из сети передачи данных (сети связи), аппаратуру передачи данных АПД, которая обеспечивает обмен информацией между единицами оконечного оборудования.
Оконечное оборудование данных компьютеры, где выполняются программы и обрабатываются данные; системы хранения данных (файловые службы, базы данных и т.д.); интеллектуальные устройства ввода и отображения данных (службы высококачественной печати, графические станции, видеотерминалы, телекамеры и т.п.); программируемые устройства управления станками, регуляторы, сенсоры и т.д.
Архитектура сети – совокупность принципов и правил функционально- логической и структурно-физической реализации отдельных компонентов сети. Она определяет: физическую структуру информационной сети логическую структуру информационной сети
Классификация информационно- вычислительных сетей
по функциональному признаку: коммуникационная – только для передачи данных, ресурсоделения, распределенной обработки данных (каждая ЭВМ выполняет определенные самостоятельные задачи),
в зависимости от пространственной организацию сети передачи данных: глобальные (СПД – тысячи и более километров), региональные, часто их называют корпоративными (СПД – сотни километров), локальные (СПД – до 10 километров)
Топологические схемы СПД: иерархическая; кольцо; шина; звезда
по способу соединения абонентов в процессе передачи данных через сети коммутации: каналов – коммутируются физические каналы для обеспечения цепи передачи данных через сеть, сообщений – обеспечивается логическая цепь каналов передачи и коммутируются сообщения сети; пакетов, на которые разделяется сообщение;
Метод коммутации каналов целесообразно использовать в системах, где абоненты регулярно обмениваются большими потоками информации в реальном масштабе времени(как при телефонных разговорах). Для передачи коротких сообщений с длительными паузами целесообразно использовать метод коммутации сообщений.
В сетях с коммутацией пакетов поступающее от абонента сообщение подвергается в интерфейсных процессорах пакетированию – разбивается, фрагментируется на пакеты, имеющие фиксированную длину, например, 1 Кбайт. Пакеты метятся служебной информацией – заголовком, указывающим адрес пункта сообщения и номер пакета в сообщении. Пакеты транспортируются в сети как независимые сообщения и поступают в узел коммутации пакетов, где накапливаются в буферах каналов связи.
Достоинство коммутации пакетов: возможность одновременной передачи пакетов одного и того же сообщения разными маршрутами, что уменьшает и увеличивает надежность передачи сообщения; обеспечивает наименьшую задержку при передаче данных и наибольшую пропускную способность сети передачи данных, особенно заметную при передаче коротких сообщений, характерных для диалогового режима.
по зависимости от осуществления в транспортных сетях передачи информационных пакетов: Дейтаграммные Виртуальные;
Дейтаграмма – пакет, который движется по сети независимо от других пакетов, даже порожденных одним и тем же процессом и самостоятельно приходит к месту назначения по указанному адресу. Формат дейтаграммы позволяет реализовать следующие возможности: передачу логических единиц информации; организовать неограниченное число логических соединений по одному физическому каналу; прием только «своих», игнорируя чужие пакеты.
Время доставки слева растет при размножении заголовков, справа – при повторе передач из-за ошибок
По алгоритмам маршрутизации Простая: случайная – прибывший пакет посылается в случайном направлении, исключая исходное; лавинная – пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного; по предыдущему опыту, уже когда выбор маршрута осуществляется по таблице, которая строится в результате анализа проходящих через узел маршрутизации адресных пакетов.
фиксированная маршрутизация В алгоритмах фиксированной маршрутизации все таблицы маршрутизации являются статическими. Администратор в процессе загрузки вручную составляет таблицу маршрутизации. Различают: одномаршрутные таблицы - для каждого адресата указан один путь многомаршрутные таблицы, определяющие несколько альтернативных путей для каждого адресата.
адаптивная (динамическая) маршрутизация автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети. Протоколы, реализующие эти алгоритмы, позволяют собирать информацию о топологии связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения в конфигурации связей
Алгоритмы адаптивной маршрутизации делятся на две группы: дистанционно-векторные (Distance Vector Algoritms, DVA). Каждый узел маршрутизации узнает обо всех имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них. состояния связей (Link State Algoritms, LSA). обеспечивают каждый узел маршрутизации информацией, достаточной для построения точного графа его связей со всеми узлами маршрутизации.
по моделям ЭВМ и математическому обеспечению: гомогенные (используется только один тип ЭВМ), гетерогенные;
по признаку организации управления: с централизованным контролем и управлением, с распределенным контролем и управлением, со смешанным контролем и управлением;
по методу доступа к среде передачи данных: детерминированные: ARСNET, Token Ring – маркерный доступ (права), тактированный; случайные: ALOHA, CSMA, CSMA/SD – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий; смешанные: CSMA/CA.
Типы используемых каналов связи Назначению (телеграфные, телефонные, телевизионные, телеметрические, передачи данных и т. д) характеру линии связи; диапазону частот; характеру сигналов на входе и выходе каналов и т.д.
Основные характеристики канала связи: пропускная способность -максимальная скорость передачи данных (бод-бит/с). достоверность передачи данных- вероятность искажения бита.
Характеристики пропускной способности различных линий п/п Тип линии связи Диапазон частот, Гц Возможное число каналов ТЛФ Скорость передачи данных 1 Воздушные проводные (48, 24)10 Кбод 2 Многожильные линии (48, 24)50 Кбод 3 Симметричный кабель (на витых парах) Мбод 4 Коаксиальный кабель Мбод 5 Радиорелейная линия Мбод 6 Спутниковый канал Мбод 7 Волноводная линия Гбод 8 Световод (оптоволоконный кабель) Гбод
Эталонная модель информационной сети
В 1984 году комитет по вычислительной технике и обработке информации – ISO (International Organization for Standartization – международной организации по стандартизации) приняло версию эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection – открытая система взаимосвязи, соединения).
Модель OSI/ISO создала основу как для анализа сетевых структур, так и для определения новых систем и стандартов. Стандартизация построения компонентов модели OSI явилась мощным толчком к развитию сетевых архитектур (в большей степени малых дешевых ЛВС).
Семиуровневая модель OSI
Протокол – совокупность логических и процедурных характеристик механизма связи между функциональными компонентами одного уровня разных узлов сети. Верхние уровни способны интерпретировать переданную информацию и тем самым обеспечивать взаимодействие обоих вычислительных процессов. Нижние уровни протоколов лишь обеспечивают передачу информации через сеть связи, не заботясь о ее смысле.
Межуровневый интерфейс – устанавливает правила взаимодействия между функциональными компонентами смежных уровней одного узла сети. `
Ввод, вывод сообщений производится через логические, программно реализованные точки, называемые портами, предназначенными для реализации различного рода сервисов в информационных сетях.
Прикладной (пользовательский) уровень Уровень 7 – прикладной (Application) – самый верхний уровень модели OSI, на котором расположен протокол общения абонента с сетью. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень в сети обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя: передачу файлов, до-ступ к базам данных, электронную почту и т.д.
Пользовательский уровень содержит три прикладных процесса: пользователей, определяемых программами; сервисные, представляемые пользователям; административного управления сетью.
Пример протоколов прикладного уровня: 1) ISO 8650/2 CASE Association Control Service Elements; 2) ISO 8571 File Transfer Access and Management.
Представительный уровень Уровень 6 – представительный (Presentation), определяет процедуру представления передаваемой информации в нужную сетевую форму. В простейших случаях желательно обеспечить возможность взаимодействия сетевых устройств с различной кодировкой и различными наборами символов, а в более сложных необходим обмен между программами, написанными на разных языках, взаимодействие различных ОС и т.д.
На компьютере-отправителе данные, поступившие от уровня 7, на уровне 6 переводятся в общепринятый промежуточный формат. На компьютере- получателе на уровне 6 происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется уровнем 7 данного компьютера.
Функции представительного уровня – обеспечение форм стандартного изображения информации; – обеспечение стандартного представления процедур обмена информацией; – обеспечение управления представлением данных для конечного пользователя; – преобразование форматов файлов и кодов для разноязыковых программ; – сжатие данных и кодирование информации.
Примеры протоколов уровня представления: 1) ISO 8823 OSI Connection-Oriented Presentation Protocol; 2) CCITT Х.409 Presentation Transfer Sintax and Notation.
Сеансовый уровень Назначение состоит в организации сеансов связи между прикладными процессами. Устанавливаются места, где вычисляются запрашиваемые функции или где расположены запрашиваемые данные, проверяется: располагают ли оконечные устройства необходимыми ресурсами для обмена. Стандартизуются процессы установления сеанса и его завершения.
Функции сеансового уровня организация сеанса и проведение обмена данными; идентификация сеанса (выделение его из множества других); восстановление сеанса после устранения ошибок или прекращения его; определение мест нахождения данных, привязка ресурсов к виртуальному каналу.
На уровне 5 кончаются протоколы верхних уровней и начинаются протоколы нижних уровней, обслуживающие транспортную сеть. Выход информации в транспортную сеть осуществляется через порт. Каждый процесс выходит в сеть через свои порты, а число портов у каждого процесса равно числу адресов, с которыми он взаимодействует в данный момент.
Перед выходом через порт в транспортную сеть информации пользователя приписывается заголовок того процесса, который породил эту информацию. Этот заголовок – подпись автора данной информации. В таком виде (информация + заголовок) она называется сообщением. Это сообщение через порт процесса, его породившего, поступает в транспортную сеть для передачи адресату по протоколам нижних уровней.
Примеры протоколов сеансового уровня: ISO 8327 OSI Connection-Oriented Session Protocol; CCITT T.62 Control Procedure.
Транспортный уровень Обеспечивает передачу информации через всю транспортную сеть от одного ее порта к другому. В соответствии с протоколом данного уровня сообщения разбиваются на одинаковые фрагменты и каждому фрагменту приписывается заголовок передачи, где указывается номер фрагмента и имя порта назначения.
В таком виде фрагмент с заголовком передачи называют блоком. На приемном конце сети этот четвертый уровень управления снимает заголовок передачи, читает в нем имя нужного порта и номер фрагмента, собирает из фрагментов сообщение и отправляет его через указанный порт адресату, а также обычно посылает сигнал подтверждения приема.
Функции транспортного уровня – обмен управляющей информацией между системами; – передача информации от ее источника потребителю, с разбиением сообщений на фрагменты (передающий узел) и сборкой из фрагментов сообщений (приемный узел); – обнаружение ошибок, накопленных за весь путь от порта до порта; – восстановление передачи после выявления неисправностей.
Примеры протоколов транспортного уровня: ISO 8601 Connectionless Transport Protocol; ISO 8073 (CCITT Х.224).
Сетевой уровень Обслуживает процессы управления маршрутизацией пакетов по узлам сети. Пакеты образуются добавлением заголовков к блокам, принимаемым с уровня 4. В этом заголовке вся информация для определения маршрута, который выбирается с учетом работоспособности, загрузки, пропускной способности направлений.
Уровень 3 создает виртуальную сеть между отправителем и адресатом. Именно до этого уровня (третьего) распаковывают пакет при прохождении транзитного узла сети. Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные компьютером-отправителем, на сетевом уровне они разбиваются на меньшие. А сетевой уровень компьютера-получателя собирает эти данные в исходное состояние.
функции сетевого уровня – управление адресацией и маршрутизацией в сети (при адресации здесь логические адреса переводятся в физические адреса); – организация виртуальных соединений пакетов; – управление потоками информации и выбор оптимального маршрута, (на основе учета загрузки и работоспособности участков сети).
Пример протоколов сетевого уровня: 1) ISO 8473 Internetwork Protocol; 2) ISO 8208/ CCITT Х.25, Packet Level Protocol.
Канальный уровень На канальном уровне добавляется заголовок, концевик и флаги с обоих концов, формируется кадр, который и начнет двигаться по каналу связи. В заголовок вводится вся информация, необходимая для управления тем каналом связи, по которому предстоит идти кадру до следующего узла.
Обычно, когда канальный уровень посылает кадр, он ожидает подтверждение приема со стороны получателя. Подтверждающая информация передается в заголовке попутного информационного кадра или специального – служебного кадра. Кадры, поврежденные при передаче, или кадры, получение которых не подтвер ждено, посылаются вторично.
основные функции – установка начала и конца ( концевик передаваемого кадра); – проверка и обеспечение правильности передачи информации по соединению с помощью средств восстановления ( квитирование, циклическое кодирование, битстаффинг и т.д.); – проверка состояний физических соединений; – обеспечение разделения физического канала между несколькими взаимодействующими одновременно процессами.
Примеры протоколов канального уровня: 1) FDDI Token Ring; 2) IEEE Logical Link Control, IEEE CSMA/CD.
Физический уровень Осуществляет передачу неструктурированного «сырого» потока битов по физической среде (например, по коаксиальному кабелю). Он определяет физические, электрические, функциональные и процедурные характеристики для установления, поддержания и разрыва физического соединения – звена связи.
Уровень обеспечивает интерфейс между устройством, подключенным к сети и физической средой. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах, их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи данных по сетевому кабелю (вид модуляции и т.д.).
Основные функции уровня – установление физических соединений; – поддержание и расторжение соединений; – информирование пользователя об отказах.
Примеры протоколов физического уровня: ISO Physiсal Interface CCITT X.21, Ethernet 10 Мбод.
Структурные компоненты ЛВС
Локальная вычислительная сеть (ЛВС). (LAN – Local Area Networks) предназначается для рассредоточенной и распределенной обработки информации в пределах одного предприятия или организации. ЛВС располагается на сравнительно небольшой территории, например, в радиусе до 10 км. ЛВС – сеть терминалов, подключенных через сетевое оборудование к единой физической среде передачи данных, которые совместно используют ресурсы. Ресурсы ЛВС – диски, принтеры, файлы данных, прикладные программы.
Терминалы ЛВС 1) Рабочие станции (Work station)- это персональные компьютеры, за которыми пользователи выполняют свою работу. (как правило, обычные ПК); 2) серверы (Server)-ПК, выполняющий общесетевые функции по координации и обслуживанию рабочих станций и распределению ресурсов; 3) сетевые станции (повторители, мосты).
Структурные составляющие ЛВС, определяющие архитектуру программных и технических средств сети: физическая среда передачи данных по сети; топология сети, определяющая способ размещения узлов и структуру соединений между ними; метод доступа к физической среде, определяющий алгоритмические и программные средства транспортировки информации по сети.
Физические среды передачи данных
В современных ЛВС применяются четыре типа физической среды передачи данных: витые пары коаксиальный кабель оптоволоконный кабель свободное пространство для беспроводной связи
Беспроводные ЛВС используют четыре способа передачи данных Инфракрасное излучение Лазер Радиопередача на одной частоте Радиопередача в широкополосном диапазоне
Станция подключается к физической среде с помощью сетевого адаптера, который обеспечивает сопряжение узлов с моноканалом и регулирует протоколы физического и канального уровня, т.е. осуществляет управление физическим и логическим каналами, доступом к каналу
Состав оборудования ЛВС включает ответвитель – соединяет вход приемника и выход передатчика к кабелю, представляет собой механическое контактное устройство (разъем). Ответвитель может быть активным, включающим в себя электронный трансивер; повторитель (репитер) – регенератор сигналов; терминатор – обеспечивает согласование волнового сопротивления кабеля с сопротивлением оконечных устройств.
Характеристики проводных сред технологии Ethernet
Топологии ЛВС.
Топология ЛВС определяет способ размещения узлов и структуру соединений между узлами сети, а также геометрическую форму среды передачи. Основные топологии ЛВС: звезда, кольцо, шина, дерево. Могут использоваться комбинации, например, несколько «звезд» объединенных в кольцо – «звезда-кольцо» или «звезда-шина».
Топология «звезда»
Звезда базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой концентратор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, потому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может.
Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.
В звездообразной топологий центральный узел используется двояко: как вычислительный ресурс коллективного использования (SV) и как коммутатор для попарного соединения радиальных узлов
Характеристики топологии звезда: Производительность – 1-10 Мбод. Надежность – отказ периферийного узла не сказывается, зато, если центральный откажет – катастрофа. Стоимость – низкая; самый дорогой – центральный узел; наращиваемость – в пределах возможностей центрального узла. Сложность интерфейса – малая.
Достоинства: идеальна для ситуаций, когда требуется доступ многих компьютеров к одному центру; могут иметь различные каналы, скорости передачи данных, способы передачи, физические среды; высокий уровень защиты от несанкционированного доступа; упрощены процессы поиска и устранения неисправностей.
Недостатки: большая зависимость от надежности центрального узла; сложность и, следовательно, большая стоимость центрального узла.
Кольцевая топология
Кольцо это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник.
Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли репитера, потому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми
В кольцевой сети подключение узла в разрыв кольца осуществляется с помощью повторителя. Кольцо состоит из нескольких повторителей (приемопередатчиков), соединенных с физической средой передачи данных
Производительность – 1-10 Мбод. Надежность – зависит от надежности функционирования каждого элемента кольца. Стоимость – в целом средняя и низкая. Наиболее дорогостоящие – повторители. Наращиваемость – удлинять кольцо, как правило, трудно. Стоимость интерфейса – малая.
Достоинства: пропускная способность разделяется между всеми пользователями; отсутствует зависимость от центрального устройства; маршрутизация чрезвычайно проста; просто выполняется контроль ошибок; легко организовать автоматическое подтверждение приема; просто осуществить широковещательную передачу всем узлам; доступ к кольцу практически всегда гарантирован, даже если сеть сильно загружена; вероятность ошибки очень мала; возможна очень высокая скорость передачи; можно использовать смешанную передающую среду.
Недостатки: надежность сети зависит от всех кабелей и повторителей; обычно на практике необходим мониторинг кольца; трудно добавлять новые узлы (хотя бы из-за обязательного прерывания функционирования кольца); повторители должны быть достаточно близко расположены.
Шинная топология
Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.
Существует два способа разделения шины между устройствами: 1) дискретный сигнал передается во все стороны со скоростью 3/4 скорости света. Все узлы слышат передачу; 2) несколько передатчиков используют различные частотные диапазоны для передачи «своим» приемникам.
Достоинства: дорогие и уникальные ресурсы становятся доступны широкому кругу пользователей; низкая стоимость и высокая надежность; простота расширения сети; нет проблем маршрутизации (в простых сетях) и передачи широковещательных сообщений; простота методов управления.
Недостатки: доступность к несанкционированному подключению; для связи со средой необходимо интеллектуальное устройство; технические трудности передачи без ретрансляторов (>500м); последовательный характер использования магистрали (по шине может передаваться в определенный момент только один кадр).
Интерсети Интерсеть – объединение многих ЛВС с помощью специальных сетевых станций (мостов, маршрутизаторов, шлюзов)
Интерсеть должна: – состоять из нестандартных подсетей, значительно отличающихся по протоколам передачи данных и физическим принципам передачи данных; – обеспечивать качественный информационно-вычислитель-ный сервис и высокий уровень прозрачности доступа к ресурсам для различных категорий пользователей;
– не требовать больших аппаратных и эксплуатационных затрат на включение в ее состав новых подсетей; – обладать гибкостью развития структуры и простотой управления; – образовываться из произвольной комбинации локальных и глобальных сетей с различной топологией и телекоммуникационной технологией; – в каждой подсети сохранять высокую степень административной автономности и возможность самостоятельного развития.
Основные элементы Мост (bridge) – сетевая станция для подключения сетей с одинаковой архитектурой. Внутренний мост – файл-сервер может выполнять функции моста. Внешний мост – рабочая станция выполняет функции моста.
Совмещенный мост – работа совмещается с рабочей станцией. Выделенный мост-ПК – выполняет только функции связи между ЛВС. Удаленный мост – удаленная рабочая станция (связь через модем). Шлюз (Gateway) – сетевая станция для объединения сетей с разной архитектурой.
управление информационной сетью по стеку протоколов TCP/IP
лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами – почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP; – это метод получения доступа к сети Internet; – этот стек служит основой для создания intranet – корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet;
– все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP; – это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент - сервер; – архитектура протоколов TCP/IP ориентирована на интерсеть, состоящую из отдельных подсетей коммутации пакетов, связанных маршрутизаторами; – каждая подсеть имеет свои СПД и работает в соответствии со своими правилами.
Структура стека TCP/IP
Транспортные протоколы UDP и TCP Протокол UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских дейтаграмм) является одним из двух основных протоколов. Он предоставляет прикладным процессам транспортные услуги. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку дейтаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец.
К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле «порт», обеспечивает мультиплексирование информации между прикладными процессами, а другое поле – «контрольная сумма» – позволяет поддерживать целостность данных.
Протокол TCP (Transmission Control Protocol) предоставляет транспортные услуги, отличающиеся от услуг UDP. Вместо ненадежной доставки дейтаграмм он обеспечивает гарантированную доставку с установлением виртуальных соединений в виде байтовых протоколов. Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать тайм-ауты и повторные передачи для обеспечения надежности.
Протокол сетевого уровня – IP
IP – межсетевой протокол, обеспечивающий доставку фрагмента данных от источника к получателю через систему связанных между собой сетей. В протоколе отсутствуют функции подтверждения, контроля передачи, сохранения последовательности передаваемых пакетов и т.д. Надежность реализуется протоколами верхнего уровня (например, ТСР)
Модуль IP выполняет три основные функции: адресацию; фрагментацию; маршрутизацию. Данные, формат которых понятен протоколу IP, носят название IP-пакета Модуль IP производит передачу пакета по направлению к получателю на основании адреса, расположенного в заголовке IP-пакета.
Длина заголовка (IHL – Internet Header Length) – 4 бита – указывает на начало поля данных (число 32-разрядных слов перед полем данных). Тип обслуживания (Type of Service) – 8 бит – определяет требуемые характеристики обработки пакета: биты 0-2 указывают относительную значимость пакета (7 – выс-ший приоритет), принимая во внимание которую маршрутизаторы обрабатывают важные пакеты в первую очередь; бит 3 – (Delay) задержка: 0 – нормальная, 1 – малая; бит 4 – скорость передачи: 0 – нормальная, 1 – высокая; бит 5 – надежность доставки: 0 – нормальная, 1 – высокая; биты 6 и 7 зарезервированы.
Общий размер пакета (Total Length) – 16 бит – содержит размер пакета, включая заголовок и поле данных; Идентификатор (Identificator) – 16 бит – получатель фрагментов отличает их один от другого по этому полю. Флаги (Flags) – 3 бита – управляющие флаги: бит 0 зарезервирован; бит 1 – DF: 0 – позволяет фрагментировать пакет, 1 – запрещает фрагментацию и если передача при этом без фрагментации невозможна, пакет разрушается; бит 2 – MF: 0 – данный фрагмент является последним в исходном пакете, 1 – промежуточным.
Смещение фрагмента (Fragment Offset) – 13 бит – указывает получателю на положение данного фрагмента в исходном блоке данных. Время жизни (Time to Live) – 8 бит – время жизни пакета в сети. Если значения этого поля становятся равными нулю, пакет уничтожается. Каждый модуль протокола, обрабатывающий пакет, уменьшает это значение на несколько секунд, затраченных на его обработку. Смысл этой функции – исключить возможность засорения сети «заблудившимися» пакетами.
Протокол (Protocol) – 8 бит – номер протокола транспортного уровня, которому предназначен пакет, определяет формат поля данных (6 – TCP, 17 – UDP). Контрольная сумма (Header Checksum) – 16 бит – используется для контроля на целостность заголовка.
Адрес источника (Source Address) – 32 бита. Адрес приемника (Destination Address) – 32 бита – этот адрес проверяется маршрутизатором. Опции (Options) – 24 бита – опции протокола, для этого поля конкретные параметры не регламентируются и различные фирмы- изготовители могут использовать его для собственных нужд. Заполнение (Padding) – 8 бит – служит для выравнивания заголовка до границы 32- битного слова.
Адресация в IP-сетях
Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адрес трех уровней: физический (МАС-адрес), сетевой (IP-адрес), символьный (DNS-имя).
Физический (МАС-адрес) – это локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой создавалась отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети – это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11:АО:17:80:ВС:01. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет длину шесть байтов: старшие три – это идентификатор производителя, младшие три назначаются уникальным образом самим производителем.
Сетевой (IP-адрес) – состоит из 4 байт, например, ; этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов и состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения (Network Information Center, NIC), если сеть должна функционировать как составная часть Internet.
Символьный (DNS – Domain Name Service) идентификатор, например, Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый DNS- именем, используется на прикладном уровне. Имя домена может содержать до 63 символов.
Этапы решения задачи определения адресов
Символьный адрес delta.ru пересылается серверу имен, где преобразуется в IP-адрес, пересылаемый в отклике на DNS- запрос. Но необходимо знать, где находится объект с этим адресом, а для этого надо знать МАС- адрес порта маршрутизатора, через который начинается путь до адресата.
Для нахождения МАС-адреса посылается широковещательный ARP-запрос. Если адресат в пределах локальной субсети, он откликается, прислав Ethernet-адрес своей сетевой платы, в противном случае откликается пограничный для данной сети маршрутизатор.
(Domain Name Service) – распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла (domain name resolving). Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034, 1035.
Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Сервера хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных адресов IP-адресам. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают адрес ближайшего DNS-сервера своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и требуют вернуть соответствующий ему IP-адрес.
Если данные о запрашиваемом соответствии найдены в базе данных данного DNS- сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет – он перенаправляет запрос DNS-серверу другого домена, который сам может обработать запрос или же передать его другому DNS-серверу. Все DNS-сервера соединены иерархически, в соответствии с иерархией построения сети Internet. Клиент опрашивает сервера имен, пока не найдет нужную ему информацию.
Корень базы данных DNS управляется центром Internet Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO Для обозначения стран используются двух- и трехбуквенные аббревиатуры («.de», «.ru», «.org», «.su» и т.д.)
На следующем этапе необходимо на основе IP адреса найти Ethernet-адрес (МАС-адрес) – места назначения. Для этого используется ARP-тaблицa (Adress Resolution Protocol), которая хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet- адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом.
Принято все байты 4-байтного IP-адреса записывать десятичными числами, разделенными точками. При записи 6-байтного Ethernet-адреса каждый байт указывается в шестнадцатеричной системе и отделяется двоеточием.
Порядок преобразования IP- адресов в Ethernet-адреса: 1.по сети передается широковещательный ARP-запрос; 2.исходящий IP-пакет ставится в очередь; 3.возвращается ARP-ответ, содержащий информацию о соответствии IP- и Ethernet- адресов, эта информация заносится в ARP-таблицу; 4.для преобразования IP-адреса в Ethernet- адрес используется ARP-таблица; 5.Ethernet-кадр передается по сети Ethernet.
Структура и маскирование IP-адресов
Каждый IP-адрес можно представить состоящим из двух частей: адрес сети и адрес узла (хоста) в этой сети. Существует пять классов IP-адресов, отличающихся количеством бит в сетевом номере и хост-номере
Адреса класса А предназначены для использования в больших сетях общего пользования. Они допускают большое количество номеров узлов. Адрес класса В используется в сетях среднего размера, например, в сетях университетов и крупных компаний; Адреса класса С – в сетях с небольшим числом компьютеров; Адреса класса D – при обращении к группам машин, Адреса класса Е зарезервированы на будущее.
Повторитель (repeater)
Самый простой тип устройства для соединения фрагментов ЛВС. Он ретранслирует все принимаемые пакеты из единой секции ЛВС в другую или между отдельными ЛВС. Повторитель принимает пакет из одного сегмента, представляющий собой цуг импульсов на физическом уровне, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированный пакет в физическую среду другого сегмента с задержкой.
Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линии связи из-за улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов импульсного сигнала и т.п. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). Главная задача концентратора – повторение сигнала, пришедшего с одного из портов, на других портах.
Мост (bridge)
Мост позволяет соединить ЛВС с одинаковыми или разными средами передачи данных и системами сигнализации, такими как Ethernet, Token- Ring и х.25. Мост делит разделяемую среду передачи сети на части, часто называемые логическими сегментами. Мосты читают и фильтруют пакеты и кадры данных, разрешая прохождение трафика только в случае, когда адрес назначения требует перехода с одного сегмента в другой.
Таким образом мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети в целом. Мосты действуют на подуровне управления доступом к среде канального MAC подуровня, так как считывают адреса и могут принимать решения в соответствии с их значениями.
Маршрутизатор (router)
Маршрутизатор – устройство связи, которое имеет аналогичные мосту функции и осуществляет передачу кадров в соответствии с определенным протоколом. Маршрутизаторы, анализируя только адресованные им кадры, направляют их в нужные межсетевые каналы по оптимальному маршруту, основываясь на информации относительной эффективности и надежности различных путей между узлами источника и получателя. Они обеспечивают соединение на сетевом уровне эталонной модели
Задачи маршрутизатора: построение таблиц маршрутизации, определение на ее основе маршрута, буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, поддержка сетевых интерфейсов. Маршрутизаторы используют не плоские аппаратные, как мосты, МАС-адреса, а составные числовые IP-адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одной подсети (subnet). Они знают о существовании только других маршрутизаторов, которые идентифицируются адресом подсети.