АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ Лекция 10: Компьютерные Сети ВМиК МГУ им. М.В. Ломоносова, Кафедра АСВК Чл.-корр., профессор, д.ф.-м.н. Королёв Л.Н., Ассистент Волканов Д.Ю.

2 План лекции Иерархия протоколов Сервисы и интерфейсы Модель ISO/OSI Модель TCP/IP Примеры сетей

3 Организация вычислительных сетей Сеть = абонентские машины + транспортная среда. Абонентские машины обеспечивают интерфейс пользователей и работу приложений в сети. Транспортная среда = Коммутирующие элементы + СПД Коммутирующие элементы - маршрутизаторы, мосты, шлюзы. СПД - коммуникационные каналы и переключатели. Коммуникационные каналы - это линии связи самой различной природы и каналообразующая аппаратура

4 Иерархия протоколов Уровни, протоколы и интерфейсы

5 Проблемы, решаемые на каждом уровне на каждом уровне нужен механизм для определения отправителей и получателей; правила передачи данных simplex/half-duplex, duplex количество виртуальных каналов через одно соединение и приоритеты между ними обнаружение и исправление ошибок сохранение исходной последовательности данных при передаче

6 Проблемы, решаемые на каждом уровне на каждом уровне нужен механизм предотвращающий ситуацию, когда получатель начинает захлебываться регулирование длины сообщения разбиение и сборка сообщений как быть, если процесс работает со столь короткими сообщениями, что их раздельная пересылка не эффективна мультиплексирование и демультиплексирование виртуальных каналов когда между получателем и отправителем есть несколько маршрутов: какой выбрать?

7 Архитектура и интерфейс интерфейс определяет какие примитивы - элементарные операции - и какие услуги (сервис) нижележащий уровень должен обеспечивать для верхнего уровня. набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. –Вопросы реализации, определения интерфейсов - не относятся к архитектуре стек протоколов - набор конкретных протоколов по одному на уровень

8 Интерфейс и сервис равнозначная активность пользователи сервиса и поставщики сервиса точки доступа к сервису - SAPs ( service access points) как между двумя уровнями происходит обмен информации определяет интерфейс между ними –активности передают IDU (Interface Data Unit) через SAP –IDU состоит из SDU (Service Data Unit) и управляющей информации

9 Интерфейс и сервис (2) –IDU состоит из SDU (Service Data Unit) и управляющей информации SDU передает по сети равнозначной сущности. управляющая информация нужна нижележащему уровню, чтобы правильно передать SDU, но она не является частью

10 Взаимосвязь уровней через интерфейс Взаимосвязь уровней и интерфейса

11 Типы и классы сервиса Сервис с соединением и без соединения. Сервис с соединением сначала устанавливает соединение, и только потом доставляется сервис. Пример - телефонная сеть. Сервис без соединения действует подобно почтовой службе. Каждое сообщение маршрутизируется независимо от других сообщений. Любой сервис характеризуется качеством. –Надежность - дополнительные расходы на подтверждение –Поддержка структуры или поток байтов

12 Пример организации потока информации при виртуальном взаимодействии уровней 5

13 Примитивы сервиса Сервис формально определяет набор примитивных операций (или примитивов), с помощью которых пользователь или какая-либо активность получает доступ к сервису. Сервис может быть надежный (с подтверждением) и не надежный (без подтверждения).

14 Взаимосвязь сервиса и протоколов Сервис определяет, какие операции данный уровень должен выполнить по поручению его пользователей, но он ничего не говорит о том, как эти операции реализованы. Сервис относится к интерфейсу между уровнями. Протокол - это набор правил, определяющих формат, назначение кадров, пакетов, сообщений, которыми обмениваются равнозначные активности Протокол и сервис не связанные понятия.

15 Эталонные модели Каждый уровень отражает надлежащий уровень абстракции. Каждый уровень имеет строго определенную функцию. Эта функция выбиралась прежде всего так, чтобы можно было определить международный стандарт. Границы выбирались так, чтобы минимизировать поток информации через интерфейсы. Число уровней должно быть достаточно большим, чтобы не объединять разные функции на одном уровне и оно должно быть достаточно малым, чтобы архитектура не была громоздкой.

16 Эталонная модель OSI

17 Физический уровень Физический уровень отвечает за передачу последовательности битов через канал связи. Здесь в основном решаются вопросы механики, электрики

18 Канальный уровень Основной задачей уровня канала данных - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. –разбиение на фреймы –определение границ фреймов –исправление ошибок при передаче на физическом уровне –уничтожать дубликаты фреймов –минимизировать затраты на служебные фреймы (piggy backing) –регулировать доступ к каналу с множественным доступом (MAC подуровень)

19 Эталонная модель OSI

20 Эталонная модель OSI Сетевой уровень отвечает за функционирование транспортной подсети –Основная задача маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю маршруты могут быть определены статически (заранее) и динамически в зависимости от текущей загрузки и состояния транспортной подсети в сетях на основе СПД с каналом множественного доступа проблема маршрутизации практически отсутствует –Биллинг за услуги –Шлюзование

21 Эталонная модель OSI Сетевой уровень определяет какой тип сервиса предоставить вышележащим уровням –канал точка-точка без ошибок, обеспечивающий доставку сообщений или байтов в той последовательности, в какой они были отправлены. –доставка отдельных сообщений без гарантии сохранения их последовательности, рассылка одного сообщения многим в режиме вещания. Класс сервиса определяется при установлении транспортного соединения

22 Эталонная модель OSI

23 Эталонная модель OSI Основная функция транспортного уровня это: принять данные с уровня сессии, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. транспортный уровень должен создать транспортное соединение по запросу уровня сессии –одно транспортное соединение может использовать несколько сетевых –нескольких транспортных соединений - одно сетевое соединение.

24 Эталонная модель OSI транспортный уровень и ниже обеспечивают соединение типа точка-точка абонентские-машины - мультипрограммные, поэтому транспортный уровень для одной такой машины должен поддерживать несколько транспортных соединений. установление и разрыв транспортного соединения в сети транспортный уровень обеспечивает механизм управления потоком. управление потоком между хостами отличен от управление потоком между маршрутизаторами.

25 Эталонная модель OSI

26 Эталонная модель OSI уровень сессии обеспечивает сложный сервис, полезный в некоторых приложениях. –вход в удаленную систему, передать файл между двумя приложениями. –управление направлением передачи. –управление маркером. (операцию может выполнять тот кто владеет маркером). –cинхронизация (расстановка контрольных точек). уровень представления решает проблемы семантики и синтаксиса передаваемой информации. (кодировка и структура данных) уровень приложений обеспечивает нужные часто используемые протоколы (TELNET, FTP)

27 Пример передачи данных в модели OSI

28 Эталонная модель TCP/IP два транспортных протокола. –TCP (Transmission Control Protocol) : надежный протокол с соединением. Он получает поток байт, фрагментирует его на отдельные пакеты и передает их на межсетевой уровень. –UDP (User Datagram Protocol): ненадежный протокол без соединения для тех приложений, которые используют свои механизмы фрагментации, управления потоком

29 Протоколы и сети, учитываемые моделью TCP/IP

30 Сравнение моделей ISO и TCP/IP В модели OSI центральными являются три понятия: сервис определяет что делает уровень, но ничего не говорит как. интерфейс определяет для вышележащего уровня доступа к сервису протокол. определяет реализацию сервиса

31 Сравнение моделей ISO и TCP/IP (2) В TCP/IP модели нет столь же четкого выделенных понятий (post factum) Модели имеют разное число уровней OSI модель поддерживает на сетевом уровне как сервис с соединением, так и без соединения. На транспортном уровне этой модели поддерживается сервис только с соединением. TCP/IP : сетевой уровень обеспечивает сервис без соединения, но транспортный - как с соединением, так и без. Разный взгляд на приоритеты и распределение инвестиций

32 Принцип двух слонов

33 Недостатки модели и протоколов МОС функциональность между семью уровнями распределена не равномерно ISO поспешило за IBM SNA описание модели и ее протоколов очень сложно некоторые функции такие как управление потоком, исправление ошибок, адресация - повторяются на каждом уровне, для некоторых функций не ясно на какой уровень их поместить (виртуальный терминал) шифрование и защита отсутствуют в модели хорошо проработан сервис с соединениями и слабо сервис без соединений влияние МКТТ (не отражена взаимосвязь между вычислениями и связью (indication vs receive)).

34 Недостатки эталонной модели TCP/IP В модели нет четкого разграничения понятий сервис, интерфейс, протокол; Эта модель годится только для описания стека TCP/IP; Уровень хост-сеть по существу уровнем не является, это больше интерфейс; В этой модели не разделяются физическая среда передачи и уровень канала данных; Многие протоколы прикладного уровня проработаны плохо (TELNET) Не учтены вопросы безопасности Структура IP пакета оказалась слишком жесткой и ограниченной

35 Примеры сетей NetBIOS - Net Basic Input Output system. Это сетевое расширение стандарта I/O операций фирмы IBM для IBM PC. SNA, DNA - Сетевые архитектуры фирм IBM и DEC. Работают под их операционными системами. В настоящее время не имеют широкого распространения.

36 Internet NSFNet (1984) - высокоскоростной приеемник ARPANet. –6 суперкомпьютерных центров –20 региональных подсетей в США –ANS (Advanced Network and Service) - некоммерческая корпорация (MCI,IBM, MERIT): СПД увеличилась с 1.5 до 45 Mbps –NREN (1991) - 3Gbps инфраструктура для informational highway. –В Европе создаются IP сети ENET, EBONE – подключение EARN, HEP, SPAN, BITNet –C 1995 во всем мире идет развитие и модернизация сетей на Mbps и Gbps

37 Internet На сегодня более 400 млн.абонентских машин в 170 странах Проблемы –ограниченность адресного пространства –переполнение таблиц маршрутизации и ограниченность пропускной способности каналов опорной сети –ограниченные возможности по интеграции услуг и потоков данных (голос, аудио, видео, данные) –эффективные механизмы обеспечивающие гарантированное качество услуг –защита информации

38 G r i d

39 Спасибо за внимание!