Лекція 2 Комп ютерні мережі МОДЕЛИ ВЗАИМОСВЯЗИ СЕТЕВЫХ СИСТЕМ

Лекція 2 Комп’ютерні мережі МОДЕЛИ ВЗАИМОСВЯЗИ СЕТЕВЫХ СИСТЕМ

Архитектура сетевого программного обеспечения (СПО) n n n n n Распределенное СПО: процессы, находясь на разных компьютерах, вынуждены обмениваться данными, не используя привычные средства – общие области памяти и т. п. Для упрощения разработки СПО создан ряд моделей, представляющих из каких частей состоит СПО, и как они взаимодействуют. Базовым понятием для моделей является понятие протокола. Протокол (protocol) - формально описанный набор правил, определяющий последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты. Каждая модель, в соответствии с разновидностями выполняемых протоколами функций, выделяет группы протоколов, называемые уровнями (level). Полный набор протоколов, включающий в себя протоколы всех уровней модели, называется стеком протоколов (protocol stack). Каждый уровень взаимодействует с соседними уровнями, т. е. определен интерфейс (interface) между каждыми двумя уровнями. Интерфейс определяет набор услуг, служб или сервисов (service), которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. Для получения услуги вышележащий уровень обращается к точке доступа к сервису (service access point, SAP). По типу различаются службы с установлением соединением (connection) и без соединения (connectionless). Службы с установлением соединения позволяют передавать и принимать потоки данных произвольного объема, предварительно договорившись об этом (установив соединение). Службы без соединения передают данные отдельными блоками, независимо один от другого.

История модели OSI (Open System Interconnect) Международная организация по стандартизации ISO ( International Standardization Organization, ) предложила в 1978 г. эталонную модель взаимодействия открытых систем ОSI. На основе этой модели разработан стек протоколов, он принят в качестве национального стандарта правительством США в 1990 году. Модель OSI является главной методологической основой для анализа и разработки сетей. n Стандартом де факто для глобальных сетей в настоящее время является стек протоколов TCP/IP, разработанный по заказу Министерства обороны США. n В локальных сетях, наряду с TCP/IP, применяются стеки IPX/SPX, Net. BIOS/SMB, XNS, DECnet и другие. Разработка модели OSI была направлена на установление механизмов для распределенной обработки данных в аппаратно и программно разнородных компьютерных средах. n Цели разработки протоколов TCP/IP: установление порядка соединения сетей и предоставление пользователям этих сетей набора базовых коммуникационных услуг. n Разработку TCP/IP начинали ради проблем взрывного роста количества подключенных компьютеров и, соответственно, трафика, ими производимого. Протокол IP должен был предоставить средства разделения единой сети, которой была ARPANET, на множество подсетей, изолирующих внутренний трафик друг от друга. Нужно было создать сетей вместо сети компьютеров. n

Модель ВОС (взаимодействия открытых систем), модель OSI

Эталонная модель ВОС Модель определяет 7 уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных, прикладной. n Физический уровень – передача битов по КПД, определяет характеристики кабелей и разъемов, схемы кодирования электрического или оптического сигнала и пр. ( RS 232 C ). n Канальный уровень – обеспечивает надежную безошибочную доставку данных в физической сети. Стандарты этого уровня : подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control – LLC) и подуровень управления доступом к среде (Medium Access Control – MAC). Поток битов между двумя участниками сети делится на кадры (frame). Канальный уровень решает, кто может передавать данные каждый момент времени, управляет потоком данных (буферизацией) и контролирует последовательность кадров. n Сетевой уровень – обеспечивает передачу данных между сетями. На уровне находятся системы адресации участников сетей и системы маршрутизации. СУ выбирает способ передачи данных по сети: ( коммутация каналов, коммутация пакетов). В сетях с коммутацией пакетов СУ делит поток данных на пакеты, независимо маршрутизируемые по сети. Пакеты могут передаваться как по виртуальным каналам, так и в виде дейтаграмм: ARP (Address Resolution Protocol), IP (Internet Protocol) , IPX (Internetwork Packet Exchange). n Транспортный уровень –отвечает за надежную передачу данных и распределение обязанностей межд участниками сети : SPX (Sequenced Packet Exchange) , UDP (User Datagramm Protocol) , TCP (Transmission Control Protocol). n Сеансовый уровень – предназначен для организации диалога между процессами. Основные функции уровня – обработка подключений (login) и отключений (logout), аутентификация, синхронизация. Пример Net. BIOS (Network Basic Input/Output System), Net. BEUI (Network Basic Extended User Interface) … n Уровень представления данных – управляет представлением информации в сети. Гарантирует, что данные, которыми обмениваются участники, записаны в формате, которых понимают обе стороны. Уровень имеет дело с наборами символов (character sets), форматами данных, кодированием и упаковкой данных. Пример: перекодировка из KOI 8 P в Windows 1251), SSL n Прикладной уровень – интерфейс между сетью и пользователем. Пример ПУ – электронная почта(X. 400), передача файлов ( FTP), веб (HTTP), управление сетью не в ISO(SNMP)…

Стандарты IEEE 802. Группа стандартов IEEE 802. 16 относится к нижним уровням сетевой модели. n Стандарты 802. 1 управления сетевыми устройствами на аппаратном уровне, а также обеспечение межсетевого взаимодействия (inter etworking): 802. 1 d — логика работы моста/коммутатора; 802. 1 h — n транслирующий мост, 802. 1 р — дополнения к логике МАС мостов , обеспечивающие приоритезацию трафика; 802. 1 Q — построение виртуальных локальных сетей, VLAN, с помощью мостов. n Стандарт 802. 2 описывает работу подуровня LLC, под которым объединяются технологии локальных сетей. Подуровень LLC обеспечивает сервис : LLC 1 — без установления соединения и подтверждения. LLC 2 — с установлением соединения и подтверждением. LLC 3 — без установления соединения, с подтверждением. n 802. 3 описывает физический уровень и MAC подуровень технологии с методом доступа CSMA/CD: Ethernet, Fast Ethernet (802. 3 u), Gigabit Ethernet (802. 3 z и 802. 3 ab), управление потоком для полного дуплекса (802. Зх). n 802. 4 описывает физический уровень и МАС подуровень технологии с шинной топологией и передачей маркера доступа (token passing). К этому классу относится MAP (Manufacturing Automation Protocol) для связи устройств промышленной автоматики и технология Token Bus. n 802. 5 описывает физический уровень и МАС подуровень технологии с кольцевой топологией и передачей маркера доступа. технология Token Ring фирмы IBM n 802. 6 относится к сетям городского масштаба MAN (Metropolitan Area Network), узлы которых разбросаны на расстояния более 5 км. n n 802. 7 стандарт по широкополосной (broadband) передаче. 802. 8 относится к оптоволоконной технике, используемой в сетях, определенных 802. 3 802. 6. n 802. 9 относится к интегрированной передаче голоса и данных. Спецификации ISDN. n n 802. 10 относится к безопасности (конфиденциальности) сетей: шифрование данных, сетевое управление для архитектур, совместимых с моделью OSI. 802. 11 относится к беспроводным (wireless) технологиям передачи данных. WI FI n 802. 12 определяет технологию передачи с методом доступа Demand Priority (приоритет запросов). 100 VG Any. LAN n 802. 15 Персональные сети Bluetooth 802. 16 Широкополосные беспроводные сети WI MAX n

Основные организации по стандартизации сетей n n n n Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) ассоциация ведущих национальных организаций по стандартизации разных стран. Главным достижением ISO явилась модель взаимодействия открытых систем OSI, стек коммуникационных протоколов OSI. Международный союз электросвязи (International Telecommunications Union, ITU) — специализированный орган ООН и его Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии, он называется сектором телекоммуникационной стандартизации ITU T издает труды ITU T в виде цветных книг, например, рекомендациии серии X: Х. 25 для сетей с коммутацией пакетов, Х. 400 для систем электронной почты, Х. 500 для глобальной справочной службы… Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) — национальная организация США по сетевым стандарты. В 1980 году рабочая группа 802 этого института сформулировала основные требования к ЛВС Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association, ЕІA) — промышленно торговая группа производителей сетевого оборудования; является национальной коммерческой ассоциацией США; разрабатывает стандарты для проводов, коннекторов и других сетевых компонентов. (RS 232 C). Министерство обороны США (Department of Defense, Do. D) также занимается созданием стандартов для компьютерных систем: стек транспортных протоколов TCP/IP. Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI) — эта организация представляет США в ISO. Комитеты ANSI ведут работу по разработке стандартов сетей SNA). FDDI , языки программирования, интерфейс SCSI. Стандарты Интернета. Internet Society (ISOC) — профессиональное сообщество, вопросы эволюции и роста Интернета. Под управлением ISOC работает Internet Architecture Board (IAB) — организация технического контроля и координации работ для Интернета. В IAB входят две основные группы: Internet Engineering Task Force (IETF) и Internet Research Task Force (IRTF). IETF — занимается решением ближайших технических проблем Интернета. Именно IETF определяет спецификации RFC, которые затем становятся стандартами Интернета. IRTF координирует долгосрочные исследовательские проекты по протоколам TCP/IP.

Классификация топологических элементов сетей Локальные сети состоят из конечных устройств (ES) и промежуточных устройств (IS). Узлы сети (nodes) — конечные устройства и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. n Кабельный сегмент — отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети. n Сегмент сети (или просто сегмент) — совокупность узлов сети, использующих общую (разделяемую) среду передачи, Применительно к технологии Ethernet это совокупность узлов, подключенных к одному коаксиальному кабельному сегменту, одному хабу. Применительно к Token Ring это одно кольцо. n Сеть (логическая) — совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации третьего уровня модели OSI. Примерами могут быть IPX сеть, IP сеть. Каждая сеть имеет свой собственный адрес, этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Сеть может быть разбита на подсети (subnet)с адресацией на том же третьем уровне. Сеть может состоять из множества сегментов n Облако (cloud) — коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами, подробностями организации которой не интересуются. Пример : городская междугородная международная телефонная сеть: в любом ее месте можно подключить телефонный аппарат и связаться с любым абонентом. По способу использования кабельных сегментов различают: n Двухточечные соединения (point-to-point connection) — между двумя узлами, соединенных симметричными электрическими (витая пара) и оптическими кабелями. n Многоточечные соединения (multi point connection) — к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. Типичная среда передачи — несимметричный электрический кабель (коаксиальный кабель), возможно применение и оптических. Соединение устройств отрезками кабеля друг за другом называется цепочечным (daisy chaining). n

Промежуточные системы IS . По уровням модели OSI эти устройства классифицируются : Повторитель (repeater) — устройство физического уровня, преодолевает топологические ограничения кабельных сегментов. Информация из одного сегмента в другой передается побитно, анализ информации не производится. n Мост (bridge) — средство объединения сегментов сетей. Решение о продвижении (передаче в другой сегмент, forvarding) или фильтрации (игнорировании) (filtering). кадра принимается на основании информации 2 г уровня: Мост МАС (MAC Bridge) объединяет сегменты сети в пределах одной технологии. Мост LLC (LLC Bridge), он же транслирующий мост (translating bridge), объединяет сегменты сетей и с разными технологиями (например, Ethernet—Fast Ethernet, Ethernet—Token Ring, Ethernet FDDI). Мост может быть «прозрачным» (transparent bridge), присутствие такого моста никак не отражается на действиях узлов. В противоположность прозрачным существуют и мосты с маршрутизацией от источника (SRB — Source Routing Bridge): источник кадра должен указать трассу его передачи (Token Ring). В пересылаемом кадре мост может изменять информацию только второго уровня, третьим уровнем не интересуется. Мост может выполнять фильтрацию по правилам, заданным административно. Мост может быть локальным, удаленным или распределенным. Локальный мост — устройство с двумя или более интерфейсами, к которым подключаются соединяемые сегменты локальных сетей. Удаленные мосты соединяю сегменты сетей, значительно удаленные друг от друга, через линию связи. Для связи удаленных сегментов мосты устанавливают парами. Распределенный мост представляет собой совокупность интерфейсов некоторого коммуникационного облака, к которым подключаются сегменты соединяемых сетей. n Коммутатор (switch) второго уровня (MAC и LLC) выполняет функции, мостов, но используется для сегментации — разбиения сетей на мелкие сегменты с целью повышения пропускной способности. Интеллектуальные коммутаторы ИСПОЛЬЗУЮТСЯ для построения ВЛС (VLAN Virtual LAN, виртуальные локальные сети). В случае микросегментации (к каждому порту подключается всего один узел) коммутатор должен передавать в другой порт (порты) каждый кадр, принятый каждым портом, что предъявляет высокие требования к его производительности. Коммутатор 3 -го уровня (L 3 switch) решает задачи маршрутизаторов VLAN. n Маршрутизатор (router) работает на 3 м уровне и используется для передачи пакетов между сетями. Маршрутизатор в пересылаемых пакетах модифицирует некоторые поля заголовка 3 го уровня. Маршрутизатор выполняет фильтрацию на основе информации 3 го уровня (и выше). В отличие от повторителей и мостов/коммутаторов, присутствие маршрутизатора известно узлам сетей, подключенных к его интерфейсам. Каждый порт маршрутизатора имеет свой сетевой адрес, на этот адрес узлы посылают пакеты, n

Методы доступа к среде передачи делятся на вероятностные и детерминированные. При вероятностном (probabilistic) методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия(столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка передачи откладывается на некоторое время. Основные разновидности: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий. Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает сигнал запроса на передачу (RTS) и определенное время ожидает ответа (CTS) от адресата назначения. При отсутствии ответа ( коллизии) попытка передачи откладывается, при получении ответа в линию посылается кадр. При запросе на широковещание(RTS содержит адрес 255) CTS не ожидается. Метод не позволяет полностью избежать коллизий, но они обрабатываются на вышестоящих уровнях протокола. Метод применяется в сети Apple Local. Talk, прост и недорог для цепей доступа. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу кадра, одновременно контролируя состояние линии. При обнаружении коллизии передача прекращается и повторная попытка откладывается на случайное время. Коллизии — нормальное явление для CSMA/CD. Их частота связана с количеством и активностью подключенных узлов. Нормально коллизии могут начинаться в определенном временном окне кадра, запоздалые коллизии сигнализируют об аппаратных неполадках в кабеле или узлах. Метод эффективнее, чем CSMA/CA, но требует более сложных и дорогих схем цепей доступа. Применяется в Ethernet, Ether. Talk (реализация Ethernet ф. Apple), G Net, AT&T Star. LAN. Общий недостаток вероятностных методов — неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени. При детерминированном (deterministic) методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (его функции может выполнять, например, сервер) или/и распределенным (функции выполняются оборудованием всех узлов). Основные типы: доступ с передачей маркера (token passing), применяемый в сетях ARCnet, Token Ring, FDDI; поллинг (polling) — опрос готовности, применяемый в больших машинах (mainframes) и технологии 100 VG Any. LAN. Основное преимущество метода — ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки. n

Топология n Каждая сетевая технология имеет характерную для нее топологию соединения узлов сети и метод доступа к среде передачи (media access method). Эти категории связаны с двумя· нижними уровнями модели OSI. n Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей), и логическую топологию, определяющую направления потоков данных между узлами сети. n Физические топологии — шина (bus); звезда (star); кольцо (ring), дерево (tree), сетка (mesh) — иллюстрирует слайд далее. В логической шине информация (кадр), передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Передачу считанных данных на вышестоящий уровень (LLC подуровень) производит только тот узел (узлы), которому адресуется данный кадр. n В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети все кадры, а обрабатывает только адресуемые ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе. Метод доступа — детерминированный. На логическом кольце строятся сети Token Ring и FDDI. 11 n

Виды физической топологии: а — шина, б — звезда, в — кольцо, г — дерево, д — сетка 12