Сетевое взаимодействие компьютерных систем Организация передачи данных

Сетевое взаимодействие компьютерных систем

Организация передачи данных Многоуровневая модель Система А Система B Процесс … … Уровень N+1 Уровень N Среда передачи данных

Организация передачи данных Взаимодействие соседних уровней Пользователь услуги Уровень N+1 Точки доступа Источник услуги Уровень N Источник услуги

Организация передачи данных Взаимодействие соседних уровней Пользователь услуги Уровень N+1 Точки доступа Источник услуги Уровень N

Организация передачи данных Потоки данных Система А Система B Процесс … … Уровень N+1 Уровень N Среда передачи данных

Организация передачи данных Определения Система А Протокол – формальный набор правил, по которому обмениваются Процесс сетевые компоненты, находящиеся на одном уровне на разных системах (а также реализующее его ПО). … Система B Процесс … Интерфейс Уровень N+1 – набор правил взаимодействия смежных уровней на одной Уровень N системе. Стек протоколов – совокупность интерфейсов и протоколов, достаточные для организации взаимодействия процессов … … Среда передачи данных

Организация передачи данных Способы коммутации Коммутация каналов Коммутация пакетов Перед началом связи формируется непрерывный составной канал, используемый только конечными клиентами Передаваемые данные разделяются на небольшие фрагменты, независимо передаваемые по сети.

Организация передачи данных Способы коммутации Коммутация каналов Коммутация пакетов + обеспечиваются гарантированные характеристики качества канала + более эффективное использование каналов связи в случае пульсирующей нагрузки - задержка перед началом связи - возможен отказ в построении канала + возможность динамически распределять пропускную способность между абонентами - неопределённость пропускной способности и задержек при передаче (Qo. S) - возможность потери данных

Организация передачи данных Пакеты в многоуровневой модели Система А Процесс Система B сообщение данные кадр Среда передачи данных Процесс

Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO (OSI ISO) 7 7. Уровень приложений 6 6. Уровень представления данных 5 5. Сеансовый уровень 4 4. Транспортный уровень 3 3. Сетевой уровень 2 2. Канальный уровень 1 1. Физический уровень

Физический уровень Physical level 7 6 5 4 3 2 1 Задача уровня: Передача отдельных битов между непосредственно соединенными сетевыми устройствами Описывает физические аспекты передачи информации: Природа передающей среды Полоса пропускания Напряжение Крутизна фронтов Используемые частоты Размер и форма разъемов … Реализуется аппаратными методами в сетевом адаптере

Канальный уровень Data link level 7 6 5 4 3 2 1 Задача уровня: Передача данных, организованных в кадры (frame) без искажений между узлами сети, связанными одной средой передачи данных. На этом уровне: Осуществляется проверка возможности доступа к разделяемой среде Выделение кадров из потока данных, поступающих по сети, формирование кадров при отправке Вычисляются и проверяются контрольные суммы для проверки правильности передачи

Канальный уровень Data link level 7 6 Подуровни: Верхний: Logical Link Control (LLC) Установка виртуального канала связи n Взаимодействие с сетевым уровнем Реализуется сетевым адаптером и драйверами n 5 4 3 2 1 Нижний: Media Access Control (MAC) Контроль состояния сети n Доступ к разделяемой среде n Приём и передача кадров n Проверка правильности кадров n Повторная передача Реализуется сетевым адаптером n

Канальный уровень Data link level 7 6 5 4 3 MAC / физические / канальные адреса Необходимы для адресации устройств в рамках разделяемой среды Формат зависит от стандарта сети Как правило используется плоское адресное пространство Должна быть обеспечена уникальность адресов в рамках сетевого стандарта: 2 n 1 n Блоки адресов распределяются между производителями оборудования Каждое устройство получает уникальный адрес из выделенного производителю блока

Канальный уровень Data link level 7 6 5 4 3 2 1 Возможности: Достаточен для организации взаимодействия сетевых устройств в рамках одной разделяемой среды Недостатки: Фиксированная топология сети, как правило не допускающая резервных каналов Адреса имеют смысл в рамках одной технологии Плоское адресное пространство и произвольное распределение адресов затрудняют поиск маршрутов Широковещательные пакеты распространяются по всей сети Число подключаемых устройств и размер сети могут быть ограничены используемой технологией Ограниченная масштабируемость

Сетевой уровень Network level 7 6 Задача уровня: Доставка пакетов (packet) данных от отправителя к получателю в рамках составной сети произвольной топологии 5 4 3 2 1 На этом уровне: Сопрягаются сети, использующие различные технологии канального уровня Решается задача адресации в составной сети Осуществляется поиск маршрутов для передачи данных в условиях произвольной топологии сети

Сетевой уровень Network level 7 6 5 4 3 2 1 Маршрутизация: выбор маршрута доставки пакета от отправителя получателю. Критерии: • Количество транзитных узлов • Пропускная способность • Загруженность • Надёжность 1 • Стоимость • Задержки • … 2 3

Сетевой уровень Network level 7 Сетевые / логические / виртуальные адреса: 6 Идентифицируют сетевые устройства в рамках глобальной сети 5 4 3 Могут иметь иерархическую структуру Уникальны в пределах сети n 2 1 Распределяются специализированными организациями

Сетевой уровень Network level 7 6 5 4 3 2 1 Типы протоколов: Маршрутизируемые протоколы – реализуют продвижение пакетов через сеть Протоколы маршрутизации – используются маршрутизаторами для сбора информации о топологии сети и построения маршрутов Протоколы разрешения адресов – обеспечивают преобразование между сетевыми и MAC-адресами

Транспортный уровень Transport level 7 6 5 4 3 Задача уровня: Обеспечить высшим уровням доставку информации с требуемым уровнем надёжности и качеством услуг Обеспечение качества связи: Срочность Надёжность n 2 1 n n n Исправление искажений Повторная передача потерянных пакетов Корректировка порядка доставки/дублирования Организация виртуальных каналов связи

Транспортный уровень Transport level 7 6 5 4 3 2 1 Функции: Разбивка сообщений сеансового уровня на пакеты (датаграммы / datagram) Буферизация принимаемых пакетов Упорядочивание прибывающих пакетов Адресация прикладных процессов Управление потоком Требуемое качество выбирается клиентом

Сеансовый уровень Session level 7 6 5 4 3 2 1 Задача уровня: Обеспечение управления диалогом: n n n Установление способа обмена сообщениями (дуплексный, полудуплексный) Синхронизация обмена сообщениями Организация контрольных точек и обеспечение откатов

Уровень представления данных Presentation level 7 6 Задача уровня: Модифицировать форму представления данных для передачи по сети, не меняя содержания 5 4 3 2 1 Возможные функции: Шифрование Изменение кодировок Преобразование форматов …

Прикладной уровень Application level 7 6 Прикладной уровень составляет набор сетевых сервисов, предоставляемых системой конечному пользователю. 5 4 3 2 1 Единица обмена данными на этом уровне – сообщение (message).

Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO (OSI ISO) 7 7. Уровень приложений 6 6. Уровень представления данных 5 5. Сеансовый уровень 4 4. Транспортный уровень 3 3. Сетевой уровень 2 2. Канальный уровень 1 1. Физический уровень

Устройства передачи данных Физический уровень Транслируют поступившую на один порт информацию на все остальные порты. Ретранслятор / Repeater Обеспечивает восстановление качества сигнала, может использоваться для соединения разных сред передачи (в рамках одной технологии). Хаб / Hub Ретранслятор с числом портов больше двух.

Устройства передачи данных Канальный уровень Коммутатор / Switch Анализируют кадры канальном уровне n Используются для разделения сети на несколько сегментов. n Передают информацию только в тот сегмент, где находится получатель (по МАС-адресу). n w Снижается нагрузка на сеть w Повышается безопасность Как правило, анализ сети ведётся автоматически. n Могут выявлять ошибки, реже производить фильтрацию, … n

Устройства передачи данных Сетевой уровень Маршрутизатор / Router n n n Анализируют пакеты и адреса сетевого уровня Используются для объединения разнородных сетей Обеспечивают маршрутизацию в сетях произвольной топологии w Ручная настройка w Автоматическая, с применением специальных протоколов n n Не пропускают широковещательные пакеты Осуществляют фильтрацию трафика, распределение между альтернативными каналами…

Устройства передачи данных Верхние уровни модели OSI Шлюз – используется для передачи данных между сетями, имеющими существенно различающиеся архитектуры. Могут работать на самых верхних, вплоть до 7 уровня модели OSI. Как правило, реализуются программно. Решают такие задачи как: n n n передача электронной почты между сетями передача файлов …

Пример передачи данных в сети Глобальная сеть C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 1 Маршрутизатор M 1 A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 1 А. 4 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Получатель ? A. 1 A. 4 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Отправитель 1475 Глобальная сеть Получатель Данные A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 1 А. 4 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Получатель 1475 3856 A. 1 A. 4 Данные XXXXXX ARP таблица MAC Сетевой Глобальная 1202 A. 100 сеть A. 2 7213 3856 A. 4 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 1 Маршрутизатор M 1 A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 1 А. 4 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Получатель 3856 A. 1 A. 4 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Отправитель 1475 Глобальная сеть Получатель Данные A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 1 А. 4 Канальный уровень Таблица коммутации МАС Отправитель Получатель Отправитель 3856 A. 1 A. 4 XXXXXX 1 1 Глобальная 1202 2 сеть 7213 8555 3 3856 3 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Данные Получатель 1475 Порт 1475 Сетевой уровень A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 1 А. 4 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Получатель 3856 A. 1 A. 4 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Отправитель 1475 Глобальная сеть Получатель Данные A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 3 А. 4 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Хаб H 1 Отправитель Получатель 8555 Глобальная сеть Получатель 3856 ? A. 3 A. 4 C. 25 1201 C. 24 4413 1 Маршрутизатор M 1 2 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 ARP таблица MAC 1 Сетевой 3856 A. 4 7213 A. 2 S 1 1202 A. 100 Коммутатор A. 1 1475 Данные A. 2 7213 Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети А. 3 А. 4 Канальный уровень Таблица коммутации МАС Отправитель Получатель Отправитель 3856 A. 3 A. 4 XXXXXX 1 1 Глобальная 1202 2 сеть 7213 8555 3 3856 3 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Данные Получатель 8555 Порт 1475 Сетевой уровень A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети Глобальная сеть А. 3 Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель MAC 8555 ? 1201 Z. 76 A. 3 XXXXXX С. 24 8555 Получатель Сетевой 4413 Отправитель 1202 4413 ARP таблица Получатель Данные 9965 Глобальная сеть B. 6 1475 A. 1 C. 25 1201 C. 24 4413 1 Маршрутизатор M 1 2 Хаб H 1 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 Хаб H 2 3 S 1 Таблица маршрутизации Коммутатор Сеть Роутер Порт A. 1 1475 B. 200 1203 A. 2 7213 А --- 2 B --- 3 Любая С. 24 1 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети Глобальная сеть А. 3 Канальный уровень Таблица коммутации МАС Получатель Отправитель Получатель 1202 8555 Z. 76 A. 3 Данные 1 XXXXXX 1 7213 Отправитель Порт 1475 Сетевой уровень 1202 8555 3856 Глобальная 2 сеть 3 3 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 1 Маршрутизатор M 1 A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Отправитель Получатель C. 25 1201 C. 24 ARP таблица 4413 MAC A. 4 7213 A. 1 1475 1 A. 100 Хаб H 1 3856 A. 2 2 Сеть А Любая А. 100 Z. 76 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 S 1 Коммутатор Таблица маршрутизации A. 2 Роутер 7213 --- A. 3 Данные Получатель Маршрутизатор M 1 Сетевой 1202 Отправитель 1202 ? 8555 Глобальная сеть Сетевой уровень Порт 1 1 Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Таблица коммутации МАС Получатель Отправитель Получатель 8555 1202 A. 3 Z. 76 Данные 1 XXXXXX 1 7213 Отправитель Порт 1475 Сетевой уровень 1202 8555 3856 Глобальная 2 сеть 3 3 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 2 B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 1 Маршрутизатор M 1 A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Отправитель ARP таблица MAC Отправитель Получатель 4413 ? 1202 A. 3 Z. 76 1201 8555 XXXXXX С. 24 8553 9965 1475 Глобальная A. 3 B. 6 сеть A. 1 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 S 1 Таблица маршрутизации Коммутатор Сеть Роутер Порт А B B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Получатель Данные Сетевой 4413 Сетевой уровень A. 2 --7213 --- Любая С. 24 2 3 1 Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Сетевой уровень Отправитель Получатель ? ? 4413 A. 3 Z. 76 C. 25 1201 C. 24 4413 Хаб H 1 1 Маршрутизатор M 1 2 XXXXXX B. 200 1203 3 A. 100 1202 Сеть B 2 1 A. 1 1475 Отправитель 44? ? 1201 Глобальная сеть Получатель Данные A. 2 7213 S 1 Коммутатор Хаб H 2 3 A. 3 8555 A. 4 3856

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Сетевой уровень Данные Отправитель Получатель 4412 44? ? 4618 ? ? A. 3 Z. 76 Глобальная сеть R. 5 4618 S. 1 4617 Таблица маршрутизации Сеть M 3 M 2 С. 25 R. 9 K C. 25 1201 Сеть C. 25 P C. 24 4413 M 5 R. 5 Z R. 5 B. 200 1203 M 1 … 1 Z. 100 8389 Сеть Z Роутер А R. 10 4412 B M 4 S. 2 8390 R. 9 1872 XXXXXX Сеть K Сеть P Сеть T B … 3 2 A. 100 1202 Сеть A

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Сетевой уровень Данные Отправитель Получатель 4617 4412 8390 4618 A. 3 Z. 76 XXXXXX Глобальная сеть R. 5 4618 S. 1 4617 M 4 S. 2 8390 R. 9 1872 M 3 M 2 Сеть K Сеть P 1201 R. 10 B Z. 100 8389 Сеть B C. 24 4413 Таблица маршрутизации Сеть Роутер C. 25 А M 5 Сеть Z R. 10 4412 M 1 R. 10 1 Сеть P T K R. 9 Z S. 2 T R. 10 S. 2 B. 200 1203 3 2 A. 100 1202 Сеть A

Пример передачи данных в сети A. 3 Глобальная сеть Канальный уровень Сетевой уровень Данные Отправитель Получатель 8389 4617 7777 8390 A. 3 Z. 76 XXXXXX Глобальная сеть R. 5 4618 S. 1 4617 M 4 S. 2 8390 R. 9 1872 M 3 R. 10 4412 M 2 C. 24 4413 C. 25 1201 M 5 Сеть K Сеть P Сеть T B. 200 1203 M 1 1 Z. 100 8389 Сеть Z Сеть B 3 2 A. 100 1202 Сеть A