Структура мереж і протоколів

Олександр Дудкін

Різні типи мереж все щільніше інтегруються в наше життя, хоча ми цього деколи навіть не помічаємо, у той час як вони розкривають перед нами все більш широкі можливості. Кто-то про себе подумає: «Та не потрібні мені ці буржуйські штучки! », - і матиме рацію. Найближчим часом всілякі мережі обплутають нашу життя з усіх сторін. Все, починаючи від спілкування, закінчуючи віддаленим управлінням побутовими пристроями у нас вдома і на роботі, буде управлятися по мережі. У кого зараз немає стільникового телефону, в той час як ще 4 роки тому вони були не так вже й поширені. Так у найближчі роки не залишиться людини без ноутбука з бездротовою технологією Wi-Fi. Вже зараз ви можете перевіряти факси та пошту, що прийшли на ваш домашній номер телефону віддалено. Якщо врахувати, що всі вони можуть комутувати між собою і на апаратному рівні можуть бути інтегровані в будь-які пристрої, то їх можливості практично безмежні. Ви, наприклад, зможете на відстані перевіряти готуванням їжі в мікрохвильовій печі, з комп'ютера перевіряти безпеку у вас в квартирі, дивитися за дитиною, що залишилися одним будинку. Природно, за прокладку і налаштування таких мереж у найближчі роки ви викласти кругленьку суму, але є варіант все зробити самому, що набагато вигідніше й приємніше.

За Останнім часом з'явилася велика кількість нових стандартів в області мереж. Це породило чимало суперечок і замішання. Щоб вміти будувати власні мережі або хоча б вміти настроювати існуючі, необхідне розуміння принципів роботи мереж. Щоб розібратися в існуючій ситуації з мережами, ми пропонуємо цей матеріал.

Класифікація

Всі обчислювальні мережі (НД), в основному, класифікуються за географічним ознакою. Вони поділяються на локальні (LAN), регіональні (MAN) і глобальні (WAN). LAN працюють на території однієї будівлі або частини міста. У Як середовище передачі даних використовується «вита пара» (UTP), коаксіальний кабель і іноді оптоволокно ( «оптика» в просторіччі). MAN об'єднує локальні мережі і як правило, використовує оптоволокно. WAN, на відміну від попередників має низьку швидкість передачі даних і більша кількість помилок передачі. Для цього використовуються засоби телекомунікації: телефонні лінії, супутникові засоби та мікрохвильові передавачі.

За способу розподілу ресурсів ПС можуть бути однорангових, клієнт-серверні (з виділеним сервером) і змішаними. У тимчасових мережах всі комп'ютери рівноправні і відсутнє централізоване управління ресурсами та службами на комп'ютерах. В кожний конкретний момент кожен комп'ютер може бути сервером або клієнтом, надаючи або використовуючи ресурси інших комп'ютерів. Такі мережі мають сенс при наявності в мережі 5-15 комп'ютерів і відсутності єдиних розподіляються додатків. При роботі з виділеним сервером використовується клієнт-серверна схема, яка дозволяє централізовано забезпечувати безпека і керування, надавати централізоване сховище ресурсів і забезпечувати різні сервіси (наприклад, Web-сервіси, розподілене використання додатків). Така система більш складна в обслуговуванні, але надає набагато більше зручності, безпеки і добре масштабується.

Спосіб, за допомогою якого повідомлення обробляється структурними елементами (каналами зв'язку та інтерфейсами) і передається по мережі, називається мережевим протоколом. Проблеми поєднання різних елементів НД привели Міжнародну організацію стандартизації ISO до створення еталонної моделі архітектури нд OSI. У моделі OSI прийнятий принцип шаруватої архітектури, у якій усі функції мережі розділені на рівні таким чином, що вищерозміщені рівні використовують послуги по перенесенню інформації, що надаються нижче лежачих рівнів, тобто взаємодіють через інтерфейс, який має зберігатися, а самі рівні можуть бути замінені в будь-який момент. Єдиною проблемою може служити той факт, що деякі фірми виробники на той час вже розробили і впровадили свій стандарт, який може вписуватися, а може трохи відрізнятися від моделі OSI

Модель OSI

Отже, ця еталонна модель розподіляє мережеві функції з семи рівнів:

Рівень 7. Прикладної

Рівень 6. Подання даних

Рівень 5. Сеансовий

Рівень 4. Транспортний

Рівень 3. Мережевий

Рівень 2. Канальний

Рівень 1. Фізичний

При передачі інформації в моделі OSI використовується 3 типи адрес:

Фізичний адресу або MAC-адресу, яку записується виробником на мережевій платі і однозначно визначає фізичний пристрій.

Службовий (логічний) адреса, що визначає порт або сокет для служб провайдера або сервера.

Мережний (логічний) адреса, який визначає сегмент мережі, до якого приєднано пристрій і його логічний порядковий номер у сегменті.        

7 рівень         

        

ПРИКЛАДНОЇ             

6 рівень         

Представницькі             

5 рівень         

Сеансне             

4 рівень         

ТРАНСПОРТНИЙ             

3 рівень         

СЕТЕВОЙ             

2 рівень         

Канальні         

LLC             

MAC             

1 рівень         

ФІЗИЧНИЙ     

Таблиця 1. Багаторівнева архітектура зв'язку

На фізичному рівні визначаються характеристики електричних сигналів, напруги, механічні властивості кабелів і роз'ємів. На цьому рівні визначається фізична топологія мережі, спосіб кодування інформації та загальної синхронізації бітів. Дані на цьому рівні розглядаються як прозорий потік бітів.

Топологія мереж описує фізичне розташування програмно-апаратних компонентів (фізична топологія) та методи переміщення даних у середовищі (логічна топологія). До них відносяться:

загальна шина (bus);

кільце (ring);

стільниковий (cellular);

повнозв'язна (mesh).

зірка (star);

Комбінація цих топологій дає гібридну топологію (зірка на загальній шині, зірка на кільці). Саме ця топологія найбільш часто зустрічається в сучасних мережах. При виборі топології необхідно враховувати безліч факторів, таких, як відстань, ціна, питання безпеки, планована до використання операційна система, використання існуючого обладнання і т. д.

В системах з топологією загальна шина мережеві адаптери підключені паралельно до єдиного каналу зв'язку - магістралі. Управління шиною може бути як централізоване (станцією-арбітром), так і розподілене (рівноправне). Однією з найбільш відомих мереж із загальною шиною є Ethernet фірми Xerox на коаксіальному кабелі.

Шинна топологія представляє собою найшвидший і найпростіший спосіб установки маленької або тимчасової мережі. До недоліків такої топології слід віднести уразливість при неполадки в магістральному кабелі і трудність ізоляції окремих станцій або інших компонентів при неправильній роботі.

Для кільцевих систем характерна наявність однонаправленої замкнутого каналу зв'язку, який розривається мережевими пристроями доступу (інтерфейсами). Надіслане одним інтерфейсом повідомлення послідовно проходить по кільцю від одного вузла до іншого, поки не добереться до вузла-одержувача або не повернеться до свого відправнику. Класифікація кільцевих систем грунтується на застосуванні різних методів множинного доступу. Найбільш відомі петлі з жезловим (маркерні) управлінням, яке реалізовано у мережі Token Ring фірми IBM та волоконно-оптичної мережі FDDI (Fiber Distributed Data Interface), що має пропускну здатність 100 Мбіт/с і використовує топологію подвійного (надмірного) кільця. У разі пошкодження одного з них мережу автоматично переконфігуріруется.

Топологія кільця має ряд недоліків: його важко підтримувати і переконфігурувати в великих мережах. Крім того, неполадки в кабелі або однієї станції кільця фатальні для всього кільця.

Мережі із зірковою топологією мають як центрального вузла концентратор, який як би тиражує прийшло по одній з ліній зв'язку повідомлення і розсилає його всім іншим станціям мережі. Таким чином, організовується широкомовна передача. Як приклад подібних мереж можна привести мережа Fast Ethernet на кручений парі зі швидкістю передачі 100 Мбіт/с.

До достоїнств таких топологій слід віднести прекрасне масштабування, незалежність працездатності всієї мережі від несправностей на окремій станції або фрагменті кабельної системи, відносна простота розширення мережі та її реконфігурірованія. Недоліками топології є необхідність більшого кількості кабелю, більше, ніж при інших топологіях, і залежність працездатності мережі від концентратора.

Мережі з топологією у вигляді сот визначають принципи бездротового зв'язку для географічних областей, розділених на клітинки (соти). Кожна комірка являє собою частину загальної області, всередині якої функціонують конкретні з'єднання, що зв'язують пристрої з центральною станцією. Центральні станції з'єднані у вигляді сітки. У цьому випадку при пересиланні інформації існує безліч альтернативних маршрутів, що дозволяє підтримувати відмовостійкість мережі, оптимізувати навантаження при передачі і гарантувати мінімальну затримку з доставкою повідомлень. Приклад таких мереж - Wi-Fi і Wi-Max, що вже розгортаються в Москві і Санкт-Петербурзі, а також мережі стільникового зв'язку.

Фізичний рівень визначає, що вся інформація в мережах передається вигляді пакетів, тобто частин одного повідомлення. Тим пакетами надсилається службова інформація та пакети інших повідомлень. Таким чином, користувачам здається, що їх дані передаються одночасно. Насправді, майже всі мережі в світі є мережами з комутацією пакетів. Способів комутації безліч, але основні з них два: встановлення віртуального з'єднання з підтвердженням прийому кожного пакету і передача дейтаграм.

Встановлення віртуального з'єднання (каналу) є набагато більш надійним способом обміну інформації. При такому з'єднанні, якщо пакет прийнятий неправильно або зіпсований (наприклад, через перешкоди в лінії), то відправник повторює передачу. Дейтаграми (короткі повідомлення) пересилаються адресату без підтвердження отримання кожної з них. Про одержання всього повідомлення сповіщає цільова програма.

Для визначення початку і кінця пакетів використовуються управляючі службові поля пакети з інформацією про довжину даних, фіксована довжина кадру або бітстаффінг (включення 0 після кожної послідовності з 6 одиниць, у тому числі після заголовка і кінця кадру).

Фізичний рівень визначає фізичні характеристики використовуваного середовища передачі даних (коаксіальний кабель, кручені пари, оптоволокно), організованої за допомогою різних топологій. Він описує також взаємодії за допомогою радіозв'язку і інфрачервоних променів (бездротові мережі), оптоволоконні кабелі і кабель RS-232, використовуваний для підключення модемів до комп'ютерів.

Канальний рівень визначає правила спільного використання вузлами мережі фізичного рівня. Протоколи цього рівня визначають, яким чином біти інформації організуються в логічні послідовності (кадри, фрейми), і розташування і вид контрольної інформації (заголовки і концевики). Цей рівень структурований за двома підрівня: управління доступом до середовища - MAC (Media Access Control) і управління логічної зв'язком - LLC (Logical Link Control).

МАС-підрівень підтримує множинний доступ до каналу зв'язку, здійснює прийом і передачу інформаційних і керуючих кадрів, виявляє помилки за перевірочної послідовності кадрів або за його довжині. Фізичний MAC-адресу мережевої карти поміщається в заголовок кадру і використовується для ідентифікації приймача та/або джерела.

На підрівні LLC визначається клас обслуговування, здійснюється контроль помилок передачі, синхронізація кадрів.

Мережний рівень визначає, як передаються дані (пакети). Як правило, протоколи цього рівня дейтаграмним, але що забезпечують високу продуктивність мережі. Перш за все, вони використовуються для отримання службової інформації, такий як адреси для маршрутизації повідомлень в багатосегментний ЛВС, так як маршрутизатори працюють на мережному рівні.

Транспортний рівень забезпечує найвищий рівень управління процесом переміщення даних з однієї системи в іншу. За допомогою виявлення і корекції помилок транспортний рівень забезпечує якісну і точну доставку. Цей рівень забезпечує одержання всіх даних і правильну черговість проходження пакетів. На цьому рівні між системами встановлюється віртуальна зв'язок. Під час сеансу передачі дві системи самі підтримують передачу даних.

Рівень сеансу координує обмін інформацією між системами. Цей рівень називається так по встановлюється і завершуємо сеансу комунікації. Якщо одна система працює повільніше інший або пакети передаються не в тому порядку, то потрібно координація. На рівні сеансу до пакетів додається інформація, яку використовують комунікаційні протоколи і яка служить для підтримки сеансу до завершення передачі.

Рівень подання. Протоколи на рівні поняття є частиною операційної системи і додатків, які користувач виконує на комп'ютері. На цьому рівні інформація форматується для виведення на екран і друку, також відбувається кодування даних, форматування, стиснення і т. д. Прикладної рівень обслуговує запити користувачів мережі на спільно використовувані послуги (електронна пошта, файли і друк, бази даних і т.д.), організує санкціонований доступ до запитуваним ресурсів, захищає мережу від вторгнення порушників. Користувачі дають команди запиту на мережеві пристрої, які оформляються в пакети і передаються по мережі за допомогою протоколів більш низького рівня.

Стандарт IEEE 802

Розширюючи фізичний і канальний рівень, стандарт мережних комунікацій Інституту інженерів в області електротехніки і електроніки IEEE 802, розроблений для фізичних компонентів мережі, визначає, яким чином мережевий адаптер отримує доступ до мережевого кабелю і як він передає дані. В опис стандарту входять інтерфейсні плати, мости, маршрутизатори та інші компоненти, що використовуються для створення мереж із застосуванням коаксіального кабелю або "витої пари". Сюди включаються також глобальні мережі, що використовують загальні носії, такі, як телефонна система.

Стандарт 802 об'єднує 16 компонентів, нас цікавлять наступні: 802.3 - локальні мережі CSMA/CD - множинний доступ з визначенням несучої і визначенням конфліктів (фактично Ethernet);

802.6 - регіональні мережі MAN (Metropolitan Area Network);

802.8 - Технічна консультаційна група по оптоволоконних мереж;

802.11 - Бездротові мережі;

802.16 - Бездротовий широкосмуговий доступ.

Стандарти 802.3-802.7 дозволяють комп'ютерам і пристроям багатьох незалежних постачальників логічно зв'язуватися один з одним за допомогою "витої пари", коаксіального кабелю або інших типів носія.                                   

ПРИКЛАДНОЇ                      

Представницькі                      

802.10         

Сеансне                      

802.1         

ТРАНСПОРТНИЙ                      

СЕТЕВОЙ                      

802.2                  

Канальні                      

802.3         

802.4         

802.5         

802.6         

802.9         

802.11         

802.12                      

ФІЗИЧНИЙ                               

802.7, 802.8                       

Таблиця 2. Порівняння OSI і IIEE 802

На кожному з перерахованих вище рівнів моделі OSI працюють свої протоколи, володіння якими і складає роботу адміністратора мережі. Розуміння взаємодії протоколу з мережею дозволяє вам створювати мережі, починаючи з домашньої ЛВС, закінчуючи великими мережами з гібридної топологією. Для цього потрібно не тільки уміння налаштовувати протоколи, а й уміння на фізичному рівні поєднувати сегменти мережі.

Протоколи WAN

Протоколи ГВП дозволяють пов'язувати між собою на великих відстанях не тільки окремі комп'ютери, але і ЛВС.

SLIP. Протокол для послідовних ліній SLIP був спроектований для забезпечення зв'язку з мережами ТСР/IP через публічну телефонну мережу. В даний час цей протокол використовується для зв'язку по телефону з Інтернет-провайдером в Unix-системах.

SLIP діє на фі?? іческом рівні моделі OSI. Незважаючи на простоту реалізації, цей протокол має ряд недоліків:

підтримує тільки IP як транспорт;

НЕ підтримує узгодження IP-адрес;

НЕ забезпечує аутентифікацію.

РРР. Протокол з'єднання РРР точка-точка використовується як альтернатива SLIP. Він володіє рядом можливостей фізичного і канального рівнів. До його достоїнств відносяться:

контроль помилок;

підтримка транспортів TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS;

узгодження адреси IP підтримкою протоколу динамічної конфігурації вузла DHCP;

пароль для реєстрації входу.

Протокол РРР найбільш популярний для телефонного доступу в Інтернет.

Х.25. Протоколи Х.25, призначені тільки для передачі даних, що описують взаємодія на фізичному, канальному і мережевому рівнях, відрізняються підвищеною надійністю і використовуються, в основному, у банківських мережах.

Frame Relay. Мережа з ретрансляцією кадрів Frame Relay використовує встановлення постійного віртуального каналу PVC між кінцевими точками для перенесення даних. Мережа діє на швидкостях від 56 Кбіт/с до 1,544 Мбіт/с.

Лінії T1 і ТЗ. Цифрова лінія Т1 являє собою двоточковим технологію передачі, яка складається з 24 каналів по 64 Кбіт/с кожен, тобто 1,5 Мбіт/с загальної пропускною здатністю. Більш швидка лінія називається ТЗ і являє собою еквівалент 28 ліній Т1 із загальною швидкістю передачі даних і голосу 44,736 Мбіт/с. Витрати по щомісячному обслуговування таких ліній досить високі, тому можлива оренда тільки частини смуги пропускання у вигляді декількох каналів.

ISDN. Інтегровані служби цифрових мереж ISDN призначені для комбінованої передачі голосу й даних через цифрові телефонні лінії і спеціальні ISDN-модеми. ISDN описує взаємодію на фізичному, канальному і мережевому рівнях і використовує мультиплексування з поділом часу (TDM) для перетворення аналогових сигналів у цифрові.

ATM. Технологія асинхронної передачі ATM використовує протокол комутації пакетів, який пересилає дані в локальних і глобальних мережах фрагментами (cells) по 53 байти зі швидкістю до 622 Мбіт/с.

Стеки протоколів

Як уже згадувалося, багато хто розробники не дотримуються точно стеку протоколів OSI. Вони застосовують свої стеки протоколів, близько нагадують модель OSI і сумісні з ній. Напряму можуть «спілкуватися» тільки мережі одних протоколів. TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) був одним з перших стеків мережевих протоколів. IP-складова забезпечує одне з кращих на сьогодні визначень міжмережевий зв'язку і застосовується багатьма розробниками як методу взаємодії продуктів у ЛВС і ГВС. Протоколи NetBEUI/NetBIOS фірми Microsoft представляють собою транспортний і мережевий протоколи, не підтримують маршрутизацію. Мають хорошими часовими характеристиками, захистом від помилок, легко реалізуються. Протокол NetWare SPX/IPX - це "рідний" протокол фірми Novell для мереж NetWare, який зараз практично не використовується. Протоколи AppleTalk були визначені фірмою Apple Computer в Як спосіб взаємодії систем Apple Macintosh.

Мережеве обладнання

Одна з найпоширеніших на даний момент в світі мереж - це Ethernet? Який дозволяє досягти найвищої ККД пропускної здатності каналу - 93%. Для побудови мереж цього типу використовується неекранована (UTP) і екранована (STP) «вита пара», коаксіал і оптоволокно. Найдешевшою і швидкої в побудові мережі вважається «вита пара». Але це середовище передачі має значне обмеження - максимальна довжина сегмента 100-150 м. Але протоколи мережевого рівня дозволяють поєднати кілька сегментів через повторювачі, мости, комутатори і маршрутизатори. Кількість сегментів має бути не більше п'яти.

Повторювач підсилює сигнал мережевого кабелю, який згасає на відстані більше 100 м. Він працює на фізичному рівні стека протоколів, не вимагає програмного забезпечення і являє собою звичайно автономний пристрій, що не дає непродуктивних витрат при передачі даних. Таким чином, за допомогою нарощування сегментів загальна протяжність мережі може досягати 500 м. Комп'ютери, пов'язані повторювачем вважаються що належать одному сегменту. Кількість комп'ютерів в сегменті не повинно перевищувати 50.

Міст - Це пристрій рівня зв'язку даних, що об'єднує дві або більше мережі з одного або різною топологією. Зазвичай це комп'ютер з декількома мережевими платами, до кожній з яких приєднаний свій сегмент ЛОМ. Основним завданням моста служить забезпечення прозорої зв'язку між абонентами різних мереж, тобто трансляція і фільтрація MAC-кадрів. Відбувається це за допомогою перетворення протоколів рівня MAC з адресами цільової робочої станції. Трафік між локальними мережами не фільтрується, тому при сильному трафіку можливі деякі втрати в продуктивності. Підключення до мостів відбувається через порти.

При передачі інформаційних кадрів міст вважається неадресуемим, але при зміні активної конфігурації мости обмінюються керуючими кадрами і в якості адреси одержувача в кожному мосту виділяється адресу одного-єдиного порту, який вважається керуючим. В даний час багато функцій мостів реалізуються маршрутизаторами, які пропонують додаткові кошти функції маршрутизації. В останні кілька років ціни на маршрутизатори неухильно знижуються, і це робить їх кращим варіантом об'єднання ЛОМ. Основний функцією будь-якого моста є обмеження потоку даних між сегментами мережі, тому так важливо правильно розміщувати їх. Для цього використовується правило 80/20, відповідно до якого не менше 80% трафіку даних повинні бути локальними, не більше 20% - зовнішніми. Якщо вказане співвідношення не виконується, то використання мостів стає неефективним. Якщо в існуючій конфігурації мережі неможливо задовольнити вимогу 80/20, то слід перенести частину системи з одного сегмента в інший.

Комутатори (комутуючі концентратори, switches) - поєднують в собі функції багатопортовий повторювача і високошвидкісного мосту. Їх спрощеної «Неінтелектуальної» версією виконання є концентратори (хаби), які просто на фізичному рівні з'єднують сегменти мережі «зіркою» і розсилають все пакети на всі порти. Коммутатор (свич), працюючи як на канальному, так і на мережевому рівні, ж створює таблицю МАС-адрес всіх пристроїв, підключених до його портів, і використовує її для передачі пакетів тільки в потрібний порт. Найбільшого поширення набули свічі з пропускною здатністю 100 Мбіт/с. Іноді зустрічаються комутатори, що мають порти обох типів. Виробляються комутатори, що працюють з різними МАС-протоколами, наприклад Ethernet і FDDI.

Маршрутизатор вимагає більш високого рівня протоколів архітектури зв'язку, чим міст або комутатор. Він пов'язує сегменти мережі через мережний рівень. Наприклад, інструкції з маршрутизації пакетів містяться в мережевому рівні IP. Маршрутизатор відрізняється від моста тим, що він може зчитувати адреса робочої станції та адреса ЛОМ у пакеті. Завдяки цьому маршрутизатор може фільтрувати пакети і спрямує його по найкращому можливому маршруту, який визначає по таблиці маршрутизації.

Протоколи маршрутизації визначають метод, за допомогою якого маршрутизатори можуть взаємодіяти один з одним, спільно використовувати інформацію про мережу. Ці протоколи можуть виконуватися в маршрутизаторах для побудови таблиць маршрутизації або обміну інформацією про маршрутизації з іншим маршрутизатором. З часом таблиці маршрутизації маршрутизуючих пристроїв будуть містити приблизно одну й ту ж інформацію. Два основні протоколи маршрутизації в TCP/IP - це RIP і OSPF.

Шлюзи звичайно працюють на найвищому рівні стека протоколів і забезпечують взаємодія систем та мереж, які використовують несумісні протоколи. Прикладами міжсистемних продуктів є пакет електронної пошти. Вони дозволяють обмінюватися поштовими файлами користувачів на самих різних системах. Це приблизно той набір елементів, яким доводиться оперувати, щоб створити саму просту мережу, хоч у себе вдома. Розуміючи, що робить кожен з вище перелічених учасників конгломерату, всі мережеві настройки в ОС стають більш-менш очевидні. Так що вперед, за створення своїх мереж, нехай для початку маленьких, але власних!

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.hostmake.ru/