Назовите основные протоколы Интернет и их назначение. Протокол связи: передача данных

Немного теории. Протоколы передачи данных — это наборы соглашений (считай, стандарты), которые регулируют обмен данными между различными программами. Смысл протоколов передачи данных в том, чтобы эту самую передачу упорядочить и сделать независимой от аппаратной платформы (т.е. от какой-то одной конкретной «железяки»).

Протокол не следует путать с интерфейсом подключения и вообще с физическим уровнем (хотя такой термин и встретится нам в рассматриваемой далее модели). Протокол это уровень логический .

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы регулируют обмен связи между двумя соединенными в сеть устройствами. Вообще, что мы в данном случае подразумеваем под сетью? Соединение компьютера и монитора это сеть? Нет, поскольку в данном случае монитор — это устройства вывода. Происходит вывод информации на экран, но не обмен ею. Соответственно, под сетью мы подразумеваем связь двух и более устройств, способных хранить и обрабатывать информацию.

Чаще всего сетевые протоколы классифицируют по модели OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Модель состоит из семи уровней и упрощает понимание функционирования сети. Уровни располагаются вертикально друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом по вертикали через интерфейсы, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы по горизонтали с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и с себе подобным.

Нетрудно догадаться, что прикладной уровень является самым верхним (седьмым), а физический лежит в основе основ (первый уровень).

Пойдем снизу вверх.

1. Физический уровень — на этом уровне работают хабы и ретрасляторы сигнала. Здесь осуществляется передача данных по проводам или беспроводным путём. Происходит кодировка сигнала. Осуществляется стандартизация сетевого интерфейса (пример, разъем RJ-45).

2. Канальный уровень — уровень коммутаторов, мостов и драйверов сетевых карт. Данные упаковываются во фреймы, проверяются ошибки и данные отправляются на сетевой уровень.

Протоколы: Ethernet, FDDI, PPP, PPTP, L2TP, xDSL и др.

3. Сетевой уровень — здесь определяется путь передачи данных, определяется кратчайший маршрут, происходит контроль неисправностей сетей. Это уровень маршрутизаторов.

Протоколы: IPv4, IPv6, ARP, ICMP.

4. Транспортный уровень отвечает за механизм передачи. Блоки данных разбиваются на фрагменты, избегаются потери и дублирование.

Протоколы: TCP, UDP, RDP, SPX, SCTP и др.

5. Сеансовый уровень отвечает за поддержание сеанс связи. Создание и завершение сеанса, права передачи данных и поддержание сеанса в момент неактивности приложений — всё происходит на этом уровне.

Протоколы: SSL, NetBIOS.

6. Уровень представления занимается кодированием и декодированием данных. Данные из приложения преобразуются в формат для транспортировки по сети, а пришедшие из сети в формат, понятный приложению.

Протоколы: FTP, SMTP, Telnet, NCP, ASN.1 и др.

7. Прикладной уровень — это уровень взаимодействия сети и пользователя. На этом уровне различные программы, которыми пользуется человек, получают доступ к сети.

Протоколы: HTTP, HTTPS, FTP, POP3, SSH, XMPP, DNS, SIP, Gnutella и др.

Популярные протоколы

HTTP, HTTPS — протоколы передачи гипертекста. Используется при пересылке web-страниц.

FTP — протокол передачи файлов. Используется для обмена данными между компьютерами, некоторые из них играют роль специальных хранилищ файлов — файловых серверов.

POP — протокол почтового соединения. Предназначен для обработки запросов на получение почты от пользовательских почтовых программ.

SMTP — почтовый протокол, отвечающий за правила передачи сообщений.

Telnet — протокол удаленного доступа.

TCP — сетевой протокол, отвечающий за передачу данных в сети Интернет.

Ethernet — протокол, определяющий стандарты сети на физическом и канальном уровнях.

Протоколы это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам общаться друг с другом.

Запомните три основных момента, касающихся протоколов:

Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.

Функции протокола определяются уровнем, на котором они работают.

Несколько протоколов могут работать совместно. Это так называемый стек протоколов. В совокупности протоколы дают полную характеристику функциям и возможностям стека.

Работа протоколов

Передача данных по сети, с технической точки зрения, должна быть разбита на ряд последовательных шагов, каждому из которых соответствуют свои правила и процедуры, или протоколы. Таким образом, сохраняется строгая очередность в выполнении определенных действий.

Кроме того, эти действия (шаги) должны быть выполнены в одной и той же последовательности на каждом сетевом компьютере. На компьютере-отправителе эти действия выполняются сверху вниз, а на компьютере-получателе снизу вверх.

Компьютер-отправитель

Компьютер-отправитель в соответствии с протоколом выполняет следующие действия:

разбивает данные на небольшие блоки, называемые пакетами, с которыми может работать протокол;

добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему;

подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее по кабелю.

Компьютер-получатель

Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет те же действия, но в обратном порядке:

принимает пакеты данных из сетевого кабеля;

через плату сетевого адаптера передает пакеты в компьютер;

удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером-отправителем;

копирует данные из пакета в буфер для их объединения в исходный блок данных;

передает приложению это блок данных в формате, который оно использует.

И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо каждое действие выполнять одинаковым способом, с тем чтобы пришедшие по сети данные совпадали с отправленными.

Если, например, два протокола будут по-разному разбивать данные на пакеты и добавлять информацию (о последовательности пакетов, синхронизации и для проверки ошибок) тогда компьютер, использующий один из протоколов, не сможет успешно связаться с компьютером, на котором работает другой протокол.

Маршрутизируемые и немаршрутизируемые протоколы

Когда локальные сети достигли высокого уровня развития и объем передаваемой ими коммерческой информации возрос, ЛВС стали компонентами больших сетей.

Данные, передаваемые из одной локальной сети в другую по одному из возможных маршрутов, называются маршрутизированными. Протоколы, которые поддерживают передачу данных между сетями по нескольким маршрутам, называются маршрутизируемыми (routable) протоколами. Так как маршрутизируемые протоколы могут использоваться для объединения нескольких локальных сетей в глобальную сеть, их роль постоянно возрастает.

Протоколы в многоуровневой архитектуре

Несколько протоколов, которые работают в сети одновременно, обеспечивают следующие операции с данными:

подготовку;

передачу;

• последующие действия.

Работа различных протоколов должна быть скоординирована так, чтобы исключить конфликты или незаконченные операции. Этого можно достичь с помощью разбиения на уровни. Каждый уровень определяет различные протоколы для управления функциями связи или ее подсистемами. Каждому уровню присущ свой набор правил. Чем выше уровень, тем сложнее становятся решаемые им задачи и связанные с этими задачами протоколы.

Рассмотренная в лекции 16 модель OSIпредставляет собой некоторый абстрактный идеал, практически не применяемый в реальных условиях.

Стандартные стеки

В компьютерной промышленности в качестве стандартных моделей протоколов разработано несколько стеков. Вот наиболее важные из них:

набор протоколов ISO/OSI;

IBM System Network Architecture (SNA);

Digital DECnet TM ;

• Apple Apple Talk ® ;

  набор протоколов Интернета, TCP/IP.

Протоколы этих стеков выполняют работу, специфичную для своего уровня. Однако, коммуникационные задачи, которые возложены на сеть, приводят к разделению протоколов на три типа:

прикладной;

транспортный;

Транспортный протокол можно рассматривать как зарегистрированную почтовую службу. Вы передаете конверт (данные) в почтовое отделение, а затем остается убедиться, что почта дошла до адресата. Аналогично, транспортный протокол гарантирует, что передаваемые данные доходят до заданного адресата, проверяя получаемую от него квитанцию. Он выполняет контроль и исправление ошибок без вмешательства более высокого уровня.

Протоколы устанавливаются и удаляются аналогично тому, как устанавливаются и удаляются драйверы. Чаще всего они устанавливаются автоматически при инсталляции операционной системы.

WindowsNTпоставляется с тремя сетевыми транспортными протоколами, каждый из которых предназначен для сетей различных размеров и с разными требованиями:

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)  самый сложный транспортный протокол для всемирных глобальных коммуникаций, таких как Internet. От других протоколов, ориентированных на конкретную сетевую среду, его отличает то, что он хорошо работает и в локальных, и в глобальных сетях.

Рассмотрим более подробно характеристики этого протокола.

Хорошее восстановление после отказов. Протокол создавался военной среды, поэтому сеть должна выжить даже при “отмирании” ее больших частей.

Возможность оперативного подключения новых подсетей . Это означает, что предусматривается возможность включения в объединенную сеть новых сетей без нарушения сетевого сервиса.

Способность обработки большого количества ошибок . Другими словами, это способность выдержать непредсказуемые уровни ошибок, обеспечивая при этом 100% надежную связь между пунктами (если, например, некоторые используемые каналы связи уничтожены ураганом, то потерянная информация будет транслироваться повторно и передаваться через другие пункты).

Независимость от конкретного производителя или типа сети . Эта сетевая архитектура должна поддерживать сети любого типа.

Незначительные непроизводительные потери при передаче данных . Подавляющее число пакетов данных, использующих протоколIP, имеют простой 20-байтовый заголовок фиксированной длины. Простые протоколы означают быструю передачу и коммутацию пакетов.

В настоящее время TCP/IPпревратился в большой пакет программного обеспечения, получивший собирательное название комплектаTCP/IP.

IP (Internet Protocol )

Наиболее фундаментальной частью Internetявляется так называемый межсетевой протоколIP. Если необходимо передать данные по объединенной сети (интерсети), то их нужно оформить в виде пакетаIP. Затем этот пакет маршрутизируется из одной части интерсети в другую. Рассмотрим, как протоколIPобеспечивает передачу сообщений из одной части интерсети в другую. Интерсеть состоит минимум из двухподсетей . На рис.

изображены два сегмента локальных сетей EthernetRomeиCarthage. В сегментеRomeимеется три компьютераА, В, С. Три других машины (F,G,H) расположены в сегментеCarthage. Каждый компонент одного сегмента “слышит” весь трафик данного сегмента. (Ethernet  наиболее популярный стандарт уровня каналов связи для организации локальных сетей. Ethernet реализует множественный доступ с контролем среды передачи данных и обнаружением конфликтов ).

Подсети и маршрутизаторы

Большая часть архитектуры интерсети строится, исходя из принципа, что ПК А, В, С могут непосредственно взаимодействовать друг с другом, а машиныF,G,Hпередавать информацию между собой, но компьютеры А, В, Сне в состоянии обмениваться данными сF,G,Hбез помощи машины, оснащенной платамиEthernetDиE. МашинаD/Eбудет функционировать какмаршрутизатор устройство, обеспечивающее коммутацию между различными сетевыми сегментами. Поэтомуподсеть совокупность машин, взаимодействующих друг с другом без помощи маршрутизации.

Сетевые службы и протоколы.

Сетевые протоколы фактически управляют сетью, указывая сетевым устройствам, что они должны делать. Сетевые протоколы - это набор правил по которым работает сеть. Для передачи информации по сети, компьютеры должны использовать один и тот же набор правил, т.е. единый сетевой протокол.
Сетевые службы предназначены для выполнения определенных функций, в рамках действующего протокола, например служба разрешения имен, служба автоматического выделения адресов и т.д.

Существует множество типов сетевых протоколов, работающих в разных сетях и на разных уровнях модели OSI. Вот некоторые из них:

• TCP/IP
• NetBEUI
• IPX/SPX
• NWLink
• Apple Talk

Протоколы удаленного доступа

В состав операционных систем Windows входит служба Routing and Remote Access Service (RRAS), которая позволяет удаленным клиентам прозрачно подключаться к удаленному серверу. Служба RRAS поддерживает три протокола удаленного доступа:

• Point-to-Point Protocol (PPP) - стандартизованный набор протоколов обеспечивающий:
  • механизм согласования параметров устройств передачи данных;
  • механизм сжатия передаваемой информации с целью повышения эффективности и надежности передачи;
  • механизм обнаружения и исправления ошибок;
  • механизмы защиты, предотвращающие несанкционированные подключения.
• Serial Line Internet Protocol (SLIP) - простой протокол, не располагающий средствами обнаружения ошибок, возникающих при передаче данных, и позволяющий использовать только один протокол сетевого уровня - IP, что делает его малоэффективным.
• Asynchronous NetBEUI (AsyBEUI) - протокол службы удаленного доступа Microsoft, известный также как асинхронный NetBEUI; применяется устаревшими клиентами удаленного доступа под управлением Windows NT, Windows 3.1, Windows for Workgroups, MSDOS и LAN Manager.

Стек протоколов TCP/IP.

Стек TCP/IP - набор протоколов, разработанных для обеспечения взаимосвязи различных устройств в сети Интернет. Стек включает следующие протоколы

Протокол IP (Internet protocol) - основной протокол сетевого уровня. Определяет способ адресации на сетевом уровне. Обеспечивает маршрутизацию в сетях, представляющих собой объединение сетей, базирующихся на разных сетевых технологиях.

Протокол ARP (Address Resolution Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для определения аппаратного адреса узла назначения по заданному IP-адресу.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для обмена информацией об ошибках передачи данных протоколом IP, а также для обмена управляющей информацией на сетевом уровне. В частности, утилита PING использует этот протокол для посылки так называемого "эхо-запроса".

Протокол IGMP (Internet Group Management Protocol) - протокол, используемый для отправки данных определенной группе получателей.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол, обеспечивающий гарантированную доставку данных с установлением виртуального соединения между программами, которым требуется использовать сетевые услуги. Установление виртуального соединения предполагает, что получатель готов к приему данных от конкретного отправителя. Это означает, что все параметры взаимодействия согласованы, и компьютер-получатель выделил соответствующие ресурсы для обеспечения приема.

Протокол UDP (User Datagram Protocol) - протокол, обеспечивающий негарантированную доставку данных без установления виртуального соединения между программами, которым требуется использовать сетевые услуги.

Транспортные протоколы TCP и UDP.

Протокол IP обеспечивает доставку данных между двумя (или более) компьютерами. Однако на одном узле может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами сетевого уровня.

Другой серьезной проблемой IP является невозможность передачи больших массивов данных. Протокол IP разбивает передаваемые данные на пакеты, каждый из которых передается в сеть независимо от других. В случае если какие-либо пакеты потерялись, то модуль IP на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, т.е. нарушение целостности общего массива данных.

Для решения этих проблем разработаны протоколы транспортного уровня TCP и UDP.

Идентификация программ в протоколах TCP и UDP обеспечивается уникальными числовыми значениями, так называемыми номерами портов. Номера портов назначаются программам в соответствии с ее функциональным назначением на основе определенных стандартов. Для каждого протокола существуют стандартные списки соответствия номеров портов и программ. Так, например, программное обеспечение WWW, работающее через транспортный протокол TCP, использует TCP-порт 80, а служба DNS взаимодействует с транспортными протоколами TCP и UDP через TCP-порт 53 и UDP-порт 53 соответственно.

Таким образом, протокол сетевого уровня IP и транспортные протоколы TCP и UDP реализуют двухуровневую схему адресации: номера TCP- и UDP-портов позволяют однозначно идентифицировать программу в рамках узла, однозначно определяемого IP-адресом. Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети Интернет. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).

Дополнительно к этому протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных. Принцип гарантированной доставки основан на том, что передающий компьютер всегда "знает", были ли доставлены данные получателю или нет. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу. Режим передачи с гарантией доставки имеет существенный недостаток - сеть дополнительно загружается пакетами-подтверждениями. Это может оказаться принципиальной проблемой на каналах с низкой производительностью. Поэтому для передачи небольших порций данных, если нет необходимости в подтверждении, или для передачи потоковых данных (например, видео или аудио) используется протокол передачи с негарантированной доставкой UDP.

Компоненты прикладного уровня HTTP, FTP, SMTP, SNMP, Telnet.

На прикладном уровне работает множество стандартных утилит и служб TCP/IP, к числу которых относятся:

• протокол НТТР - используется для организации доступа к общим данным, расположенным на веб-серверах, с целью публикации и чтения общедоступной информации. Протокол HTTP описывает взаимодействие между HTTP-серверами (веб-серверами) и HTTP-клиентами (веб-браузерами). В состав Windows XP и Windows Server 2003 входит как клиентская часть (веб-браузер Internet Explorer v6.0), так и серверная (веб-сервер Internet Information Server, IIS);
• протокол FTP - служба Интернета, обеспечивающая передачу файлов между компьютерами. В Windows XP и Windows Server 2003 поддерживаются клиенты FTP: Internet Explorer v6.0 и утилита командной строки FTP. Сервер FTP входит в состав Web-сервера IIS;
• протокол SMTP - применяется почтовыми серверами для передачи электронной почты. Сервер IIS поддерживает работу с протоколом SMTP для обработки почтовых сообщений;
• протокол Telnet - протокол эмуляции терминала, применяемый для подключения к удаленным узлам сети. Telnet позволяет клиентам удалено запускать приложения; кроме того, он упрощает удаленное администрирование. Реализации Telnet, доступные практически для всех ОС, облегчают интеграцию в разнородных сетевых средах. В Windows XP и Windows Server 2003 включены клиент и сервер Telnet;
• службы имен - набор протоколов и служб позволяющий управлять именованием компьютеров в сети;
• протокол SNMP - позволяет централизованно управлять узлами сети, например серверами, рабочими станциями, маршрутизаторами, мостами и концентраторами. Кроме того, SNMP можно использовать для конфигурирования удаленных устройств, мониторинга производительности сети, выявления ошибок сети и попыток несанкционированного доступа, а также для аудита использования сети.

Протокол NetBEUI.

Протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User interface) разрабатывался как протокол для небольших локальных сетей, содержащих 20-200 компьютеров. NetBEUI - немаршрутизируемый протокол, поскольку в нем не реализован сетевой уровень. Данный протокол поддерживается всеми операционными системами Microsoft, однако в современных версиях Windows он выключен по умолчанию и используется, в основном, для поддержки рабочих станций Windows 9х.

Операционные системы Windows XP и Windows Server 2003 не поддерживают сетевой протокол NetBEUI. Данный протокол не включен в список сетевых протоколов устанавливаемых при инсталляции Windows.

При обновлении предыдущей версии Microsoft Windows с установленным протоколом NetBEUI мастер проверки совместимости выводит сообщение о том, что протокол NetBEUI будет удален при обновлении операционной системы, т.к. является несовместимым с Windows XP.

Однако, возможность установки протокола NetBEUI в Windows XP существует. На установочном компакт-диске присутствуют файлы Netnbf.inf и Nbf.sys, необходимые для его установки. Чтобы установить протокол NetBEUI выполните следующие действия:
1. Нажмите кнопку Пуск, откройте Панель управления и выберите элемент панели управления Сетевые подключения.
2. Щелкните правой кнопкой мыши по значку сетевой платы, для которой необходимо добавить протокол NetBEUI, и в контекстном меню выберите пункт Свойства.
3. Перейдите на вкладку Главная и нажмите кнопку Установить.
4. В списке сетевых компонентов выберите Протокол и нажмите кнопку Добавить.
5. Нажмите кнопку Установить с диска, вставьте установочный компакт-диск Windows XP, в окне обзора откройте папку Valueadd\msft\net\netbeui, выберите файл Netnbf.inf и нажмите кнопку Открыть.
6. Нажмите кнопку ОК. В окне «Выбор сетевого протокола» нажмите кнопку ОК для завершения установки.

Протокол NWLink.

Это Microsoft-совместимый IPX/SPX протокол для Windows. Необходим для доступа к сетям под управлением серверов с ОС Nоwell NetWare. Сам протокол NWLink реализует сетевой и транспортный уровень взаимодействия.

Для доступа к файлам или принтерам сервера NetWare надо задействовать специальный редиректор, представленный в Windows XP Professional службой CSNW (клиент для сетей NetWare), а в Windows Server 2003 - службой GSNW (шлюз для сетей NetWare). Протокол NWLink включен в состав обеих ОС Windows и устанавливается автоматически вместе с клиентом и службой шлюза для NetWare.

Протокол Apple Talk.

Это набор протоколов, разработанный Apple Computer, Inc. для связи компьютеров Apple Macintosh. Windows поддерживает все протоколы AppleTalk, что позволяет этой операционной системе выступать в роли маршрутизатора и сервера удаленного доступа сетей Macintosh. Для работы с протоколом AppleTalk предоставляется соответствующая служба доступа к файлам и принтерам.

Протокол DLC.

Протокол DLC (Data Link Control) был разработан для объединения мэйнфрэймов IBM. Он не проектировался как основной протокол персональных компьютеров в сети. Зачастую его используют для печати на сетевых принтерах Hewlett-Packard.

Стандарт IrDA.

Ассоциация Infrared Data Association (IrDA) определила группу двусторонних высокоскоростных беспроводных протоколов для обмена информацией в инфракрасном диапазоне, обычно называемых IrDA. Протоколы IrDA обеспечивают взаимодействие компьютеров со множеством устройств: цифровыми камерами, принтерами, карманными компьютерами типа PocketPC и др. В Windows XP и Windows Server 2003 включена поддержка IrDA.

Порядок привязки протоколов.

Протоколы можно добавлять, удалять и выборочно привязывать ко всем сетевым интерфейсам сервера. По умолчанию порядок привязки протоколов определяется последовательностью, в которой они были установлены. Но при этом администратор всегда может изменить этот порядок для отдельных интерфейсов, что делает процесс управления более гибким. Например, к одному интерфейсу могут быть привязаны протоколы TCP/IP и IPX/SPX с приоритетом протокола TCP/IP, a к другому - те же протоколы, но с приоритетом IPX/SPX. Кроме того, для отдельных сетевых интерфейсов, протоколов и их комбинации можно произвольно включать или отключать сетевые службы. Это позволяет администраторам легко создавать защищенные конфигурации сети (например, отключить все сетевые службы для общедоступных интерфейсов с прямым подключением к Интернету).

• Стеки протоколов
• Протоколы канального уровня
• Протоколы межсетевого уровня
• Транспортные протоколы
• Прикладные протоколы

Как уже упоминалось ранее, в локальных сетях могут совместно работать компьютеры разных производителей, оснащенные различным набором устройств и обладающие несхожими техническими характеристиками. На практике это означает, что для обеспечения нормального взаимодействия этих компьютеров необходим некий единый унифицированный стандарт, строго определяющий алгоритм передачи данных в распределенной вычислительной системе. В современных локальных сетях, или, как их принято называть в англоязычных странах, LAN (Local Area Network), роль такого стандарта выполняют сетевые протоколы.
Итак, сетевым протоколом, или протоколом передачи данных, называется согласованный и утвержденный стандарт, содержащий описание правил приема и передачи между несколькими компьютерами команд, файлов, иных данных, и служащий для синхронизации работы вычислительных машин в сети.
Прежде всего следует понимать, что в локальных сетях передача информации осуществляется не только между компьютерами как физическими устройствами, но и между приложениями, обеспечивающими коммуникации на программном уровне. Причем под такими приложениями можно понимать как компоненты операционной системы, организующие взаимодействие с различными устройствами компьютера, так и клиентские приложения, обеспечивающие интерфейс с пользователем. Таким образом, мы постепенно приходим к пониманию многоуровневой структуры сетевых коммуникаций - как минимум, с одной стороны мы имеем дело с аппаратной конфигурацией сети, с другой стороны - с программной.
Вместе с тем передача информации между несколькими сетевыми компьютерами - не такая уж простая задача, как это может показаться на первый взгляд. Для того чтобы понять это, достаточно представить себе тот круг проблем, который может возникнуть в процессе приема или трансляции каких-либо данных. В числе таких «неприятностей» можно перечислить аппаратный сбой либо выход из строя одного из обеспечивающих связь устройств, например, сетевой карты или концентратора, сбой прикладного или системного программного обеспечения, возникновение ошибки в самих передаваемых данных, потерю части транслируемой информации или ее искажение. Отсюда следует, что в локальной сети необходимо обеспечить жесткий контроль для отслеживания всех этих ошибок, и более того, организовать четкую работу как аппаратных, так и программных компонентов сети. Возложить все эти задачи на один-единственный протокол практически невозможно. Как быть?
Выход нашелся в разделении протоколов на ряд концептуальных уровней, каждый из которых обеспечивает интерфейс между различными модулями программного обеспечения, установленного на работающих в сети компьютерах. Таким образом, механизм передачи какого-либо пакета информации через сеть от клиентской программы, работающей на о/щом компьютере, клиентской программе, работающей на другом компьютере, можно условно представить в виде последовательной пересылки этого пакета сверху вниз от некоего протокола верхнего уровня, обеспечивающего взаимодействие с пользовательским приложением, протоколу нижнего уровня, организующему интерфейс с сетью, его трансляции на компьютер-получатель и обратной передачи протоколу верхнего уровня уже на удаленной машине (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Концептуальная модель многоуровневой системы протоколов

Согласно такой схеме, каждый из уровней подобной системы обеспечивает собственный набор функций при передаче информации по локальной сети.
Например, можно предположить, что протокол верхнего уровня, осуществляющий непосредственное взаимодействие с клиентскими программами, транслирует данные протоколу более низкого уровня, «отвечающему» за работу с аппаратными устройствами сети, преобразовывая их в «понятную» для него форму. Тот, в свою очередь, передает их протоколу, осуществляющему непосредственно пересылку информации на другой компьютер. На удаленном компьютере прием данных осуществляет аналогичный протокол «нижнего» уровня и контролирует корректность принятых данных, то есть определяет, следует ли транслировать их протоколу, расположенному выше в иерархической структуре, либо запросить повторную передачу. В этом случае взаимодействие осуществляется только между протоколами нижнего уровня, верхние уровни иерархии в данном процессе не задействованы. В случае если информация была передана без искажений, она транслируется вверх через соседние уровни протоколов до тех пор, пока не достигнет программы-получателя. При этом каждый из уровней не только контролирует правильность трансляции данных на основе анализа содержимого пакета информации, но и определяет дальнейшие действия исходя из сведений о его назначении. Например, один из уровней «отвечает» за выбор устройства, с которого осуществляется получение и через которое передаются данные в сеть, другой «решает», передавать ли информацию дальше по сети, или она предназначена именно этому компьютеру, третий «выбирает» программу, которой адресована принятая информация. Подобный иерархический подход позволяет не только разделить функции между различными модулями сетевого программного обеспечения, что значительно облегчает контроль работы всей системы в целом, но и дает возможность производить коррекцию ошибок на том уровне иерархии, на котором они возникли. Каждую из подобных иерархических систем, включающих определенный набор протоколов различного уровня, принято называть стеком протоколов.
Вполне очевидно, что между теорией и практикой, то есть между концептуальной моделью стека протоколов и его практической реализацией существует значительная разница. На практике принято несколько различных вариантов дробления стека протоколов на функциональные уровни, каждый из которых выполняет свой круг задач. Мы остановимся на одном из этих вариантов, который представляется наиболее универсальным. Данная схема включает четыре функциональных уровня, и так же, как и предыдущая диаграмма, описывает не конкретный механизм работы какого-либо стека протоколов, а общую модель, которая поможет лучше понять принцип действия подобных систем (рис. 2.2).
Самый верхний в иерархической системе, прикладной уровень стека протоколов обеспечивает интерфейс с программным обеспечением, организующим
работу пользователя в сети. При запуске любой программы, для функционирования которой требуется диалог с сетью, эта программа вызывает соответствующий протокол прикладного уровня. Данный протокол передает программе информацию из сети в доступном для обработки формате, то есть в виде системных сообщений либо в виде потока байтов. В точности таким же образом пользовательские приложения могут получать потоки данных и управляющие сообщения - как от самой операционной системы, так и от других запущенных на компьютере программ. То есть, обобщая, можно сказать, что протокол прикладного уровня выступает в роли своего рода посредника между сетью и программным обеспечением, преобразуя транслируемую через сеть информацию в «понятную» программе-получателю форму.

Рис. 2.2. Модель реализации стека протоколов

Основная задача протоколов транспортного уровня заключается в осуществлении контроля правильности передачи данных, а также в обеспечении взаимодействия между различными сетевыми приложениями. В частности, получая входящий поток данных, протокол транспортного уровня дробит его на отдельные фрагменты, называемые пакетами, записывает в каждый пакет некоторую дополнительную информацию, например идентификатор программы, для которой предназначены передаваемые данные, и контрольную сумму, необходимую для проверки целостности пакета, и направляет их на смежный уровень для дальнейшей обработки. Помимо этого протоколы транспортного уровня осуществляют управление передачей информации - например, могут запросить у получателя подтверждение доставки пакета и повторно выслать утерянные фрагменты транслируемой последовательности данных. Некоторое недоумение может вызвать то обстоятельство, что протоколы транспортного уровня так же, как и протоколы прикладного уровня, взаимодействуют с сетевыми программами и координируют передачу данных между ними. Эту ситуацию можно прояснить на следующем примере: предположим, на подключенном к сети компьютере запущен почтовый клиент, эксплуатирующий два различных протокола прикладного уровня - РОРЗ (Post Office Protocol) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - и программа загрузки файлов на удаленный сервер - FTP-клиент, работающий с протоколом прикладного уровня FTP (File Transfer Protocol). Все эти протоколы прикладного уровня опираются на один и тот же протокол транспортного уровня - TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), который, получая поток данных от вышеуказанных программ, преобразует их в пакеты данных, где присутствует указание на конечное приложение, использующее эту информацию. Из рассмотренного нами примера следует, что данные, приходящие из сети, могут иметь различное назначение, и, соответственно, они обрабатываются различными программами, либо различными модулями одного и того же приложения. Во избежание путаницы при приеме и обработке информации каждая взаимодействующая с сетью программа имеет собственный идентификатор, который позволяет транспортному протоколу направлять данные именно тому приложению, для которого они предназначены. Такие идентификаторы носят название программных портов. В частности, протокол прикладного уровня SMTP, предназначенный для отправки сообщений электронной почты, работает обычно с портом 25, протокол входящей почты РОРЗ - с портом 110, протокол Telnet - с портом 23. Задача перенаправления потоков данных между программными портами лежит па транспортных протоколах.
На межсетевом уровне реализуется взаимодействие конкретных компьютеров распределенной вычислительной системы, другими словами, осуществляется процесс определения маршрута движения информации внутри локальной сети и выполняется отправка этой информации конкретному адресату. Данный процесс принято называть маршрутизацией. Получая пакет данных от протокола транспортного уровня вместе с запросом на его передачу и указанием получателя, протокол межсетевого уровня выясняет, на какой компьютер следует передать информацию, находится ли этот компьютер в пределах данного сегмента локальной сети или на пути к нему расположен шлюз, после чего трансформирует пакет в дейтаграмму - специальный фрагмент информации, передаваемый через сеть независимо от других аналогичных фрагментов, без образования виртуального канала (специально сконфигурированной среды для двустороннего обмена данными между несколькими устройствами) и подтверждения приема. В заголовок дейтаграммы записывается адрес компьютера-получателя пересылаемых данных и сведения о маршруте следования дейтаграммы. После чего она передается на канальный уровень.

ПРИМЕЧАНИЕ
Шлюз - это программа, при помощи которой можно передавать информацию между двумя сетевыми системами, использующими различные протоколы обмена данными.

Получая дейтаграмму, протокол межсетевого уровня определяет правильность ее приема, после чего выясняет, адресована ли она локальному компьютеру, или же ее следует направить по сети дальше. В случае, если дальнейшей пересылки не требуется, протокол межсетевого уровня удаляет заголовок дейтаграммы, вычисляет, какой из транспортных протоколов данного компьютера будет обрабатывать полученную информацию, трансформирует ее в соответствующий пакет и передает на транспортный уровень. Проиллюстрировать этот на первый взгляд сложный механизм можно простым примером. Предположим, на пеком компьютере одновременно используется два различных транспортных протокола: TCP/IP - для соединения с Интернетом и NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) для работы в локальной сети. В этом случае данные, обрабатываемые на транспортном уровне, будут для этих протоколов различны, однако на межсетевом уровне информация будет передаваться посредством дейтаграмм одного и того же формата.
Наконец, на канальном уровне осуществляется преобразование дейтаграмм в соответствующий сигнал, который через коммуникационное устройство транслируется по сети. В самом простом случае, когда компьютер напрямую подключен к локальной сети того или иного стандарта посредством сетевого адаптера, роль протокола канального уровня играет драйвер этого адаптера, непосредственно реализующий интерфейс с сетью. В более сложных ситуациях на канальном уровне могут работать сразу несколько специализированных протоколов, каждый из которых выполняет собственный набор функций.

Протоколы канального уровня

Протоколы, обеспечивающие взаимодействие компьютера с сетью на самом низком, аппаратном уровне, во многом определяют топологию локальной сети, а также ее внутреннюю архитектуру. В настоящее время на практике достаточно часто применяется несколько различных стандартов построения локальных сетей, наиболее распространенными среди которых являются технологии Ethernet, Token Ring, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и ArcNet.
На сегодняшний день локальные сети, построенные на основе стандарта Ethernet, являются наиболее популярными как в нашей стране, так и во всем мире. На долю сетей Ethernet приходится почти девяносто процентов всех малых и домашних локальных сетей, что не удивительно, поскольку именно эта технология позволяет строить простые и удобные в эксплуатации и настройке локальные сети с минимумом затрат. Именно поэтому в качестве основного рассматриваемого нами стандарта будет принята именно технология Ethernet. Протоколы канального уровня поддержки Ethernet, как правило, встроены в оборудование, обеспечивающее подключение компьютера к локальной сети на физическом уровне. Стандарт Ethernet является широковещательным, то есть каждый подключенный к сети компьютер принимает всю следующую через его сетевой сегмент информацию - как предназначенную именно для этого компьютера, так и данные, направляемые на другую машину. Во всех сетях Ethernet применяется один и тот же алгоритм разделения среды передачи информации - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).
В рамках технологии Ethernet сегодня различается несколько стандартов организации сетевых коммуникаций, определяющих пропускную способность канала связи и максимально допустимую длину одного сегмента сети, то есть расстояние между двумя подключенными к сети устройствами. Об этих стандартах мы побеседуем в следующей главе, посвященной изучению сетевого оборудования, пока же необходимо отметить, что в рамках стандарта Ethernet применяется, как правило, одна из двух различных топологий: конфигурация сети с общей шиной или звездообразная архитектура.

Протоколы межсетевого уровня

Протоколы уровня межсетевого взаимодействия, как уже упоминалось ранее, предназначены для определения маршрутов следования информации в локальной сети, приема и передачи дейтаграмм, а также для трансляции принятых данных протоколам более высокого уровня, если эти данные предназначены для обработки на локальном компьютере. К протоколам межсетевого уровня принято относить протоколы маршрутизации, такие как RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол контроля и управления передачей данных ICMP (Internet Control Message Protocol). Но вместе с тем одним из самых известных протоколов межсетевого уровня является протокол IP.

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) используется как в глобальных распределенных системах, например в сети Интернет, так и в локальных сетях. Впервые протокол IP применялся еще в сети ArpaNet, являвшейся предтечей современного Интернета, и с тех пор он уверенно удерживает позиции в качестве одного из наиболее распространенных и популярных протоколов межсетевого уровня.
Поскольку межсетевой протокол IP является универсальным стандартом, он нередко применяется в так называемых составных сетях, то есть сетях, использующих различные технологии передачи данных и соединяемых между собой посредством шлюзов. Этот же протокол «отвечает» за адресацию при передаче информации в сети. Как осуществляется эта адресация?
Каждый человек, живущий на Земле, имеет адрес, по которому его в случае необходимости можно разыскать. Думаю, ни у кого не вызовет удивления то, что каждая работающая в Интернете или локальной сети машина также имеет свой уникальный адрес. Адреса в компьютерных сетях разительно отличаются от привычных нам почтовых. Боюсь, совершенно бесполезно писать на отправляемом вами в Сеть пакете информации нечто вроде «Компьютеру Intel Pentium III 1300 Mhz, эсквайру, Пэнии-Лэйн 114, Ливерпуль, Англия». Увидев такую надпись, ваша персоналка в лучшем случае фундаментально зависнет. Но если вы укажете компьютеру в качестве адреса нечто вроде 195.85.102.14, машина вас прекрасно поймет.
Именно стандарт IP подразумевает подобную запись адресов подключенных к сети компьютеров. Такая запись носит название IP-адрес.
Из приведенного примера видно, что IP-адрес состоит из четырех десятичных идентификаторов, или октетов, по одному байту каждый, разделенных точкой. Левый октет указывает тип локальной интрасети (под термином «интрасеть» (intranet) здесь понимается частная корпоративная или домашняя локальная сеть, имеющая подключение к Интернету), в которой находится искомый компьютер. В рамках данного стандарта различается несколько подвидов интрасетей, определяемых значением первого октета. Это значение характеризует максимально возможное количество подсетей и узлов, которые может включать такая сеть. В табл. 2.1 приведено соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса.

Таблица 2.1. Соответствие классов сетей значению первого октета IP-адреса

Адреса класса А используются в крупных сетях общего пользования, поскольку позволяют создавать системы с большим количеством узлов. Адреса класса В, как правило, применяют в корпоративных сетях средних размеров, адреса класса С - в локальных сетях небольших предприятий. Для обращения к группам машин предназначены широковещательные адреса класса D, адреса класса Е пока не используются: предполагается, что со временем они будут задействованы с целью расширения стандарта. Значение первого октета 127 зарезервировано для служебных целей, в основном для тестирования сетевого оборудования, поскольку IP-пакеты, направленные на такой адрес, не передаются в сеть, а ретранслируются обратно управляющей надстройке сетевого программного обеспечения как только что принятые. Кроме того, существует набор так называемых «выделенных» IP-адресов, имеющих особое значение. Эти адреса приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Значение выделенных IP-адресов

ПРИМЕЧАНИЕ
Хостом принято называть любой подключенный к Интернету компьютер независимо от его назначения.

Как уже упоминалось ранее, небольшие локальные сети могут соединяться между собой, образуя более сложные и разветвленные структуры. Например, локальная сеть предприятия может состоять из сети административного корпуса и сети производственного отдела, сеть административного корпуса, в свою очередь, может включать в себя сеть бухгалтерии, планово-экономического отдела и отдела маркетинга. В приведенном выше примере сеть более низкого уровня является подсетью системы более высокого уровня, то есть локальная сеть бухгалтерии - подсеть для сети административного корпуса, а та, в свою очередь, - подсеть для сети всего предприятия в целом.
Однако вернемся к изучению структуры IP-адреса. Последний (правый) идентификатор IP-адреса обозначает номер компьютера в данной локальной сети. Все, что расположено между правым и левым октетами в такой записи, - номера подсетей более низкого уровня. Непонятно? Давайте разберем на примере. Положим, мы имеем некий адрес в Интернете, на который хотим отправить пакет с набором свеженьких анекдотов. В качестве примера возьмем тот же IP-адрес- 195.85.102.14. Итак, мы отправляем пакет в 195-ю подсеть сети Интернет, которая, как видно из значения первого октета, относится к классу С. Допустим, 195-я сеть включает в себя еще 902 подсети, но наш пакет высылается в 85-ю. Она содержит 250 подсетей
более низкого порядка, но нам нужна 102-я. Ну и, наконец, к 102-й сети подключено 40 компьютеров. Исходя из рассматриваемого нами адреса, подборку анекдотов получит машина, имеющая в этой сетевой системе номер 14. Из всего сказанного выше становится очевидно, что IP-адрес каждого компьютера, работающего как в локальной сети, так и в глобальных вычислительных системах, должен быть уникален.
Централизованным распределением IP-адресов в локальных сетях занимается государственная организация - Стенфордский международный научно-исследовательский институт (Stanford Research Institute, SRI International), расположенный в самом сердце Силиконовой долины - городе Мэнло-Парк, штат Калифорния, США. Услуга по присвоению новой локальной сети IP-адресов бесплатная, и занимает она приблизительно неделю. Связаться с данной организацией можно по адресу SRI International, Room EJ210, 333 Ravenswood Avenue, Menlo Park, California 94025, USA, no телефону в США 1-800-235-3155 или по адресу электронной почты, который можно найти на сайте http://www.sri.com. Однако большинство администраторов небольших локальных сетей, насчитывающих 5-10 компьютеров, назначают IP-адреса подключенным к сети машинам самостоятельно, исходя из описанных выше правил адресации в IP-сетях. Тацой подход вполне имеет право на жизнь, но вместе с тем произвольное назначение IP-адресов может стать проблемой, если в будущем такая сеть будет соединена с другими локальными сетями или в ней будет организовано прямое подключение к Интернету. В данном случае случайное совпадение нескольких IP-адресов может привести к весьма неприятным последствиям, например к ошибкам в маршрутизации передаваемых по сети данных или отказу в работе всей сети в целом.
Небольшие локальные сети, насчитывающие ограниченное количество компьютеров, должны запрашивать для регистрации адреса класса С. При этом каждой из таких сетей назначаются только два первых октета IP-адреса, например 197.112.Х.Х, на практике это означает, что администратор данной сети может создавать подсети и назначать номера узлов в рамках каждой из них произвольно, исходя из собственных потребностей.
Большие локальные сети, использующие в качестве базового межсетевой протокол IP, нередко применяют чрезвычайно удобный способ структуризации всей сетевой системы путем разделения общей IP-сети на подсети. Например, если вся сеть предприятия состоит из ряда объединенных вместе локальных сетей Ethernet, то в ней может быть выделено несколько структурных составляющих, то есть подсетей, отличающихся значением третьего октета IP-адреса. Как правило, в качестве каждой из подсетей используется физическая сеть какого-либо отдела фирмы, скажем, сеть Ethernet, объединяющая все компьютеры бухгалтерии. Такой подход, во-первых, позволяет
излишне не расходовать IP-адреса, а во-вторых, предоставляет определенные удобства с точки зрения администрирования: например, администратор может открыть доступ к Интернету только для одной из вверенных ему подсетей или на время отключить одну из подсетей от локальной сети предприятия. Кроме того, в случае если сетевой администратор решит, что третий октет IP-адреса описывает номер подсети, а четвертый - номер узла в ней, то такая информация записывается в локальных таблицах маршрутизации сети вашего предприятия и не видна извне. Другими словами, данный подход обеспечивает большую безопасность.
Для того чтобы программное обеспечение могло автоматически выделять номера конкретных компьютеров из используемых в данной сетевой системе IP-адресов, применяются так называемые маски подсети. Принцип, по которому осуществляется распознавание номеров узлов в составе IP-адреса, достаточно прост: биты маски подсети, обозначающие номер самой IP-сети, должны быть равны единице, а биты, определяющие номер узла, - нулю. Именно поэтому в большинстве локальных IP-сетей класса С в качестве маски подсети принято значение 255.255.255.0: при такой конфигурации в состав общей сети может быть включено до 256 подсетей, в каждой из которых работает до 254 компьютеров. В ряде случаев это значение может изменяться, например, если возникла необходимость использовать в составе сети количество подсетей большее, чем 256, можно использовать маску подсети формата 255.255.255.195. В этой конфигурации сеть может включать до 1024 подсетей, максимальное число компьютеров в каждой из которых не должно превышать 60.
В локальных сетях, работающих под управлением межсетевого протокола IP, помимо обозначения IP-адресов входящих в сеть узлов принято также символьное обозначение компьютеров: например, компьютер с адресом 192.112.85.7 может иметь сетевое имя Localhost. Таблица соответствий IP-адресов символьным именам узлов содержится в специальном файле hosts, хранящемся в одной из системных папок; в частности, в операционной системе Microsoft Windows XP этот файл можно отыскать в папке flKCK:\Windows\system32\drivers\etc\. Синтаксис записи таблицы сопоставлений имен узлов локальной сети IP-адресам достаточно прост: каждый элемент таблицы должен быть расположен в новой строке, IP-адрес располагается в первом столбце, а за ним следует имя компьютера, при этом IP-адрес и имя должны быть разделены как минимум одним пробелом. Каждая из строк таблицы может включать произвольный комментарий, обозначаемый символом #. Пример файла hosts приведен ниже:

192.112.85.7 localhost # этот компьютер
192.112.85.1 server # сервер сети
192.112.85.2 director # компьютер приемной директора
192.112.85.5 admin # компьютер системного администратора

Как правило, файл hosts создается для какой-либо конкретной локальной сети, и его копия хранится на каждом из подключенных к ней компьютеров. В случае, если один из узлов сети имеет несколько IP-адресов, то в таблице соответствий обычно указывается лишь один из них, вне зависимости от того, какой из адресов реально используется. При получении из сети IP-пакета, предназначенного для данного компьютера, протокол IP сверится с таблицей маршрутизации и на основе анализа заголовка IP-пакета автоматически опознает любой из IP-адресов, назначенных данному узлу.
Помимо отдельных узлов сети собственные символьные имена могут иметь также входящие в локальную сеть подсети. Таблица соответствий IP-адресов именам подсетей содержится в файле networks, хранящемся в той же папке, что и файл hosts. Синтаксис записи данной таблицы сопоставлений несколько отличается от предыдущего, и в общем виде выглядит следующим образом: <сетевяе имя> <номер сети> [псевдонимы...] [#<конментарий>]
где сетевое имя - имя, назначенное каждой подсети, номер сети - часть IP-адреса подсети (за исключением номеров более мелких подсетей, входящих в данную подсеть, и номеров узлов), псевдонимы - необязательный параметр, указывающий на возможные синонимы имен подсетей: они используется в случае, если какая-либо подсеть имеет несколько различных символьных имен; и, наконец, комментарий - произвольный комментарий, поясняющий смысл каждой записи. Пример файла networks приведен ниже:

loopback 127
marketing 192.112.85 # отдел маркетинга
buhgalteria 192.112.81 # бухгалтерия
workshop 192.112.80 # сеть производственного цеха
workgroup 192.112.10 localnetwork # основная рабочая группа

Обратите внимание на то обстоятельство, что адреса, начинающиеся на 127, являются зарезервированными для протокола IP, а подсеть с адресом 192.112.10 в нашем примере имеет два символьных имени, используемых совместно.
Файлы hosts и networks не оказывают непосредственного влияния на принципиальный механизм работы протокола IP и используются в основном прикладными программами, однако они существенно облегчают настройку и администрирование локальной сети.

Протокол IPX

Протокол IPX (Internet Packet Exchange) является межсетевым протоколом, используемым в локальных сетях, узлы которых работают под управлением операционных систем семейства Nowell Netware. Данный протокол обеспечивает передачу дейтаграмм в таких сетях без организации логического соединения - постоянного двустороннего обмена данными между двумя узлами сети, которое организуется протоколом транспортного уровня. Разработанный на основе технологий Nowell, этот некогда популярный протокол в силу несовместимости с чрезвычайно распространенным стеком протоколов TCP/IP в настоящее время медленно, но верно утрачивает свои позиции.
Как и межсетевой протокол IP, IPX способен поддерживать широковещательную передачу данных посредством дейтаграмм длиной до 576 байт, 30 из которых занимает заголовок пакета. В сетях IPX используются составные адреса узлов, состоящих из номера сети, адреса узла и адреса прикладной программы, для которой предназначен передаваемый пакет информации, который также носит наименование гнезда или сокета. Для обеспечения обмена данными между несколькими сетевыми приложениями в многозадачной среде на узле, работающем под управлением протокола IPX, должно быть одновременно открыто несколько сокетов.
Поскольку в процессе трансляции данных протокол IPX не запрашивает подтверждения получения дейтаграмм, доставка данных в таких сетях не гарантируется, и потому функции контроля над передачей информации возлагаются на сетевое программное обеспечение. Фактически IPX обеспечивает только инкапсуляцию транслируемых по сети потоков данных в дейтаграммы, их маршрутизацию и передачу пакетов протоколам более высокого уровня.
Протоколам канального уровня IPX передает пакеты данных, имеющие следующую логическую структуру:

• контрольная сумма, предназначенная для определения целостности передаваемого пакета (2 байта);
• указание на длину пакета (2 байта);
• данные управления транспортом (1 байт);
• адрес сети назначения (4 байта);
• адрес узла назначения (6 байт);
• номер сокета назначения (2 байта);
• адрес сети-отправителя (4 байта);
• адрес узла-отправителя (6 байт);
• номер сокета-отправителя (2 байта);
• передаваемая информация (0-546 байт).

Протоколы канального уровня размещают этот пакет внутри кадра сети и передают его в распределенную вычислительную систему.

Транспортные протоколы

Как уже упоминалось ранее, протоколы транспортного уровня обеспечивают контроль над передачей данных между межсетевыми протоколами и приложениями уровня операционной системы. В настоящее время в локальных сетях наиболее распространено несколько разновидностей транспортных протоколов.

Протокол TCP

Протокол IP позволяет только транслировать данные. Для того чтобы управлять этим процессом, служит протокол TCP (Transmission Control Protocol), опирающийся на возможности протокола IP. Как же контролируется передача информации?
Положим, вы хотите переслать по почте вашему другу толстый журнал, не потратив при этом денег на отправку бандероли. Как решить эту проблему, если почта отказывается принимать письма, содержащие больше нескольких бумажных листов? Выход простой: разделить журнал на страницы и отправлять их отдельными письмами. По номерам страниц ваш друг сможет собрать журнал целиком. Приблизительно таким же способом работает протокол TCP. Он дробит информацию на несколько частей, присваивает каждой части номер, по которому данные впоследствии можно будет соединить воедино, добавляет к ней «служебную» информацию и укладывает все это в отдельный «IP-конверт». Далее этот «конверт» отправляется по сети - ведь протокол межсетевого уровня умеет обрабатывать подобную информацию. Поскольку в такой схеме протоколы TCP и IP тесно связаны, их часто объединяют в одно понятие: TCP/IP. Размер передаваемых в Интернете TCP/IP-пакетов составляет, как правило, от 1 до 1500 байт, что связано с техническими характеристиками сети.
Наверняка, пользуясь услугами обычной почтовой связи, вы сталкивались с тем, что обычные письма, посылки и иные почтовые отправления теряются и приходят совсем не туда, куда нужно. Те же проблемы характерны и для локальных сетей. На почте такие неприятные ситуации решают руководители почтовых отделений, а в сетевых системах этим занимается протокол TCP. Если какой-либо пакет данных не был доставлен получателю вовремя, TCP повторяет пересылку до тех пор, пока информация не будет принята корректно и в полном объеме.
В действительности данные, передаваемые по электронным сетям, не только теряются, но зачастую искажаются из-за помех на линиях связи. Встроенные в TCP алгоритмы контроля корректности передачи данных решают и эту проблему. Одним из самых известных механизмов контроля правильности пересылки информации является метод, согласно которому в заголовок каждого передаваемого пакета записывается некая контрольная сумма, вычисленная компьютером-отправителем. Компьютер-получатель по аналогичной системе вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с числом, имеющимся в заголовке пакета. Если цифры не совпадают, TCP пытается повторить передачу.
Следует отметить также, что при отправке информационных пакетов протокол TCP требует от компьютера-получателя подтверждения приема информации. Это организуется путем создания временных задержек при приеме-передаче - тайм-аутов, или ожиданий. Тем временем отправитель продолжает пересылать данные. Образуется некий объем уже переданных, но еще не подтвержденных данных. Иными словами, TCP организует двунаправленный обмен информацией, что обеспечивает более высокую скорость ее трансляции.
При соединении двух компьютеров их модули TCP следят за состоянием связи. При этом само соединение, посредством которого осуществляется обмен данными, носит название виртуального или логического канала.
Фактически протокол TCP является неотъемлемой частью стека протоколов TCP/IP, и именно с его помощью реализуются все функции контроля над передачей информации по сети, а также задачи ее распределения между клиентскими приложениями.

Протокол SPX

В точности так же, как протокол TCP для IP-сетей, для сетей, построенных на базе межсетевого протокола IPX, транспортным протоколом служит специальный протокол SPX (Sequenced Pocket eXchange). В таких локальных сетях протокол SPX выполняет следующий набор функций:

• инициализация соединения;
• организация виртуального канала связи (логического соединения);
• проверка состояния канала;
• контроль передачи данных;
• разрыв соединения.

Поскольку транспортный протокол SPX и межсетевой протокол IPX тесно связаны между собой, их нередко объединяют в общее понятие - семейство протоколов IPX/SPX. Поддержка данного семейства протоколов реализована не только в операционных системах семейства Nowell Netware, но и в ОС Microsoft Windows 9x/Me/NT/2000/XP, Unix/Linux и OS/2.

Протоколы NetBIOS/NetBEUI

Разработанный компанией IBM транспортный протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) является базовым протоколом для локальных
сетей, работающих под управлением операционных систем семейств Nowell Netware и OS/2, однако его поддержка реализована также и в ОС Microsoft Windows, и в некоторых реализациях Unix-совместимых операционных систем. Фактически можно сказать, что данный протокол работает сразу на нескольких логических уровнях стека протоколов: на транспортном уровне он организует интерфейс между сетевыми приложениями в качестве надстройки над протоколами IPX/SPX, на межсетевом - управляет маршрутизацией дейтаграмм, на канальном уровне - организует обмен сообщениями между различными узлами сети.
В отличие от других протоколов, NetBIOS осуществляет адресацию в локальных сетях на основе уникальных имен узлов и практически не требует настройки, благодаря чему остается весьма привлекательным для системных администраторов, управляющих сетями с небольшим числом компьютеров. В качестве имен хостов протоколом NetBIOS используются значащие последовательности длиной в 16 байт, то есть каждый узел сети имеет собственное уникальное имя (permanent name), которое образуется из сетевого адреса машины с добавлением десяти служебных байтов. Кроме этого, каждый компьютер в сетях NetBIOS имеет произвольное символьное имя, равно как произвольные имена могут иметь логические*рабочие группы, объединяющие несколько работающих совместно узлов - такие имена могут назначаться и удаляться по желанию системного администратора. Имена узлов служат для идентификации компьютера в сети, имена рабочих групп могут служить, в частности, для отправки данных нескольким компьютерам группы или для обращения к целому ряду сетевых узлов одновременно.
При каждом подключении к распределенной вычислительной системе протокол NetBIOS осуществляет опрос локальной сети для проверки уникальности имени узла; поскольку несколько узлов сети могут иметь идентичные групповые имена, определение уникальности группового имени не производится.
Специально для локальных сетей, работающих на базе стандарта NetBIOS, корпорацией IBM был разработан расширенный интерфейс для этого протокола, который получил название NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface). Этот протокол рассчитан на поддержку небольших локальных сетей, включающих не более 150-200 машин, и по причине того, что данный протокол может использоваться только в отдельных сегментах локальных сетей (пакеты NetBEUI не могут транслироваться через мосты - устройства, соединяющие несколько локальных сетей, нередко использующих различную среду передачи данных или различную топологию), этот стандарт считается устаревшим и более не поддерживается операционной системой Microsoft Windows XP, хотя его поддержка имеется в ОС семейства Windows 9х/МЕ/2000.

Прикладные протоколы

Протоколы прикладного уровня служат для передачи информации конкретным клиентским приложениям, запущенным на сетевом компьютере. В IP-сетях протоколы прикладного уровня опираются на стандарт TCP и выполняют ряд специализированных функций, предоставляя пользовательским программам данные строго определенного назначения. Ниже мы кратко рассмотрим несколько прикладных протоколов стека TCP/IP.

Протокол FTP

Как следует из названия, протокол FTP (File Transfer Protocol) предназначен для передачи файлов через Интернет. Именно на базе этого протокола реализованы процедуры загрузки и выгрузки файлов на удаленных узлах Всемирной Сети. FTP позволяет переносить с машины па машину не только файлы, но и целые папки, включающие поддиректории на любую глубину вложений. Осуществляется это путем обращения к системе команд FTP, описывающих ряд встроенных функций данного протокола.

Протоколы РОРЗ и SMTP

Прикладные протоколы, используемые при работе с электронной почтой, называются SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и РОРЗ (Post Office Protocol), первый «отвечает» за отправку исходящей корреспонденции, второй - за доставку входящей.
В функции этих протоколов входит организация доставки сообщений e-mail и передача их почтовому клиенту. Помимо этого, протокол SMTP позволяет отправлять несколько сообщений в адрес одного получателя, организовывать промежуточное хранение сообщений, копировать одно сообщение для отправки нескольким адресатам. И РОРЗ, и SMTP обладают встроенными механизмами распознавания адресов электронной почты, а также специальными модулями повышения надежности доставки сообщений.

Протокол HTTP

Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) обеспечивает передачу с удаленных серверов на локальный компьютер документов, содержащих код разметки гипертекста, написанный на языке HTML или XML, то есть веб-страниц. Данный прикладной протокол ориентирован прежде всего на предоставление информации программам просмотра веб-страниц, веб-браузерам, наиболее известными из которых являются такие приложения, как Microsoft Internet Explorer и Netscape Communicator.
Именно с использованием протокола HTTP организуется отправка запросов удаленным http-серверам сети Интернет и обработка их откликов; помимо
этого HTTP позволяет использовать для вызова ресурсов Всемирной сети адреса стандарта доменной системы имен (DNS, Domain Name System), то есть обозначения, называемые URL (Uniform Resource Locator) вида http:/ /www.domain.zone/page.htm (.html).

Протокол TELNET

Протокол TELNET предназначен для организации терминального доступа к удаленному узлу посредством обмена командами в символьном формате ASCII. Как правило, для работы с сервером по протоколу TELNET на стороне клиента должна быть установлена специальная программа, называемая telnet-клиентом, которая, установив связь с удаленным узлом, открывает в своем окне системную консоль операционной оболочки сервера. После этого вы можете управлять серверным компьютером в режиме терминала, как своим собственным (естественно, в очерченных администратором рамках). Например, вы получите возможность изменять, удалять, создавать, редактировать файлы и папки, а также запускать на исполнение программы на диске серверной машины, сможете просматривать содержимое папок других пользователей. Какую бы операционную систему вы ни использовали, протокол Telnet позволит вам общаться с удаленной машиной «на равных». Например, вы без труда сможете открыть сеанс UNIX на компьютере, работающем под управлением MS Windows.

Протокол UDP

Прикладной протокол передачи данных UDP (User Datagram Protocol) используется на медленных линиях для трансляции информации как дейтаграмм.
Дейтаграмма содержит полный комплекс данных, необходимых для ее отсылки и получения. При передаче дейтаграмм компьютеры не занимаются обеспечением стабильности связи, поэтому следует принимать особые меры для обеспечения надежности.
Схема обработки информации протоколом UDP, в принципе, такая же, как и в случае с TCP, но с одним отличием: UDP всегда дробит информацию по одному и тому же алгоритму, строго определенным образом. Для осуществления связи с использованием протокола UDP применяется система отклика: получив UDP-пакет, компьютер отсылает отправителю заранее обусловленный сигнал. Если отправитель ожидает сигнал слишком долго, он просто повторяет передачу.
На первый взгляд может показаться, что протокол UDP состоит сплошь из одних недостатков, однако есть в нем и одно существенное достоинство: прикладные интернет-программы работают с UDP в два раза быстрее, чем с его более высокотехнологичным собратом TCP.

Сквозные протоколы и шлюзы

Интернет - это единая глобальная структура, объединяющая на сегодня около 13 000 различных локальных сетей, не считая отдельных пользователей. Раньше все сети, входившие в состав Интернета, использовали сетевой протокол IP. Однако настал момент, когда пользователи локальных систем, не использующих IP, тоже попросились в лоно Интернета. Так появились шлюзы.
Поначалу через шлюзы транслировалась только электронная почта, но вскоре пользователям и этого стало мало. Теперь посредством шлюзов можно передавать любую информацию - и графику, и гипертекст, и музыку, и даже видео. Информация, пересылаемая через такие сети другим сетевым системам, транслируется с помощью сквозного протокола, обеспечивающего беспрепятственное прохождение IP-пакетов через не IP-сеть.

Протокол - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Естественно, все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.

О протоколах самых нижних уровней (физического и канального), относящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В частности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, методы управления обменом в сети. Подробнее о некоторых из них будет рассказано в специальных главах книги. А сейчас мы остановимся на особенностях протоколов более высоких уровней, реализуемых программно.

Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуществляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу компьютер может не знать никаких аппаратурных особенностей адаптера (ни его адресов, ни правил обмена с ним, ни его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным общение программных средств с любой платой данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково работать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют часть функций верхнего подуровня (подуровень управления доступом к среде, MAC) канального уровня, хотя иногда они выполняют и часть функций сетевого уровня. Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу и информируют компьютер о приеме пакета.

В любом случае перед приобретением платы адаптера не мешает ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows NT Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в список HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше не рисковать и не покупать его.

Рассмотрим теперь кратко протоколы более высоких уровней.

Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, стеков) протоколов, получивших сейчас наиболее широкое распространение:

• набор протоколов ISO/OSI;
• IBM System Network Architecture (SNA);
• Digital DECnet;
• Novell NetWare;
• Apple AppleTalk;
• набор протоколов глобальной сети Internet, TCP/IP.

Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь модель OSI используется для любой открытой системы, как на базе локальной сети, так и на основе глобальной сети или комбинации локальной и глобальной сетей.

Протоколы перечисленных наборов делятся на три основные типа:

• прикладные протоколы (выполняющие функции прикладного, представительского и сеансового уровней модели OSI);
• транспортные протоколы (выполняющие функции транспортного и сеансового уровней OSI);
• сетевые протоколы (выполняющие функции трех нижних уровней OSI).

Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. К наиболее популярным из них относятся следующие:

• FT AM (File Transfer Access and Management) - протокол OSI доступа к файлам; >
• X.400 - протокол CCITT для международного обмена электронной почтой;
• Х.500 - протокол CCITT служб файлов и каталогов на нескольких системах;
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Internet для обмена электронной почтой;
• FTP (File Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Internet для передачи файлов;
• SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компонентов и управления ими;
• Telnet - протокол глобальной сети Internet для регистрации на удаленных хостах и обработки данных на них;
• Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры Microsoft;
• NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры Novell.

Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярны из них следующие:

TCP (Transmission Control Protocol) - TCP/IP-протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;

• SPX - часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложенный фирмой Novell;
• NWLink - реализация протокола IPX/SPX от фирмы Microsoft;
• NetBEUI - (NetBIOS Extended User Interface, расширенный интерфейс NetBIOS) - устанавливает сеансы связи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI).

Сетевые протоколы управляют адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запросами на повторную передачу. Наиболее популярны из них следующие:

• IP (Internet Protocol) - TCP/IP-протокол для передачи данных;
• IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол фирмы NetWare для передачи и маршрутизации пакетов;
• NWLink - реализация протокола IPX/SPX фирмой Microsoft;
• NetBEUI - транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспортировки данных для сеансов и приложений NetBIOS.

Все перечисленные протоколы могут быть поставлены в соответствие тем или иным уровням эталонной модели OSI. При этом надо учитывать, что разработчики протоколов не слишком строго придерживаются этих уровней. Например, некоторые протоколы выполняют функции, относящиеся сразу к нескольким уровням модели OSI, а другие - только часть функций одного из уровней. Это приводит к тому, что протоколы разных фирм часто оказываются несовместимы между собой, а также к тому, что протоколы могут быть успешно использованы исключительно в составе своего набора протоколов (стека), который выполняет более или менее законченную группу функций. Как раз это и делает сетевую операционную систему «фирменной», то есть, по сути, несовместимой со стандартной моделью открытой системы OSI.

Рис. 4.7. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы Windows NT

Рис. 4.8. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы NetWare

Рассмотрим теперь подробнее некоторые наиболее распространенные протоколы.

Модель OSI допускает два различных метода взаимодействия в сети:

• Метод взаимодействия без логического соединения (метод дейтаграмм) - самый старый и простейший метод, в котором каждый пакет рассматривается как самостоятельный объект (рис. 4.10). Пакет передается без установления логического канала, то есть без предварительного обмена служебными пакетами для выяснения готовности приемника, а также без ликвидации логического канала, то есть без пакета подтверждения окончания передачи. Дойдет пакет до приемника или нет - неизвестно (проверка факта получения переносится на более высокие уровни). Метод дейтаграмм предъявляет повышенные требования к аппаратуре (так как приемник всегда должен быть готов к приему пакета). Достоинство метода в том, что передатчик и приемник работают независимо друг от друга, к тому.же пакеты могут буферироваться и передаваться затем все вместе, можно также использовать широковещательную передачу, то есть адресовать пакет всем абонентам одновременно. Недостатки метода - это возможность потери пакетов, а также возможность бесполезной загрузки сети пакетами в случае отсутствия или неготовности приемника.

Рис. 4.10. Методдейта грамм

• Метод с логическим соединением (рис. 4.11, см. также рис. 3.2) -это более поздняя разработка с более сложным порядком взаимодействия. Пакет передается только после того, как будет установлено логическое соединение (канал) между приемником и передатчиком. Каждому информационному пакету сопутствует один или несколько служебных пакетов (установка соединения, подтверждение получения, запрос повторной передачи, разъединение соединения). Логический канал может устанавливаться на время передачи одного или нескольких пакетов. Метод более сложен, чем метод дейтаграмм, но гораздо надежнее его, так как к моменту ликвидации логического канала передатчик уверен, что все его пакеты дошли до места назначения, причем дошли успешно. Не бывает при данном методе и перегрузки сети из-за бесполезных пакетов, как в случае метода дейтаграмм. Недостаток метода с логическим соединением состоит в том, что довольно сложно разрешить ситуацию, когда принимающий абонент по тем или иным причинам не готов к обмену, например из-за обрыва кабеля, отключения питания, неисправности сетевого оборудования, сбоя в компьютере. При этом требуется алгоритм обмена с повторением неподтвержденного пакета заданное количество раз, причем важен и тип неподтвержденного пакета.

Рис. 4.11. Метод с логическим соединением

Примеры протоколов, работающих по первому методу - это IP и IPX, a протоколов, работающих по второму методу - это TCP и SPX. Именно поэтому эти протоколы используются в виде связанных наборов TCP/IP и IPX/SPX, в которых протокол более высокого уровня (TCP, SPX), работающий на базе протокола более низкого уровня (IP, IPX), гарантирует правильную доставку пакетов в требуемом порядке. Это позволяет объединить достоинства двух рассмотренных методов.

Протоколы IPX/SPX образуют набор, используемый в сетевых программных средствах локальных сетей фирмы Novell (NetWare), которые в наше время являются одними из самых популярных. Это сравнительно небольшой и быстрый протокол, поддерживающий маршрутизацию. Прикладные программы могут обращаться непосредственно к уровню IPX, например, для посылки широковещательных сообщений, но значительно чаще работают с уровнем SPX, гарантирующим быструю и надежную доставку пакетов. Если скорость не слишком важна, то используется еще более высокий уровень, например NetBIOS, предоставляющий более удобный сервис. Фирмой Microsoft предложена своя реализация IPX/SPX, называемая NWLink.

Протокол TCP/IP специально разработан для глобальных сетей и для межсетевого взаимодействия. Он рассчитан на низкое качество каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот протокол принят во всемирной компьютерной сети Internet, значительная часть 1бонентов которой подключается по коммутируемым линиям (то есть эбычным телефонным линиям). Протокол TCP/IP также поддерживает маршрутизацию. На его основе работают протоколы более высоких уровней, такие как SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP - низшая скорость работы.

Протокол NetBIOS (сетевая базовая система ввода/вывода) был разра-Зотан фирмой IBM первоначально для сетей IBM PC Network и IBM Foken-Ring no образцу системы BIOS персонального компьютера. С тех тор этот протокол стал фактическим стандартом (официально он не стандартизован), и многие сетевые операционные системы содержат в себе эмулятор NetBIOS для обеспечения совместимости. Первоначально NetBIOS реализовывал сеансовый, транспортный и сетевой уровни, од-яако в последующих сетях на более низких уровнях используются стандартные протоколы (например, IPX/SPX), а на долю эмулятора NetBIOS эстается только сеансовый уровень. NetBIOS обеспечивает более высокий уровень сервиса, чем IPX/SPX, но он работает медленнее. Протокол NetBEUI - это развитие протокола NetBIOS до транспортного уровня.

Наконец, упоминавшийся набор протоколов OSI - это полный стек про-гоколов, где каждый протокол точно соответствует конкретному уровню стандартной модели OSL Набор содержит маршрутизируемые и транспортные протоколы, серии протоколов IEEE 802, протокол сеансового уровня представительского уровня и несколько протоколов прикладного уровня. Пока широкого распространения этот набор протоколов не получил, хотя он и полностью соответствует эталонной модели.