Стандартизация в области компьютерных сетей

Стандартизация в области компьютерных сетей



Выполнил:

магистрант группы МПМ-002

Чередов Андрей Викторович


Содержание



	Введение

	1. Основные сведения о сетях

	2. Стандарты современных сетей

	2.1 Модели сетевого взаимодействия

	2.2 Технологии и протоколы передачи данных по сети

	Заключение

	Список используемой литературы


Введение



	Возникновение и развитие сетей дало новый, надёжный и высокоэффективный способ взаимодействия между людьми. Так же, как и другие ресурсы в сфере информационных технологий, сети первоначально использовались для научных целей, затем получив распространение во всех областях человеческой деятельности. Первоначально сети существовали независимо друг от друга, каждая сеть решала конкретные задачи для конкретных групп пользователей. Со временем, возникла идея объединить множество локальных сетей в единую глобальную сеть (Internet), что дало новые требования к её организации (в том числе и её стандартизации).

	Таким образом, сеть Internet никому не принадлежит, точнее, она принадлежит любому, кто может оплатить адресное пространство в ней. Сегодня десятки миллионов пользователей подключаются к сети Internet и десятки тысяч компаний уже не могут обходиться без ее услуг. Администраторы и разработчики сетей вынуждены учитывать при проектировании сетей новые требования. В настоящее время понимание структуры сети, современных стандартов (технологий и протоколов) является необходимым условием создания сетей. [3]

	Известны следующие модели сетевого взаимодействия: модель OSI имеет семиуровневую структуру, модель DOD (TCP/IP) имеет 4 уровня, таким образом, я посчитал целесообразным подробно рассмотреть функции каждого из уровней моделей, а так же познакомить читателя с наиболее известными протоколами и технологиями в области передачи данных по сети.

	Целью компьютерной сети является соединение различного оборудования, таким образом, проблемы совместимости здесь наиболее остры. Для создания и развития сетевой инфраструктуры необходимо согласование всеми производителями общепринятых стандартов для оборудования и протоколов. Поэтому все развитие компьютерной отрасли, в конечном счете, отражено в стандартах - любая новая технология только тогда приобретает "законный" статус, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте. [10]

	Итак, целью данной работы является изучение самых распространенных сетевых протоколов и стандартов, применяемых в современных компьютерных сетях. Также в работе я рассмотрел некоторые вопросы технической реализации сети.

	Выбранную мной тему считаю актуальной, поскольку развитие сетевой инфраструктуры и её оптимизация имеет огромнейшую роль как в вычислительных, так и в информационных целях.


1. Основные сведения о сетях



	Компьютерная сеть (Computer NetWork) - совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программным, техническим, информационным и организационным ресурсам сети [6]

	Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков.

	По территориальной распространённости выделяют CAN (сеть контроллеров), LAN (локальная сеть), WAN (глобальная сеть), PAN (персональная сеть).

	В данной работе подробнее речь пойдёт о локальных и глобальных сетях.

	Под локальной компьютерной сетью (Local Area Network, LAN) понимается совокупность компьютеров, объединенных одной средой передачи данных и одной технологией доступа к среде.

	Глобальная компьютерная сеть (Wide Area Network, WAN) - это совокупность локальных сетей, разнесенных географически на большие расстояния, способных обмениваться данными. [1]

	В зависимости от топологии соединений узлов различают сети.

	Компьютеры любой сети называют узлами или хостами.

	Cети разделяют также в зависимости от топологии соединений узлов на шинную (магистральную), кольцевую, звездную, иерархическую, произвольную структуру [7]

	По типу функционального взаимодействия выделяют: клиент-сервер, сменные сети, одноранговые сети, многоранговые сети;

	Сети разделяются и по типу среды передачи данных (проводные, беспроводные), по скорости передачи данных, по функциональному значению, а также по используемым операционным системам.


2. Стандарты современных сетей



2.1 Модели сетевого взаимодействия



	Для того чтобы облегчить изучение сети, упростить разработку сетевых протоколов и устройств, а также для упрощения проектирования сети была разработана эталонная модель OSI (Open System Interconnection), модель описывает взаимосвязи открытых систем: как два узла сети взаимодействуют между собой [7]. В этой модели для упрощения описания сетевых операций используют семь уровней. Уровни относительно независимы и разделены на основе выполняемых ими функций. Названия уровней и их функции перечислены в таблице [1]:

	

Функции семиуровневой модели сети

№

Название уровня 

Функции 

7

Application

(Уровень приложений) 

Обеспечивает работу приложений пользователя 

6

Presentation (Уровень представления данных) 

Обеспечивает представление и форматирование данных, определяет синтаксис передачи данных. 

5

Session

(Сеансовый уровень) 

Обеспечивает сеанс обмена между приложениями и управления этим процессом. 

4

Transport

(Транспортный уровень) 

Формирует сегменты данных и преобразует их в поток. Гарантирует установку связи между хостами и надежную передачу данных. 

3

Network

(Сетевой уровень) 

Выбирает оптимальный путь передачи данных из одной точки сети в другую. На этом уровне работают маршрутизаторы (routers). Используются схемы логической адресации, такие как IP, IPX, AppleTalk. 

2

Data Link

(Уровень канала связи) 

Уровень служит логическим интерфейсом доступа к физической среде. Для определения источника и места назначения сигналов ис-пользуются аппаратные адреса, их еще называют МАС-адреса (MAC - Media

1

Physical

(Физический уровень) 

Этот уровень описывает электрические, механические и физические средства установки поддержки физической связи между различными устройствами сети. 

	

	Основные принципы выделения уровней в OSI (7 уровней, в основке которых положены следующие принципы)

		подходящая степень модуляризации (уровней не слишком много)

		прозрачность (реализация сетевого взаимодействия не слишком сложная)

		минимальное количество информации, передаваемое интерфейсами между уровнями.

		четкое распределение задач (каждый уровень решает конкретные задачи)

		новый уровень должен создаваться каждый раз, когда требуется новый уровень абстракции (пример: если одна функция оперирует битами, а появляется другая функция, которая манипулирует группами бит, то эти функци должны быть на разных уровнях). [2]

	Наибольшую роль для правильной работы сети играют первые три уровня. Каждому из них соответствует свое сетевое оборудование.

	Основные устройства перечислены в следующей таблице [1]:

	

Сетевые устройства и их функции№ 

Название уровня 

Устройство

Функция

3 

Network 

Маршрутизатор (Router) 

Вычисляет путь по логическому адресу места назначения. Коммутирует потоки данных, осуществляет фильтрацию данных. Объединяет локальные сети, обеспечивает доступ к глобальным сетям. 

2 

Data Link 

Коммутатор (Switch) 

Коммутатор - разбивает локальную сеть на сегменты и управляет потоками данных между сегментами на основе аппаратных MAC-адресов. 

1 

Physical 

Концентратор (Hub) 

Концентратор получает сигнал, усиливает его и рассылает по всем своим портам. 

	

	Существуют устройства, которые работают сразу на всех 7 уровнях. Это - компьютеры конечных пользователей (рабочие станции), серверы различного назначения, принтеры с сетевыми интерфейсами.

	Сетевой протокол - это формальное описание правил и соглашений, которое управляет обменом сетевой информацией между одноименными уровнями взаимодействующих хостов. Совокупность протоколов всех уровней, работающих совместно для обеспечения передачи данных между узлами сети называется стеком протоколов.

	Наиболее известный стек протоколов - TCP/IP. Он разрабатывался совместно с моделью сети TCP/IP. Модель TCP/IP имеет всего четыре уровня. Соответствие между уровнями модели TCP/IP и OSI представлены в таблице: 

	

компьютерная сеть протокол стандарт

Модель OSI

Уровень

Модель TCP/IP

Уровень

7

Application

4

Application

6

Presentation

4

Application

5

Session

4

Application

4

Transport

3

Transport

3

Network

2

Internet

2

Data Link

1

Media Access

1

Physical

1

Media Access

	

	Каждый протокол работает на своем уровне с данными, организованными в блоки (PDU - Protocol Data Unit). На каждом уровне для блоков данных используется свое название.

	1) физический уровень

	Физический уровень отвечает за передачу данных по физическому каналу и описывает среды передачи данных. Данные на физическом уровне передаются в виде сигналов. Сигнал - это физический процесс, развивающийся во времени. Для формирования и передачи сигналов используют два приема: цифровое кодирование и аналоговую модуляцию.

	Физический уровень определяет такие виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т.п. [8]

	2) канальный уровень.

	Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть.

	Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на два подуровня - MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

	3) сетевой уровень.

	Сетевой уровень отвечает за выбор маршрута следования и коммутацию пакетов. Основным протоколом этого уровня в стеке протоколов TCP/IP является протокол IP (Internet Protocol).

	4) транспортный уровень

	Транспортный уровень модели формирует сегменты данных, размер которых зависит от протокола, и преобразует их в поток, обеспечивая надёжную передачу данных.

	5) сеансовый уровень

	Сетевой уровень отвечает за поддержание сеанса связи, позволяет приложениям взаимодействовать между собой длительное время (в том числе в периоды неактивности приложений)

	6) уровень представлений

	Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами.

	7) прикладной (приложений) уровень

	Прикладной уровень обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.

	Инкапсуляция - это процесс спуска данных с верхних уровней узла к нижним с добавлением к ним специальных заголовков, соответствующих протоколам текущего уровня. [1]

	

2.2 Технологии и протоколы передачи данных по сети



	Документы, входящие в систему стандартов информационного обмена между вычислительными системами:

		эталонная модель OSI

		стандартизация методологии и средств тестирования комфорности (X290)

		стандарты протоколов и сервисов сетевых технологий.

	Комфорность - соответствие объекта его нормативно-технической документации.

		Стандарты абстрактных методов тестирования сетевых протоколов.

		Стандарты общесистемных функций (управления, безопасности, качества сервисов)

		Вспомогательные документы (руководства, словари понятий, технические отчёты и др.) [2]

	Как уже было написано, на каждом уровне эталонной модели взаимодействия двух хостов (модели OSI) работают свои устройства, обеспечивающие передачу данных, используя те или иные стандарты: технологии и протоколы. Каждый протокол также работает на своём уровне.

	Рассмотрим следующую таблицу [1]: Соответствие протоколов и уровней. 

	

Название уровня

Блоки данных (PDU) 

Протоколы, стандарты и форматы данных 

Application 

Данные (Data) 

FTP, HTTP, TFTP, SMTP, DNS, SNMP, POP3. 

Presentation 



Форматы данных: JPEG, GIF, ASCII. Шифрование: RSA, DES, ГОСТ89

Сжатие: ZIP, RAR. 

Session 



SQL, RPC 

Transport 

Сегменты (Segments) 

TCP, UDP, SPX. 

Network 

Пакеты (Packets) 

IP, IPX, ARP. 

Data Link 

Кадры (Frames) 

HDLC, PPP, Frame Relay, STP, Ethernet, Token Ring, IEEE 802.2, IEEE 802.3 

Physical 

Биты (Bits), а точнее сигналы 

Стандарты на схемы кодирования сигналов.

Стандарты на среды передачи данных. Витая пара: UTP CAT5, UTP CAT3, Shielded TP.

Коаксиальный кабель: Thin и Thick Ethernet. Стандарты структуриро-ванных кабельных сетей: TIA/EIA-568A,B; 

	

	Далее я посчитал целесообразным рассмотреть подробнее некототорые протоколы и технологии.

	Уровень сетевого интерфейса. Стек TCP/IP на нижнем уровне (1,2 уровни модели OSI) поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных - протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN

	Рассмотрим Ethernet - пакетную технологию передачи данных для локальных сетей.

	Спецификации: 10Base-5, 10Base-2,10Base-T, 10Base-F [4]

	Для передачи сигнала используются: коаксиальный кабель (спецификации: 10base5, 10base2), витая пара (спецификации: 10baseT, 100baseT), оптоволокно (10baseFL, 1000baseSXLX). Для построения сети Ethernet на основе витой пары необходим концентратор или коммутатор Ethernet. На физическом уровне стандарта Ethernet используются манчестерские схемы кодирования. Логическая топология у технологии Ethernet - шина. Циркуляция данных в сети происходит согласно следующему алгоритму. Если одно устройство сети Ethernet хочет передать данные другому устройству, то оно вначале прослушивает канал передачи данных, ожидая его освобождения. Когда канал свободен, формируется кадр: в поле кадра DA записывается MAC-адрес (уникальный физический адрес) места назначения, в SA - собственный MAC-адрес. Кадр попадает на концентратор, который усиливает сигнал и рассылает его по всем портам. Все устройства, подключенные к концентратору, получают этот кадр, проверяют, совпадает ли их собственный адрес с адресом места назначения. Если да, то принимают кадр; если нет - отбрасывают.

	При одновременной передаче двух хостов возможно возникновение коллизий. Коллизия - это наложение амплитуд двух сигналов, обнаруживаемое с помощью пороговой схемы. Коллизия приводит к искажению данных, поэтому после обнаружения коллизии формируется так называемый JAM-сигнал длиной в 32 бита и посылается в среду передачи данных. После получения JAM-сигнала все узлы сети узнают о происшествии (возникновении коллизии). Узлы прекращают передачу кадров на случайно выбранные промежутки времени. Этот механизм доступа к среде называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Область сети, в которой происходят коллизии, называется доменом коллизий.

	Далее рассмотрим протокол PPP. Протокол PPP используется в глобальных сетях. Как правило, используется для установления прямой связи между двумя узлами сети, причем он может обеспечить аутентификацию соединения, шифрование и сжатие данных. Используется на многих типах физических сетей: нуль-модемный кабель, телефонная линия, сотовая связь и. т.д. Существуют следующие виды протокола: PPPoE (используется для Ethernet, DSL), PPPoA (используется для (AAL5). PPP представляет собой целое семейство протоколов: протокол управления линией связи (LCP), протокол управления сетью (NCP), протоколы аутентификации (PAP, CHAP), многоканальный протокол PPP (MLPPP).

	Итак, рассмотренные стандарты (Ethernet, PPP) работают на первом уровне модели TCP/IP и соответственно на 1 и 2-ом уровнях модели OSI.

	Уровень Internet. Здесь работают такие протоколы как IP, IPx, ARP, ICMP.

	Одна из задач, которая стоит перед протоколом IP, - обеспечение совместной согласованной работы в распределенной сети, состоящей из локальных сетей с разными технологиями 2-уровня. Но при этом возникает следующая проблема: "Мы знаем IP-адрес места назначения, какой физический адрес места назначения необходимо указать в заголовке кадра?". В стеке протоколов TCP/IP решением этой проблемы занимается протокол ARP.

	ARP (Address Resolution Protocol) - протокол разрешения адресов, этот протокол разрешает IP адрес в MAC адрес. ARP - данные инкапсулируются в кадр LAN. ICMP - протокол управляющих межсетевых сообщений, обеспечивает выработку управляющих сообщений об ошибках и перенос запросов/сообщений для диагностических программ (таких как ping).

	Транспортный уровень. На этом уровне в стеке протоколов TCP/IP используются два протокола: UDP (User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм, описан в RFC 768) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей, описан в RFC 793).

	UDP - это ненадежный протокол без установления соединения и без гарантированной доставки. UDP обеспечивает минимальные транспортные услуги для протоколов прикладного уровня. Само приложение должно контролировать пропущенные или искаженные данные, запрашивать их повторно или игнорировать пропуски и искажения.

	TCP - это надежный протокол с гарантированной доставкой и установлением соединения. TCP - протокол, обеспечивающий управляемую скорость передачи. Данный протокол использует следующие механизмы:

	1) монопольное соединение TCP. Означает, что при установке сеанса TCP соединение монопольно и уникально для двух хостов.

	2) порядковые номера. Обеспечивают хронологию в посылке и приеме данных TCP.

	3) квитанции подтверждения. Используются для сообщения отправителю о приеме данных. Работа TCP протокола состоит из 3 этапов: Установка соединения. Передача данных. Завершение соединения.

	Протоколы прикладных уровней.

	FTP (File Transfer Protocol) - протокол передачи файлов. Предназначен для передачи файлов между хостами. Один из хостов играет роль сервера, именно на нем размещаются файлы. Второй - клиента. Для передачи данных используют 20 порт, в качестве транспортного протокола TCP. Для передачи команд управления - 21 порт (протокол TCP).

	TFTP (Trivial File Transfer Protocol) - простой протокол передачи файлов. Предназначен для передачи файлов по надежным каналам связи. В качестве транспорта использует UDP. Сходен по назначению с FTP. Используется, в частности, для загрузки образов IOS и конфигурационных файлов в маршрутизаторы и коммутаторы.

	HTTP (HyperText Transfer Protocol) - протокол предназначен для передачи гипертекста. Гипертекст - это специальный документ, записанный на языке разметки HTML. Обозреватель Интернет, такие, как Netscape, Internet Explorer или Opera, интерпретируют этот язык и команды протокола, затем представляют все в графическом, удобочитаемом виде. Интернет своей популярностью обязан именно этому протоколу. Здесь используется клиент-серверная технология. Обозреватель Интернет - это клиент, HTTP-сервер, работающий на 80 порту - сервер, обрабатывающий запросы клиентов.

	SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол передачи почты, использует 25 порт для отправки сообщений электронной почты.

	POP3 (Post Office Protocol) - протокол, с помощью которого клиенты забирают почту с почтового сервера, использует 110 порт.

	Telnet - протокол терминальной службы, использует 23 порт. Позволяет получить доступ к консоли сервера и запускать на нем различные задачи. Протокол не обеспечивает безопасного соединения: трафик не шифруется, а пароли передаются в открытом виде. Сейчас существуют более совершенные и защищенные службы.

	DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) - протокол, который позволяет динамически конфигурировать хосты, работающие по протоколу IP.

	SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол, предназначенный для сбора информации в IP-сети и конфигурировании сетевых устройств, таких, как серверы, принтеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. SNMP - может быть использован для сбора статистики с сетевых устройств и направления этой информации на центральную консоль управления. Эта информация используется для наблюдения за производительностью сети и диагностики ошибок. Типичная статистическая информация может включать число пакетов или кадров, посланных или полученных за промежуток времени, а также число произошедших ошибок. SNMP может быть также использован для чтения и изменения конфигурации интерфейсов сетевых устройств, например IP-адресов.


Заключение



	Для правильного взаимодействия компьютеров, работающих в сетях разнообразной структуры, с использованием различного программного обеспечения необходимо наличие стандартов. Как мы и убедились, этих стандартов на данный момент существует также достаточно большое количество. Данные стандарты и протоколы строго определяют нормы и правила технической организации компьютерных сетей и программ, реализующих взаимодействие по сети.

	Изучение сетевых стандартов и протоколов является на сегодняшний день обязательным для любого специалиста по информационным технологиям. Поскольку удельное количество персональных компьютеров объединенных в сети неуклонно возрастает, вопросы рассмотрения темы сетевых протоколов и стандартов приобретают особую актуальность. Важную значимость, данная тема имеет и в аспекте выбора того или иного способа построения компьютерной сети, отвечающей заданному набору требований.


Список используемой литературы



[1] Д.Н. Лавров Сети и системы телекоммуникаций.

[2] З.В. Семёнова Современные стандарты в области передачи данных по сетям.

[3] С. Хелеби Принципы маршрутизации в Internet

[4] Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы. Технологии, протоколы.

[5] К. Кларк, К. Гамильтон Принципы коммутации в локальных сетях

[6] Л.З. Шауцукова Информатика

[7] И.П. Норенков, И.П. Норенков Телекоммуникационные технологии и сети

[8] А. Дудкин Структура сетей и протоколов

[9] Д. Найк Стандарты и протоколы интернета

[10] http://setevik. in/556.html Стандартизация сетей