Сравнительный анализ коммуникационных протоколов в локальной компьютерной сети типа Ethernet

УДК 004.7

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОММУНИКАЦИОННЫХ ПРОТОКОЛОВ В ЛОКАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ТИПА

ETHERNET

А.И. Левтеров, доцент, к.т.н,

В.Н. Шуляков, преподаватель, ХНАДУ

Аннотация. Рассматриваются актуальные проблемы использования стеков коммуникационных протоколов. Проведен сравнительный анализ применения стеков в локальной компьютерной сети типа Ethernet. Предложено использование стека TCP/IP. При рассмотрении задачи установлена взаимосвязь между модульностью программного продукта и целесообразностью его использования.

Ключевые слова: стек протоколов, Ethernet, локальная сеть, маршрутизация, модульность.

Введение

В условиях современных тенденций использования компьютерных сетей задачи, связанные с использованием различных стеков коммуникационных протоколов, затрагивают наиболее распространенные виды стеков: TCP/IP, IPX/SPX,

NetBIOS/SMB, OSI.

Использование при работе этими стеками на нижних уровнях протоколов Ethernet, Token Ring дает возможность реализовывать сети на одной технологической базе. На верхних уровнях все стеки организуют работу по своим собственным протоколам, что зачастую не соответствует рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни.

Анализ публикаций

Вопросу работы стеков протоколов уделено много внимания. Но проблема их использования непосредственно в локальных сетях типа Ethernet разработана в недостаточной степени. Освещается, как таковая, лишь поддержка стеком протоколов самого стандарта [1, 2].

Развитие и эволюция стеков протоколов приводит к тому, что те из них, которые были ориентированы на работу в специализированных сетях отдельных фирм, вынуждены или подвергаться модернизации для устранения этой особенности, которая в современном мире стала недостатком, или же постепенно оказываться невостребованными.

На рис. 1. представлены тенденции в использовании наиболее распространенных стеков протоколов в период с начала 90-х по начало 2000-х годов [1].

%

8070 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 1. Стеки протоколов в общемировой сетевой базе

Цель и постановка задачи

Соответствие протоколов модели OSI часто весьма условно, так как конкретные протоколы разрабатывались для решения специфических задач, причем многие из них появились до разработки модели OSI. В большинстве случаев разработчики стеков отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности.

Чаще всего в стеке явно выражены 3-4 уровня: уровень сетевых адаптеров, в котором реализуются протоколы физического и канального уровней; сетевой уровень; транспортный уровень и уровень служб, который включает в себя функции сеансового, представительного и прикладного уровней. Задача ставится таким образом: определить наиболее подходящий вариант выбора для использования оптимального стека коммуникационных протоколов.

Анализ стеков коммуникационных протоколов

Стек TCP/IP на нижнем уровне работает с различными стандартами физического и канального уровней: для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, для глобальных - протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN.

За долгое время своего существования стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня, таких как: протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Интернет, гипертекстовые сервисы службы WWW.

Одной из особенностей стека TCP/IP, дающей ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, является гибкая система адресации, позволяющая упростить по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включение в составную сеть сетей различных технологий. В стеке TCP/IP очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Недостатками такого стека являются: высокие требования к ресурсам и сложность администрирования IP-сетей. Мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для своей работы больших вычислительных затрат. Гибкая система адресации приводит к наличию в IP-сети централизованных служб типа DNS.

Основополагающим отличием архитектуры стека TCP/IP от организации других стеков является представление функций уровня сетевых интерфейсов. Он отвечает за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей. Перемещение пакета IP можно рассматривать как последовательность «прыжков» от одного шлюза к другому. Каждый раз на очередном шлюзе в результате функционирования протоколов межсетевого уровня определяется сетевой адрес следующего по маршруту шлюза. Чтобы добраться до него, надо пересечь некоторую подсеть, для этого протоколы TCP/IP должны обратиться к транспортным средствам данной промежуточной подсети.

Задача обеспечения связующего интерфейса между двумя технологиями сводится к определению способа упаковки пакета IP в единицу передаваемых данных промежуточной сети, а также к нахождению способа преобразования сетевого адреса следующего шлюза в новый тип адреса, который принят для адресации узлов в технологии данной промежуточной сети.

Такое решение делает составную сеть TCP/IP открытой для включения в себя различных сетей, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эти сети не использовали.

Протоколы сетевого и сеансового уровней стека IPX/SPX, Internetwork Packet Exchange и Sequenced Packet Exchange являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы «Xerox», распространенных в гораздо меньшей степени, чем стек IPX/SPX. Популярность стека IPX/SPX обусловлена прежде всего с операционной системой Novell NetWare.

На сетевом уровне в стеке IPX/SPX работает протокол IPX, а также протоколы обмена маршрутной информацией RIP и NLSP. IPX является протоколом, который занимается вопросами адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell. Маршрутные решения IPX основаны на адресных полях в заголовке его пакета, а также на информации, поступающей от протоколов обмена маршрутной информацией. IPX использует информацию, поставляемую либо протоколом RIP, либо протоколом NLSP (NetWare Link State Protocol) для передачи пакетов компьютеру назначения или следующему маршрутизатору. Протокол SPX осуществляет передачу сообщений с установлением соединений.

На верхних уровнях стека IPX/SPX работают протоколы NCP и SAP. Протокол NCP (NetWare Core Protocol) является протоколом взаимодействия сервера NetWare и оболочки рабочей станции. Этот протокол прикладного уровня реализует архитектуру клиент-сервер на верхних уровнях модели OSI. SAP (Service Advertising Protocol) -протокол объявления о сервисе - дает возможность сетевым устройствам обмениваться информацией об имеющихся сетевых сервисах.

Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Для таких компьютеров нужны были протоколы, на реализацию которых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти (ограниченной в IBM-совместимых компьютерах под управлением MS-DOS объемом 640 Кбайт) и которые бы быстро работали на процессорах небольшой вычислительной мощности.

На физическом и канальном уровнях стека NetBIOS/SMB задействованы все наиболее распространенные протоколы Ethernet, Token Ring и др. На верхних уровнях работают протоколы NetBEUI и SMB.

Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 году как сетевое расши-

рение стандартных функций базовой системы ввода-вывода IBM PC. В дальнейшем этот протокол был заменен так называемым протоколом расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI — NetBIOS Extended User Interface. Для обеспечения совместимости приложений протокол NetBEUI поддерживает интерфейс NetBIOS. Протокол NetBEUI является эффективным протоколом, потребляющим немного ресурсов и предназначенным для сетей, которые насчитывают не более 200 рабочих станций. Этот протокол содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов. Это ограничивает применение протокола NetBEUI локальными сетями, не разделенными на подсети, и делает невозможным его использование в составных сетях.

Протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уровней. На основе SMB происходит реализация файловой службы, а также службы печати и передачи сообщений между приложениями.

В отличие от других стеков протоколов, стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, протоколы глобальных сетей, Х.25 и ISDN, то есть использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и ряд других.

Протоколы стека OSI отличает большая сложность и неоднозначность спецификаций. Эти свойства стали результатом общей политики разработчиков стека, стремившихся учесть в своих протоколах все случаи жизни и все существующие и появляющиеся технологии. К этому нужно еще добавить и последствия большого количества политических компромиссов, неизбежных при принятии международных стандартов по такому злободневному вопросу, как построение открытых вычислительных сетей. Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их более подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.

Выбор необходимого стека протоколов не в последнюю очередь определяется его модульностью. Модульность проявляется не только в многоуровневом представлении коммуникационных протоколов в конечных узлах сети. Разнообразные требования, предъявляемые в настоящее время к компьютерным сетям, привели к такому же разнообразию выпускаемых для построения сети устройств и программ. Эти продукты отличаются не только основными функциями, но и многочисленными вспомогательными функциями, предоставляющими пользователям или администраторам дополнительные удобства.

Разнообразие увеличивается также потому, что многие устройства и программы отличаются сочетаниями тех или иных основных и дополнительных функций — существуют устройства, сочетающие основные возможности коммутаторов и маршрутизаторов, к которым добавляется еще и набор некоторых дополнительных функций, характерный только для данного продукта. Таким образом, понятие модульности в сетях очень важно, и модульный подход только тогда дает преимущества, когда он сопровождается следованием стандартам. В результате открытый характер стандартов и спецификаций важен для коммуникационных протоколов. Следует отметить, что большинство стандартов, принимаемых сегодня, носят открытый характер. Поэтому даже фирмы, ранее выпускавшие весьма закрытые системы (такие как IBM, Novell или Microsoft) сегодня активно участвуют в разработке открытых стандартов и применяют их в своих продуктах.

Вывод

Таким образом, стек протоколов TCP/IP является самым подходящим для использования в локальной компьютерной сети типа Ethernet, благодаря своей модульности и преимуществам над другими аналогичными коммуникационными протоколами.

Литература

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные

сети. Принципы, технологии, протоколы:

Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер,

2003. - 864 с.

2. Новиков Ю., Новиков Д., Черепанов А., Чуркин В.

Компьютеры, сети, Интернет. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002. - 928 с.

Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 17 февраля 2005 г.