Логическая архитектура компьютерной сети.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

1.	Основные программные и аппаратные компоненты сети. Понятия «клиент», «сервер», «сетевая служба».
2.	Логическая архитектура компьютерной сети.
3.	Локальные и глобальные сети.
4.	Сети операторов связи и корпоративные сети.
5.	Основные характеристики современных компьютерных сетей.
6.	Понятие «топология». Физическая и логическая топология. Базовые топологии.
7.	Принципы именования и адресации в компьютерных сетях.
8.	Многоуровневый подход к стандартизации в компьютерных сетях. Понятия «протокол», «интерфейс», «стек протоколов».
9.	Эталонная модель взаимодействия открытых систем.
10.	Коммуникационное оборудование. Физическая и логическая структуризация сети.
11.	Типы кабелей.
12.	Методы коммутации.
13.	Технологии мультиплексирования.
14.	Общая характеристика протоколов и стандартов локальных сетей. Модель IEEE 802.х.
15.	Классификация методов доступа. Метод доступа CSMA/CD.
16.	Технология Ethernet и ее развитие.
17.	Технология Token Ring. Маркерный метод доступа.
18.	Технология FDDI.
19.	Функции, классификация, параметры настройки и совместимость сетевых адаптеров.
20.	Мосты и коммутаторы локальных сетей.
21.	Архитектура стека TCP /IP.
22.	Адресная схема стека TCP/IP. Порядок назначения IP-адресов.
23.	Классы IP-адресов.
24.	Специальные IP-адреса.
25.	Отображение IP-адресов на локальные адреса.
26.	Организация доменов и доменных имен.
27.	Понятие маршрутизации. Таблицы маршрутизации.
28.	Транспортные протоколы стека TCP/IP.
29.	Развитие стека TCP/IP. Протокол IPv6.
30.	Глобальные компьютерные сети: архитектура, функции, типы.

1. Основные программные и аппаратные компоненты сети. Понятия «клиент», «сервер», «сетевая служба».

Компьютерная сеть представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов.

Основным назначением компьютерной сети является:

- совместное использование информации;

- совместное использование оборудования и ПО;

- централизованное администрирование и обслуживание.

Основные компоненты компьютерной сети:

- компьютеры (аппаратный слой);

- коммуникационное оборудование;

- сетевые операционные системы;

- сетевые приложения.

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно примен комп-ры разл классов - от персон комп- до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор комп- в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Второй слой - это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными Эл-и обраб дан в сетях, в последн время не < важн роль стали играть коммуникац устр-ва. Кабельн сис-мы, повторители, мосты, коммутаторы, маршр-ры и модульн концент-ры из вспомог комп-в сети превр в основн наряду с комп-ми и сис-м прогр-м обесп-м как по влиян на хар-ки сети, так и по стоим-ти.

Третьим слоем, образ-м прогр-ю платформу сети, явл- операц-е сис-мы (ОС). От того, какие концепции управл-я лок-ми и распр-ми ре-ми положены в основу сетевой ОС, зависит эффект-ть работы всей сети. При проект-и сети важно учит-ть, насколько просто данная ОС может взаимодействовать с др ОС сети, насколько она обеспеч безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа.

Самым верхн слоем явл разл сетев прил-я, такие как сетевые БД, почтовые сис-мы, ср-ва архив-я данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

Сетевое приложение представляет собой распределенную программу, т. е. программу, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей, каждая из которых выполняется на отдельном компьютере сети.

Рис. 1.. Взаимодействие частей распределенного приложения

Распределенная программа использует технологию клиент-сервер. Обработка информации в технологии клиент-сервер разделена между рабочей станцией (клиентом) и сервером.

Программа сервер – специальная программа, предназначенная для обслуживания запросов на доступ к ресурсам данного компьютера от других компьютеров сети. Модуль сервера постоянно находится в режиме ожидания запросов, поступающих по сети. Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы серверы отвечали современным требованиям пользователей, в больших сетях их делают специализированными (Серверы файлов, печати, приложений и т. д.).

Программа- клиент - специальная программа, предназначенная для составления и посылки запросов на доступ к удаленным ресурсам, а также получения и отображения информации на компьютере пользователя.

Сетевая служба - пара модулей «клиент - сервер», обеспечивающих совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов. Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей - файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.. (Примеры сетевых служб – WWW, FTP, UseNet).

Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет - клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.

Типы кабелей.

Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие. Американский стандарт EIA / TIA-568A. Международный стандарт ISO/IES 11801. Европейский стандарт EN50173. Кроме этих открытых стандартов, многие компании разработали свои фирменные станд., из которых до сих пор имеет практич. значение только один - стандарт компании IBM.

При построении компьютерных сетей применяются следующие основные типы кабелей: коаксиальный кабель, экранированная и неэкранированная витая пара, волоконно-оптический кабель.

Неэкранированная витая пара UTP (Unshielded Twisted Pair) в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category 1- Category 5).

Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Полоса пропускания до 16МГц, скорость передачи до 16Мбит/с. Эффективная длина –100м. Кабели категории 3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий. Кабель категории 4 представляет собой несколько улучшенный вариант кабеля категории 3. Он обязан выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используется редко. Кабели категории 5 специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Эффективная длина – 150м. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/c- FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы -ATM на скорости 155 Мбит/c, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на смену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из 4 пар имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса. Для соединения кабеля с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы. RJ-11.

Экранированная витая пара STP (Shielded Twisted Pair) хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Type 1, Type 2,:, Type 9.

Основным типом экранированного кабеля является кабель Type 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой. Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5.

Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию используются разъемы конструкции IBM.

Не все типы кабелей стандарта IBM относятся к экранированным кабелям - некоторые определяют характеристики неэкранированного телефонного кабеля (Type 3) и оптоволоконного кабеля (Type 5).

Коаксиальные кабели

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа - телефонных, телевизионных и компьютерных. Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (то есть "тонкий" и "толстый") описаны в стандарте EIA/TIA-568. Новый стандарт EIA/TIA-568A коаксиальные кабели не описывает, как морально устаревшие.

· RG-8 и RG-11 - "толстый" коаксиальный кабель, разработанный для сетей Ethernet 10Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики. Эффективная длина – 500м. Зато этот кабель сложно монтировать - он плохо гнется.

· RG-58/U, RG-58A/U и RG-58 C/U - разновидности "тонкого" коаксиального кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Они обладают худшими механическими и электрическими характеристиками по сравнению с "толстым" коаксиальным кабелем. Тонкий внутренний проводник 0,89 мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в "толстом" коаксиальном кабеле. Эффективная длина – 185м. Для соединения кабелей с оборудованием используется разъем типа BNC.

Волоконно-оптические кабели

Состоят из центрального проводника света - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за её пределы, отражаясь от оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины сердечника различают:

· многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

· многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;

· одномодовое волокно;

Понятие "мода" описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fider, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длинной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии. Эффективная длина – 40-100км (в зависимости от качества волокна).

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50.125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Эффективная длина – 2 км.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

· светодиоды;

· полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один существенный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования

Методы коммутации.

Процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы называется коммутацией.

Существуют три различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала для прямой передачи данных между узлами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами.

Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на пакеты. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных линиях и тем самым повысить пропускную способность сети в целом.

Описанный выше режим передачи пакетов между двумя конечными узлами сети предполагает независимую маршрутизацию каждого пакета. Такой режим работы сети называется дейтаграммным.

Существует другой режим работы сети - передача пакетов по виртуальному каналу. В этом случае перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен виртуальный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий эти конечные узлы. Динамический виртуальный канал устанавливается при передаче в сеть специального пакета - запроса на установление соединения. Этот пакет проходит через коммутаторы и «прокладывает» виртуальный канал. Это означает, что коммутаторы запоминают маршрут для данного соединения и при поступлении последующих пакетов данного соединения отправляют их всегда по проложенному маршруту.

Дейтаграммный метод выгоден для передачи небольшого объема данных, когда время установления соединения может быть соизмеримым со временем передачи данных. При использовании метода виртуальных каналов время, затраченное на установление виртуального канала, компенсируется последующей быстрой передачей всего потока пакетов.

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача» (store-and-forward). Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Маркер. Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт. Начальный ограничитель (Start Delimiter, SD) появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой следующую уникальную последовательность символов манчестерского кода: JKOJKOOO.

Управление доступом (Access Control) состоит из четырех подполей: РРР, Т, М и RRR, где РРР - биты приоритета, Т - бит маркера, М - бит монитора, RRR -резервные биты приоритета. Бит Т, установленный в 1, указывает на то, что данный кадр является маркером доступа. Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монитора со значением 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор передает его дальше по кольцу.

Конечный ограничитель (End Delimeter, ED) - последнее поле маркера. Так же как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную последовательность манчестерских кодов JK1JK1, а также два однобитовых признака: I и Е. Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (1-0) или промежуточным (1-1). Признак Е (Error) - это признак ошибки. Он устанавливается в 0 станцией-отправителем, и любая станция кольца, через которую проходит кадр, должна установить этот признак в 1, если она обнаружит ошибку по контрольной сумме или другую некорректность кадра.

Технология FDDI.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface - оптоволоконный интерфейс распределенных данных) - это первая технология ЛВС, в которой средой передачи является волоконно-оптический кабель. Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

· Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;

· Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;

· Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

FDDI унаследовала от Token Ring кольцевую топологию и маркерный метод доступа.

Основные технические характеристики:

· максимальное количество клиентов в сети - 1000;

· максимальная протяженность кольца сети - 200 км;

· максимальное расстояние между абонентами - 2 км;

· среда передачи - многомодовое оптоволокно (возможно UTP);

· метод доступа - маркерный;

· скорость передачи - 100 Мб/с.

Особенностью технологии FDDI является наибольшая отказоустойчивость по сравнению с другими технологиями ЛВС. Она позволяет определить наличие отказа в сети и произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько работоспособных подсетей.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или " транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть " свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Особенности метода доступа

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется маркерным. В FDDI используется алгоритм раннего освобождения маркера (как в Token Ring на 16 Мбит/с):

1. Абонент, желающий передавать данные, ждет маркер;

2. Когда маркер пришел, абонент удаляет его из сети и передает свой пакет;

3. Сразу после передачи пакета абонент посылает новый маркер.

В сети FDDI нет выделенного активного монитора - все станции и концентраторы равноправны. При обнаружении отклонений начинается процесс повторной инициализации кольца.

Стандарт FDDI не предусматривает возможности установки приоритетов кадров. Однако, разработчики разделили весь трафик на два класса: асинхронный и синхронный. В стандарте определен алгоритм для обслуживания разных типов трафика. Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. Время удержания маркера имеет заранее заданную фиксированную величину.

При передаче асинхронного кадра (для выяснения возможна передача или нет) станция должна измерить интервал времени с момента предыдущего прихода маркера: TRT (Token Rotation Time) - время оборота маркера. При инициализации кольца выбирается Tmax (максимально-допустимое время оборота маркера по кольцу). Если кольцо не перегружено, то TRT < Tmax и станции разрешается захватить маркер и передать свой кадр. Причем время удержания Tуд = Тmax - TRT. Если кольцо перегружено, то TRT > Tmax - станция не имеет права захватить маркер для асинхронного кадра. Таким образом, предпочтение отдается синхронному трафику.

Характеристики коммутатора.

Основная характеристика коммутатора - его производительность. На нее влияют:

· скорость фильтрации кадров;

· скорость продвижения кадров;

· пропускная способность коммутатора;

· задержка передачи кадра.

· тип коммутации - «на лету» или с полной буферизацией;

· размер буфера (буферов) кадров;

· производительность внутренней шины;

· производительность процессора(ов); размер адресной таблицы.

Архитектура стека TCP /IP.

В стеке TCP/IP определены 4 уровня. Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.

 

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу -обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами - решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий. Например, документ RFC 1042 определяет способы инкапсуляции IP-пакетов в кадры технологий IEEE 802. Для этих целей должен использоваться заголовок LLC/ SNAP, причем в поле Type заголовка SNAP должен быть указан код 0х0800. Только для протокола Ethernet в RFC 1042 сделано исключение - помимо заголовка LLC/ SNAP разрешается использовать кадр Ethernet DIX, не имеющий заголовка LLC, зато имеющий поле Type. В сетях Ethernet предпочтительным является инкапсуляция IP-пакета в кадр Ethernet DIX.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (спецификация RFC 1577, определяющая работу IP через сети АТМ, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов этой технологии).

Классы IP-адресов.

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например, 128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса, а 10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая - к номеру узла, определяется значениями первых бит адреса. Значения этих бит являются также признаками того, к какому классу относится тот или иной IP-адрес.

На рис. показана структура IP-адреса разных классов.

 

Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 224, то есть 16 777 216 узлов.

Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В. В сетях класса В под номер сети и под номер узла отводится по 16 бит, то есть по 2 байта. Таким образом, сеть класса В является сетью средних размеров с максимальным числом узлов 216, что составляет 65 536 узлов.

Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узла - 8 бит. Сети этого класса наиболее распространены, число узлов в них ограничено 28, то есть 256 узлами.

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е, Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

 

В табл. 5.4 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Таблица 5.4. Характеристики адресов разного класса

 

Большие сети получают адреса класса А, средние - класса В, а маленькие класса С.

Специальные IP-адреса.

 

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.

 

Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP.

Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным. сообщением (limited broadcast).

Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

При адресации необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся особым назначением некоторых IP- адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в таблице для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2. Например, в сетях класса С под номер узла отводится 8 бит, которые позволяют задавать 256 номеров: от 0 до 255. Однако на практике максимальное число узлов в сети класса С не может превышать 254, так как адреса 0 и 255 имеют специальное назначение. Из этих же соображений следует, что конечный узел не может иметь адрес типа 98.255.255.255, поскольку номер узла в этом адресе класса А состоит из одних двоичных единиц.

Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback. Можно отнести адрес 127.0.0.0 ко внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 - к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3.

Сравнение с IPv4

Новый протокол может обеспечить по 5·10²⁸ адресов на каждого жителя Земли. Однако такое огромное адресное пространство IPv6 было введено ради иерархичности адресов (это упрощает маршрутизацию) и большая его часть в принципе не будет задействована. Классическое применение IPv6 обеспечит возможность использования более 300 млн IP-адресов на каждого жителя Земли.

Из IPv6 убраны вещи, усложняющие работу маршрутизаторов: