Уровень 6, уровень представления

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

• шина (bus);
• звезда (star);
• кольцо (ring).

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца. Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Шина

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети.

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

• передача сигнала;
• отражение сигнала; терминатор.

Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, ' зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

• характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;
• частота, с которой компьютеры передают данные;
• тип работающих сетевых приложений;
• тип сетевого кабеля;
• расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети -- от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному — неподключенному — концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Нарушение целостности сети

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает». Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Звезда

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

Кольцо

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Передача маркера

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается приктически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

 

6. Модель OSI

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 1) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

• горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах
• вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

Рисунок 1 Модель OSI

Уровень 1, физический

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включаютя:

• Тип кабелей и разъемов
• Разводку контактов в разъемах
• Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

• EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса.
• EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса.
• IEEE 802.3 -- Ethernet
• IEEE 802.5 -- Token ring

Уровень 2, канальный

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:

• HDLC для последовательных соединений
• IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x
• Ethernet
• Token ring
• FDDI
• X.25
• Frame relay

Уровень 3, сетевой

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

• IP - протокол Internet
• IPX - протокол межсетевого обмена
• X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)
• CLNP - сетевой протокол без организации соединений

Уровень 4, транспортный

Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

• TCP - протокол управления передачей
• NCP - Netware Core Protocol
• SPX - упорядоченный обмен пакетами
• TP4 - протокол передачи класса 4

Уровень 5, сеансовый

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 7, прикладной

Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

• FTP - протокол переноса файлов
• TFTP - упрощенный протокол переноса файлов
• X.400 - электронная почта
• Telnet
• SMTP - простой протокол почтового обмена
• CMIP - общий протокол управления информацией
• SNMP - простой протокол управления сетью
• NFS - сетевая файловая система
• FTAM - метод доступа для переноса файлов

7. Режимы передачи данных

Существуют три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный.

Симплексный режим — передача данных только в одном направлении.

Примером симплексного режима передачи (рис. 11) является система, в которой ин­формация, собираемая с помощью датчиков, передается для обработки на ЭВМ. В вычисли­тельных сетях симплексная передача практически не

Полудуплексный режим — попеременная передача информации, когда источник и приемник последовательно меняются местами (рис. 12).

Яркий пример работы в полудуплексном режиме — разведчик, передающий в Центр информацию, а затем принимающий инструкции из Центра.

Дуплексный режим — одновременные передача и прием сообщений.

Дуплексный режим (рис.13) является наиболее скоростным режимом работы и позво­ляет эффективно использовать вычислительные возможности быстродействующих ЭВМ в сочетании с высокой скоростью передачи данных по каналам связи. Пример дуплексного режима — телефонный разговор.

 

8. Асинхронная передача

Здесь передатчик и приемник действуют независимо и обмениваются синхронизирующей комбинацией битов в начале каждого кодового элемента (кадра) сообщения. Между одним кадром сообщения и следующим нет фиксированной зависимости. Это аналогично таким устройствам обмена информацией, как клавиатура компьютера, ввод с которой может происходить с длинными случайными паузами между нажатиями на клавиши.

Рис. 2.13. Асинхронная передача данных

Выбранная первоначально скорость передачи задает частоту опроса (за исключением систем "Autobaud"). Частота опроса канала на приемнике высока, обычно в 16 раз выше скорости передачи бит (bit rate), для точного определения центра синхронизирующей комбинации (стартового бита) и его длительности.

Рис. 2.14. Извлечение синхросигнала

Затем биты данных определяются приемником путем опроса канала в моменты времени, соответствующие середине каждого передаваемого бита. Они определяются добавлением для; каждого последующего такта значения длительности бита, начиная с середины стартового бита. Для восьмибитной последовательной передачи этот опрос производится для каждого из восьми битов данных, а заключительная выборка производится во время девятого временного интервала. Последняя выборка служит для определения стопового бита и подтверждения сохранности синхронизации до конца кадра сообщения. Рис. 2.15 иллюстрирует процесс асинхронного приема данных.

9. Синхронная передача

Здесь передатчик и приемник устанавливают начальную синхронизацию, затем непрерывно передают данные, поддерживая ее на протяжении всего сеанса передачи. Достигается это посредством специальных схем кодирования данных, таких, как манчестерское кодирование (Manchester Encoding), которые обеспечивают непрерывную запись в передаваемый поток данных тактовых сигналов передатчика. Таким способом можно поддерживать синхронизацию приемника вплоть до последнего бита сообщения, которое может достигать длины 4500 байтов (36000 битов). Это позволяет эффективно передавать большие кадры данных на больших скоростях. Синхронная система упаковывает вместе множество символов и посылает их непрерывным потоком, который называется блоком. У каждого блока есть заголовок, содержащий стартовый ограничитель для начальной синхронизации и информацию о блоке, и завершающая ччасть, для проверки ' ошибок и т. п. Пример блока синхронной передачи показан на рис. 2.16.

 

10. Интерфейс NetBIOS

 

Протокол NetBIOS широко используется в небольших сетях, не разделенных маршрутизаторами на части. Этот протокол поддерживается в операционных системах WindowsforWorkgroups и WindowsNT компании Microsoft, в операционной системе OS/2 Warp компании IBM, а также в некоторых версиях Unix. NetBIOS используется не только как коммуникационный протокол, но и как интерфейс к протоколам, выполняющим транспортные функции в сети, например, к протоколам TCP, UDP или IPX. Последняя роль NetBIOS связана с тем, что в ОС, традиционно использовавших NetBIOS в качестве коммуникационного протокола, многие приложения и протоколы прикладного уровня были написаны в расчете на API, предоставляемый протоколом NetBIOS. При замене протокола NetBIOS на другие транспортные протоколы разработчики приложений и ОС захотели оставить свои программные продукты в неизменном виде, поэтому появились реализации интерфейса NetBIOS, оторванные от его функций как коммуникационного протокола, и выполняющие роль некоторой прослойки, транслирующей запросы одного API в другой.
NetBIOS (Network Basic Input/Output System) — протокол для работы в локальных сетях на персональных ЭВМ типа IBM/PC, разработан в виде интерфейса, который не зависит от фирмы-производителя. Был разработан фирмой Sytek Corporation по заказу IBM в 1983 году. Он включает в себя интерфейс сеансового уровня (NetBIOS interface), в качестве транспортных протоколов использует TCP и UDP.
Особенностью NetBIOS является возможность его работы поверх разных протоколов, самыми распространёнными/известными из которых являются NetBEUI, IPX и TCP/IP; причём если старые версии Windows ориентировались на более лёгкие в реализации и менее ресурсоёмкие NetBEUI и IPX, то современные Windows ориентируются на TCP/IP. При использовании NetBEUI и IPX NetBIOS сам обеспечивает надёжность доставки данных (функциональность SPX не использовалась), а при использовании TCP/IP надёжность доставки обеспечивает TCP, за что удостоился отдельного имени "NBT".
Интерфейс NetBIOS представляет собой стандартный интерфейс разработки приложений (API) для обеспечения сетевых операций ввода/вывода и управления нижележащим транспортным протоколом. Приложения, использующие NetBIOS API интерфейс, могут работать только при наличии протокола, допускающего использование такого интерфейса.

NetBIOS также определяет протокол, функционирующий на сеансовом/транспортном уровнях модели OSI. Этот протокол используется протоколами нижележащих уровней, такими как NBFP (NetBEUI) и NetBT для выполнения сетевых запросов ввода/вывода и операций, описанных в стандартном интерфейсном наборе команд NetBIOS. То есть NetBIOS сам не поддерживает выполнение файловых операций. Эта функция возлагается на протоколы нижележащих уровней, а сам NetBIOS обеспечивает только связь с этими протоколами и NetBIOS API интерфейс.

 

11. Примеры программ сетевого взаимодействия на основе интерфейса NetBIOS

NetBT является неотъемлемой частью сетевого стека TCP/IP ОС Windows и инсталлируется вместе с протоколом TCP/IP. Части функционала NetBT встречаются в коде библиотек, переменных окружения (COMPUTERNAME, USERDOMAIN), коде некоторых современных антивирусных продуктов, почтовых серверов, баз данных. NetBIOS до сих пор используется в алгоритме добавления рабочей станции в домен, в процедурах работы с сетевым окружением, подключения сетевых дисков. О исключительном значении протокола NetBIOS через TCP/IP говорит уже и тот факт, что штатными средствами самой ОС протокол NetBIOS может быть только отключен, но никак не удален. Удаление же его возможно только вместе с удалением протокола TCP/IP.

 

12. Событийная модель сетевого взаимодействия

13. Создание файла по UNC-соединению

Протокол SMB основан на простой модели запросов клиента и ответов сервера. Клиент перенаправителя MSNP создает структуру SMB с указанием типа запроса в поле кода команды. Если команда требует отправки данных (например, SMB-командаWrite), то они прилагаются к запросу. Затем структура SMB отправляется по транспортному протоколу (например, TCP/IP) серверной службе на удаленной рабочей станции. Эта служба обрабатывает запрос клиента и возвращает ему ответную структуру SMB.

Теперь рассмотрим пример: открытие файла \\Myserver\Myshare\Sample.mp3 по сети. При этом происходит следующее.

1.Приложение направляет запрос на открытие этого файла локальной ОС с помощьюAPI-функции CreateFile.

2.Локальная ОС определяет по UNC-имени,что этот запросввода-выводаадресован удаленной машине с именем \\Myserver, и передает его MUP.

3.MUP определяет, что запрос предназначен компоненту доступа MSNP, поскольку именно этот компонент обнаруживает \\Myserver путем разрешения NetBIOS-имени.

4.Запрос ввода-выводапередается перенаправителю MSNP.

5.Перенаправитель форматирует запрос на открытие файла Sample.mp3 в удаленной папке \Myshare как сообщение SMB.

6.Форматированное сообщение SMB передается по сетевому транспортному протоколу.

7.Сервер с именем \\Myserver получает SMB-запроспо сети и передает его серверной службе своего перенаправителя MSNP.

8.Серверная служба выполняет локальный запрос ввода-выводана открытие файла Sample.mp3 в общей папке \Myshare.

9- Перенаправитель сервера форматирует ответное SMB-сообщениес информацией об успехе или неудаче локального запросаввода-выводана открытие файла.

10.Ответ сервера посылается по сетевому транспортному протоколу обратно клиенту.

11.Перенаправитель MSNP получает ответ SMB и передает код возврата локальной ОС.

12.Локальная ОС передает код возврата вызвавшему функцию CreateFile приложению.

Как видите, перенаправителю MSNP требуется всего несколько шагов, чтобы предоставить приложению доступ к удаленным ресурсам. Перенаправитель также управляет доступом к ресурсам, что является одной из форм сетевой безопасности.

14. Пример программы сервера почтовых ящиков

Почтовый сервер, сервер электронной почты, мейл-сервер — в системе пересылки электронной почты так обычно называют агент пересылки сообщений (англ. mail transfer agent, MTA). Это компьютерная программа, которая передаёт сообщения от одного компьютера к другому. Обычно почтовый сервер работает «за кулисами», а пользователи имеют дело с другой программой — клиентом электронной почты (англ. mail user agent, MUA).

К примеру, в распространённой конфигурации клиентом электронной почты является Outlook Express, однако в последнее время часто используются полноценные версии почтового клиента от Microsoft — Outlook, а также клиента от Mozilla — Thunderbird. Когда пользователь набрал сообщение и посылает его получателю, почтовый клиент взаимодействует с почтовым сервером, используя протокол SMTP. Почтовый сервер отправителя взаимодействует с почтовым сервером получателя (напрямую или через промежуточный сервер — релей). На почтовом сервере получателя сообщение попадает в почтовый ящик посредством агента доставки сообщений MDA. MDA может быть частью POP/IMAP сервера (например, deliver и lmtpd у Cyrus-IMAP), частью SMTP сервера (например, mail.local у Sendmail, хотя чаще с Sendmail используют Procmail)

 

15. Стек протоколов TCP/IP

Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 2.1. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Рис. 2.1. Стек TCP/IP

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM 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 пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. 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 виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол - простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения - UDP.

 

16. Протокол UDP

В отличие от TCP UDP — очень быстрый протокол, поскольку в нем определен самый минимальный механизм, необходимый для передачи данных. Конечно, он имеет некоторые недостатки. Сообщения поступают в любом порядке, и то, которое отправлено первым, может быть получено последним. Доставка сообщений UDP вовсе не гарантируется, сообщение может потеряться, и могут быть получены две копии одного и того же сообщения. Последний случай возникает, если для отправки сообщений в один адрес использовать два разных маршрута.

UDP не требует открывать соединение, и данные могут быть отправлены сразу же, как только они подготовлены. UDP не отправляет подтверждающие сообщения, поэтому данные могут быть получены или потеряны. Если при использовании UDP требуется надежная передача данных, ее следует реализовать в протоколе более высокого уровня.

Так в чем же преимущества UDP, зачем может понадобиться такой ненадежный протокол? Чтобы понять причину использования UDP, нужно различать однонаправленную передачу, широковещательную передачу и групповую рассылку.

 

Однонаправленное (unicast) сообщение отправляется из одного узла только в один другой узел. Это также называется связью "точка-точка". Протокол TCP поддерживает лишь однонаправленную связь. Если серверу нужно с помощью TCP взаимодействовать с несколькими клиентами, каждый клиент должен установить соединение, поскольку сообщения могут отправляться только одиночным узлам.

Широковещательная передача (broadcast) означает, что сообщение отправляется всем узлам сети. Групповая рассылка (multicast) - это промежуточный механизм: сообщения отправляются выбранным группам узлов.

UDP может использоваться для однонаправленной связи, если требуется быстрая передача, например для доставки мультимедийных данных, но главные преимущества UDP касаются широковещательной передачи и групповой рассылки.

Обычно, когда мы отправляем широковещательные или групповые сообщения, не нужно получать подтверждения из каждого узла, поскольку тогда сервер будет наводнен подтверждениями, а загрузка сети возрастет слишком сильно. Примером широковещательной передачи является служба времени. Сервер времени отправляет широковещательное сообщение, содержащее текущее время, и любой хост, если пожелает, может синхронизировать свое время с временем из широковещательного сообщения.

Заголовок UDP гораздо короче и проще заголовка TCP:

Заголовок UDP

Поле Длина Описание

Порт источника 2 байта Указание порта источника для UDP необязательно. Если это поле используется, получатель может отправить ответ этому порту.

Порт назначения 2 байта Номер порта назначения

Длина 2 байта Длина сообщения, включая заголовок и данные.

Контрольная сумма 2 байта Контрольная сумма заголовка и данных для проверки

17. Протокол TCP

Обмен данными, ориентированный на соединения, может использовать надежную связь, для обеспечения которой протокол уровня 4 посылает подтверждения о получении данных и запрашивает повторную передачу, если данные не получены или искажены. Протокол TCP использует именно такую надежную связь. TCP используется в таких прикладных протоколах, как HTTP, FTP, SMTP и Telnet.

Протокол TCP требует, чтобы перед отправкой сообщения было открыто соединение. Серверное приложение должно выполнить так называемое пассивное открытие (passive open), чтобы создать соединение с известным номером порта, и, вместо того чтобы отправлять вызов в сеть, сервер переходит в ожидание поступления входящих запросов. Клиентское приложение должно выполнить активное открытие (active open), отправив серверному приложению синхронизирующий порядковый номер (SYN), идентифицирующий соединение. Клиентское приложение может использовать динамический номер порта в качестве локального порта.

Сервер должен отправить клиенту подтверждение (ACK) вместе с порядковым номером (SYN) сервера. В свою очередь клиент отвечает АСК, и соединение устанавливается.

После этого может начаться процесс отправки и получения сообщений. При получении сообщения в ответ всегда отправляется сообщение АСК. Если до получения АСК отправителем истекает тайм-аут, сообщение помещается в очередь на повторную передачу.

 

Поля заголовка TCP перечислены в следующей таблице:

Заголовок TCP

Поле Длина Описание

Порт источника 2 байта Номер порта источника

Порт назначения 2 байта Номер порта назначения

Последовательный номер 4 байта Последовательный номер генерируется источником и используется назначением, чтобы переупорядочить пакеты для создания исходного сообщения и отправить подтверждение источнику.

Номер подтверждения 4 байта Если установлен бит АСК поля "Управление", в данном поле содержится следующий ожидаемый последовательный номер.

Смещение данных 4 бита Информация о начале пакета данных.

Резерв 6 битов Резервируются для будущего использования.

Управление 6 битов Биты управления содержат флаги, указывающие, верны ли поля подтверждения (АСК), указателя срочности (URG), следует ли сбрасывать соединение (RST), послан ли синхронизирующий последовательный номер (SYN) и т. д.

Размер окна 2 байта В этом поле указывается размер приемного буфера. Используя подтверждающие сообщения, получатель может информировать отправителя о максимальном размере данных, которые тот может отправить.

Контрольная сумма 2 байта Контрольная сумма заголовка и данных; по ней определяется, был ли искажен пакет.

Указатель срочности 2 байта В этом поле целевое устройство получает информацию о срочности данных.

Опции переменная Необязательные значения, которые указываются при необходимости.

Дополнение переменная В поле дополнения добавляется столько нулей, чтобы заголовок заканчивался на 32-битной границе.

TCP — это сложный, требующий больших затрат времени протокол, что объясняется его механизмом установления соединения, но он берет на себя заботу о гарантированной доставке пакетов, избавляя нас от необходимости включать эту функциональную возможность в прикладной протоко

Протокол TCP имеет встроенную возможность надежной доставки. Если сообщение не отправлено корректно, мы получим сообщение об ошибке. Протокол TCP определен в RFC 793.

18. Протокол SCTP

SCTP (англ. S tream C ontrol T ransmission P rotocol — «протокол передачи с управлением потоком») − это надежный транспортный протокол, который обеспечивает стабильную, упорядоченную (с сохранением порядка следования пакетов) передачу данных между двумя конечными точками (подобно TCP). Кроме того, протокол обеспечивает сохранение границ отдельных сообщений (подобно UDP). Однако в отличие от протоколов TCP и UDP протокол SCTP имеет дополнительные преимущества, такие как поддержка множественной адресации (multihoming) и многопоточности (multi-streaming) - каждая из этих возможностей увеличивает доступность узла передачи данных.

Многопоточность

Название протокола SCTP обусловлено его многопотоковой природой передачи данных. Поддержка множества одновременных потоков позволяет распределить между этими потоками передаваемую информацию так, чтобы каждый из потоков обеспечивал независимую упорядоченную доставку данных. При потере сообщения в любом из потоков это оказывает влияние лишь на данный поток, не затрагивая работу других потоков данных.

Протокол TCP работает с одним потоком данных и обеспечивает для такого потока сохранение порядка доставки байтов из потока. Такой подход удобен для доставки файлов или записей, но он может приводить к дополнительным задержкам при потере информации в сети или нарушении порядка доставки пакетов. При возникновении таких ситуаций протокол TCP должен дожидаться доставки всех данных, требуемых для восстановления порядка.

Для многих приложений строгое сохранение порядка доставки не является обязательным. В системах передачи телефонной сигнализации достаточно поддерживать порядок передачи для последовательности сообщений, которые воздействуют на один ресурс (например, для одного вызова или одного канала). Остальные сообщения слабо коррелируют между собой и могут доставляться с нарушением порядка.

Другим примером является возможность использования множества потоков для доставки multimedia-документов (например, web- страниц) в рамках одной сессии. Поскольку такие документы состоят из разнотипных объектов разных размеров, многопотоковая доставка таких компонент не требует строгой упорядоченности. Однако использование множества потоков при доставке существенно повышает для потребителей привлекательность сервиса.

В то же время транспорт в рамках одного соединения SCTP обеспечивает единый механизм управления потоком и контроля насыщения, что существенно снижает нагрузку на транспортный уровень.

Протокол SCTP поддерживает многопотоковую передачу за счет устранения зависимости между передачей и доставкой данных. В частности, каждый блок полезной информации типа DATA (данные) использует два набора порядковых номеров. Номер TSN управляет передачей сообщений и детектированием их потери, а пара “идентификатор потока Stream ID – номер SSN ” используется для управления порядком доставки потребителю полученных данных.

Такая независимость механизмов нумерации позволяет получателю незамедлительно обнаруживать пропуски данных (например, в результате потери сообщения), а также видеть влияние потерянных данных на поток. Утрата сообщения вызывает появление пропуска в порядковых номерах SSN для потока, на который это сообщение оказывает влияние и не вызывает такого пропуска для других потоков. Следовательно, получатель может продолжать доста