Принципы построения сетевых протоколов

Иерархия сетевых протоколов

Так как сети представляют собой сложные системы, структуры большинства сетей организуются иерархически и имеют несколько уровней или слоев. Число уровней, их название, содержание и назначение может различаться в разных сетях, но целью каждого нижележащего уровня является предоставление неких сервисов (или служб) для вышестоящих уровней.

Уровень n одной машины поддерживает связь с уровнем n другой, используя некоторые правила общения. Набор таких правил называется протоколом. Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. В действительности данные не пересылаются с уровня n одной машины на уровень n другой, а вместо этого каждый уровень передает данные и управление нижележащему уровню посредством междууровневого интерфейса. Так происходит до тех пор, пока не будет достигнут самый нижний уровень, являющийся физическим уровнем, по которому непосредственно осуществляется связь. Таким образом, между одноранговыми уровнями, за исключением физического уровня, осуществляется лишь виртуальное общение.

Служба – это набор операций (или примитивов), которые данный уровень предоставляет более высокому уровню. Служба определяет операции, которые может выполнять данный уровень, но не определяет, как они будут реализованы. Таким образом, служба описывает интерфейс между уровнями.

Протокол – это набор правил, определяющих формат и назначение кадров, пакетов или сообщений, которыми обмениваются одноранговые сущности в пределах одного уровня. По аналогии с объектно-ориентированным программированием протокол можно назвать реализацией службы. Причем, как и в объектно-ориентированном программировании можно менять протокол при условии, что службы останутся неизменными. Таким образом, службы и протоколы являются достаточно независимыми и можно сказать, что службы инкапсулируют протоколы.

Стеком протоколов называется список используемых системой протоколов по одному на уровень. Понятие стека протоколов отличается от понятия архитектуры сети, так как одна и та же служба может быть реализована различными протоколами.

Метафора «философ – переводчик – секретарь»

Чтобы лучше понять идею многоуровневого общения можно предложить метафору «философ – переводчик – секретарь» [1]. Один философ, говорящий на урду и английском, хочет сообщить другому философу, владеющему китайским и французским, некоторую мысль (рис. 2). Философы находятся в разных странах. Общение философов будет соответствовать одноранговому процессу уровня 3. Поскольку у них нет общего языка, на котором они могли бы общаться, оба используют переводчиков (междууровневый интерфейс 2/3), которые договорились общаться между собой на нейтральном голландском языке (одноранговый процесс уровня 2). Оба переводчика используют секретарей (междууровневый интерфейс 1/2), которые в свою очередь ведут переписку по электронной почте (одноранговый процесс уровня 1).

Рис. 2. Метафора «философ – переводчик – секретарь»

Следует заметить, что здесь каждый уровень протоколов независим от других. Переводчики, например, для общения между собой могут вместо голландского языка использовать ирландский или какой-либо другой язык, которым они оба владеют. При этом в междууровневых интерфейсах 2/3 и 1/2 ничего не измениться. Секретарши тоже могут использовать вместо электронной почты факс или какой-либо другой способ общения.

Пример пятиуровневого протокола

В качестве примера рассмотрим организацию общения приложений самого верхнего, пятого, уровня в пятиуровневой сети (рис. 3, 4). На машине-источнике сообщение M производится приложением, работающим на уровне 5. Далее оно передается уровню 4 для передачи на машину-приемник. Уровень 4 добавляет к сообщению заголовок H4, необходимый для идентификации сообщения, после чего оно передается уровню 3. Обычно размер сообщения на уровне 4 не ограничен, в то время как такие ограничения почти всегда обязательны на уровне 3. Поэтому на уровне 3 происходит разбиение сообщения на части, в нашем случае М1 и M2. Кроме того, каждой части пакета добавляется заголовок H3. Далее на уровне 3 происходит решение о том, какую линию следует использовать, после чего сообщение передается уровню 2. На уровне 2 добавляется заголовок H2, а так же завершающая последовательность с контрольной суммой T, необходимой для контроля правильности передачи сообщения. На принимающей стороне сообщение передается вверх по уровням, при этом на каждом уровне удаляются соответствующие заголовки.

Рис. 3. Принцип иерархического построения протоколов

Рис. 4. Обработка сообщения на разных уровнях (увеличить)

Службы с наличием и отсутствием установления соединения

Услуги, предоставляемые нижними уровнями высшим, называются сервисами или службами. Службы бывают двух типов: с наличием и отсутствием установления соединения.

Типичным примером службы на основе установления соединения является телефонная сеть, где на протяжении всего разговора существует канал, который создается в момент соединения и уничтожается после окончания разговора в тот момент, когда абонент кладет трубку.

Типичным примером службы без установления соединения является почтовая связь, где каждое письмо содержит полный адрес и проходит по маршруту, который не зависит от маршрута других писем. Такие службы обычно называют дейтаграммными.

Службы характеризуются качеством обслуживания и делятся на надежные и ненадежные. Надежная служба гарантирует, что переданное сообщение дойдет до адресата без искажения. Такие службы необходимы, например, для пересылки файлов, так как в этом случае необходимо обеспечить, чтобы принятый файл был идентичен переданному.

Надежные службы бывают двух типов: последовательности сообщений и байтовые потоки. В первом случае сохраняются границы между сообщениями, а во втором – нет.

Системы на основе ненадежных служб используются тогда, когда скорость передачи данных важнее достоверности, например при организации видеоконференций и в IP-телефонии.

 

ТОПОЛОГИЯ INTERNET

Рассмотрим топологию Интернет, определяющую в общих чертах ее функционирование.

Персональный компьютер пользователя через модем устанавливает связь с местным провайдером (рис. 7). Такая связь осуществляется посредством телефонной линии. Точка, в которой компьютер пользователя оказывается связанным с провайдером, называется точкой присутствия (Point of Presence – POP).

Рис. 7. Топология Internet

Провайдер имеет свою местную сеть, состоящую из маршрутизаторов и линий связи, и если местом назначения отправляемого пакета является хост, обслуживаемый данным провайдером, то он просто непосредственно передается этому хосту, в противном случае пакет передается оператору сетевой магистрали.

Магистральные операторы владеют высокоскоростными международными магистральными сетями (магистралями), которые связывают между собой различных местных провайдеров. Иногда большие корпорации и хостинговые компании имеют свои собственные серверные фермы, напрямую подключенные к магистралям. Такие фермы обслуживают тысячи и десятки тысяч запросов к веб-страницам в секунду. Обычно такие фермы устанавливаются в помещениях, сдаваемых в аренду магистральными операторами, в которых непосредственно располагаются магистральные маршрутизаторы.

Магистрали связаны между собой с помощью так называемых точек входа в сеть (Network Access Point – NAP), что позволяет перебрасывать передаваемый пакет с одной магистрали на другую.

МАРШРУТИЗАЦИЯ

За определение маршрута передачи сообщения отвечает маршрутизация, которая относится к сетевому уровню. Рассмотрим механизм маршрутизации для сетей на основе служб без установления и с установлением соединения.