Классификация протоколов передачи данных. Модель OSI

Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы канального уровня выявляют такие случаи и обеспечивают механизмы для уменьшения их количества или же их предотвращения.

Многие протоколы канального уровня не имеют подтверждения о приёме кадра, некоторые протоколы даже не имеют контрольной суммы для  проверки целостности кадра. В таких  случаях, протоколы более высокого уровня должны обеспечивать управление потоком данных, контроль ошибок, подтверждение  доставки и ретрансляции утерянных  данных.

 

 

Физический уровень

Физический уровень сетевой модели OSI, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, физический уровень осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне работают сетевые платы, сетевые концентраторы, сетевые коммутаторы, модемы, повторители (ретрансляторы) сигнала, медиаконверторы.

Функции физического уровня реализуются  на всех устройствах, подключенных к  сети. Со стороны компьютера функции  физического уровня выполняются  сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся  физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие  свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передачи данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъёмы AUI и BNC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Описание основных протоколов передачи данных

 

Перед тем как рассматривать протоколы верхних уровней, рассмотрим 3 наиболее популярных стека протоколов (TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS) нижний уровней, которые не являются универсальными и могут различаться в зависимости от поставщика программного и аппаратного обеспечения.

Стек протоколов TCP/IP

IP — это сетевой транспорт, который занимается доставкой данных через составные сети. Средствами IP осуществляется маршрутизация пакетов. IP работает без установления соединения, выполняя "черновую" работу по доставке пакетов данных по сети. Его цель – доставлять пакеты данных по определенному адресу, не задумываясь об их целостности. IP умеет фрагментировать слишком большие пакеты: одно и то же сообщение протокола более высокого уровня может быть разбито на несколько фрагментов, которые независимо путешествуют по сети в поисках адресата и, дойдя до него, снова собираются в исходное сообщение. Протоколу IP все равно, что передавать, но поверх IP работают более продвинутые протоколы, в частности, TCP – Transmission Control Protocol, и UDP – Universal Datagram Protocol.

Таблица 1. Структура IP пакета

Поле	Описание
Source IP-address	(IP-адрес отправителя) Отправитель пакета
Destination IP-address	(IP-адрес получателя) Получатель пакета
Protocol (Протокол)	TCP или UDP
Checksum (Контрольная сумма)	Значение для проверки целостности  пакета
TTL (Time to Live, время жизни пакета)	Определяет, сколько секунд дейтаграмма  может находиться в сети. Предотвращает  бесконечное блуждание пакетов  в сети. Значение TTL автоматически уменьшается на одну или более секунд при проходе через каждый маршрутизатор сети
Version Версия протокола IP — 4 или 6.	Шестая версия протокола IP рассматривается в гл. 8 (4 бита)
Header Length (Длина заголовка)	Минимальный размер заголовка — 20 байт (4 бита)
Type of Service (Тип обслуживания)	Обозначение требуемого для этого  пакета качества обслуживания при доставке через маршрутизаторы IP-сети. Здесь определяются приоритет, задержки, пропускная способность. (8 бит)
Total Length (Общая длина)	Длина дейтаграммы IP-протокола (16 бит)
Identification (Идентификация)	Идентификатор пакета. Если пакет фрагментирован (разбит на части), то все фрагменты  имеют одинаковый идентификатор (16 бит)
Fragmentation Flags (Фрагментационные флаги)	3 бита для флагов фрагментации  и 2 бита для текущего использования
Fragmentation Offset (Смещение фрагмента)	Указывает на положение фрагментов относительно начала поля данных IP-пакета. Если фрагментации нет, смещение равно 0x0 (13 бит)
Options and Padding (Опции и заполнение)	Опции

 

Протокол  TCP отвечает за надежную доставку сообщений. Прежде чем начинать передачу, он устанавливает соединение, а в процессе передачи контролирует передаваемые данные и при необходимости проводит повторные передачи. TCP оперирует так называемыми сегментами данных, а IP работает с пакетами. Сегмент TCP образуется путем "вырезания" определенного количества байт из поступившего потока данных более высокого уровня. TCP не занимается структурированием этих данных, точно так же, как и IP, и не задумывается над тем, что он передает. Но если задача IP – доставить данные через систему сетей, то задача TCP – надежная передача этих данных с использованием IP в качестве транспорта.

Задача  TCP – надежная доставка данных между процессами и приложениями. На одном компьютере может работать несколько приложений, которые взаимодействуют с сетью.

 

Таблица 2. Структура TCP пакета

Поле	Описание
Source port (Порт отправителя)	Порт TCP узла-отправителя
Destination Port (Порт получателя)	Порт TCP узла-получателя
Sequence Number (Порядковый номер)	Номер последовательности пакетов
Acknowledgement Number (Номер подтверждения)	Порядковый номер байта, который  локальный узел рассчитывает получить следующим
Data Length (Длина данных)	Длина TCP– пакета
Reserved (Зарезервировано)	Зарезервировано для будущего использования
Flags (Флаги)	Описание содержимого сегмента
Window (Окно)	Показывает доступное место в  окне протокола TCP
Checksum (Контрольная сумма)	Значение для проверки целостности  пакета
Urgent Pointer (Указатель срочности)	При отправке срочных данных (поле Flags) в этом поле задается граница области срочных данных

 

Средство  операционной системы, позволяющее  прикладным процессам взаимодействовать  с коммуникационными протоколами, называется портом. Разные прикладные службы имеют разные номера портов. Получается, что процесс в сети может быть охарактеризован IP-адресом узла и номером порта этого процесса. Иногда номер порта и IP-адрес в совокупности называют сокетом (Socket), и тогда это слово используется как синоним слова "порт".

На  4-ом уровне OSI, на котором расположен TCP, есть еще один похожий протокол, называемый UDP. В отличие от TCP протокол UDP, как и IP, работает без установки соединения. Он не содержит средств подтверждения доставки данных и приложение, использующее UDP, само должно позаботиться о целостности данных, которые оно передает. Так же, как TCP, протокол UDP оперирует понятием сокетов.

Необходимо  также упомянуть о системе доменных адресов. Такие адреса имеют иерархическую структуру и называются еще доменными именами. В небольшой сети из пяти компьютеров можно обойтись без доменной структуры имен, но если сеть растет и разделяется на несколько подсетей, то без такой адресации не обойтись.

Части доменного имени записываются через  точку. Слово "домен имен" здесь  понимается как некая совокупность имен, у которых совпадают старшие  составные части. Например, пусть  старшая часть доменного имени  будет ".ru" (на деле самая старшая часть всех доменных имен Интернета – это точка ".", но она обычно не принимается во внимание). Все имена узлов, у которых их старшая часть будет ".ru", образуют один домен имен (в данном случае – это пространство доменных имен русского интернета). Это, например, всем известные yandex.ru, rambler.ru и так далее.

Чтобы устанавливать соответствия между  доменными именами и IP-адресами в Интернете, существуют специальные серверы, называемые DNS-серверами, то есть Domain Name System серверами. Они помогают определять IP-адрес узла по его доменному имени. В локальных TCP/IP сетях нет нужды выделять в них отдельный сервер, — особенно в малых сетях. В этих случаях функции разрешения имен выполняет ПО, работающее на компьютерах клиентов.

Говоря  о разрешении имен относительно пары "IP-адрес – доменное имя", следует отметить, что разрешения требует и связка адресов "физический адрес – IP адрес". Эта задача возложена на протокол стека TCP/IP, называемый ARP. Эта аббревиатура означает Address Resolution Protocol — то есть протокол, который занимается определением физического адреса узла по его IP-адресу.

 

Стек протоколов IPX/SPX

IPX/SPX сегодня относится к семейству малоиспользуемых протоколов. Рассмотрим общую структуру протоколов стека IPX/SPX.

Физический  и канальный уровень этого  стека совпадает со стеком TCP/IP, то есть стек IPX/SPX может работать в тех же Ethernet-сетях, на том же оборудовании, сетевых картах и кабелях. Различия начинаются на сетевом уровне.

Сетевой уровень IPX/SPX представлен протоколом IPX (у TCP/IP это IP). IPX, аналогично IP, занимается доставкой сообщений узлам сети без установления соединения. При этом его не заботит надежность доставки информации. За надежную доставку информации отвечает протокол SPX, расположенный на транспортном уровне модели OSI. Его аналогом, как вы понимаете, является TCP. Протокол SPX работает с установлением соединения, он умеет восстанавливать потерянные или поврежденные пакеты.

На  прикладном уровне стека IPX/SPX расположены протоколы SAP и NSP. Эти протоколы могут работать с протоколом IPX непосредственно, без привлечения SPX. Концептуальное отличие IPX/SPX от TCP/IP состоит в том, что первый изначально разрабатывался для применения в небольших локальных сетях, а второй был обобщением опыта создания глобальных сетей. Поэтому по прошествии времени интерес общества к этим стекам протоколов менялся.

Адрес узла в стеке IPX/SPX складывается из четырехбайтового номера сети, шестибайтового номера узла и двухбайтового номера сокета. Посмотрите на табл. 2.3, где схематично изображен такой адрес.

 

Таблица 3. Структура адреса IPX/SPX

Номер сети	Номер узла	Номер сокета
4 байта	6 байт	2 байта

 

В качестве номера узла в стеке используется физический адрес сетевого оборудования (MAC-адрес сетевой карты, например).

Номер сети в IPX/SPX имеет фиксированный размер, а TCP/IP позволяет пользоваться масками подсетей. В результате мы получаем потенциально более быструю (особенно на медленных ПК 80-90-х годов), чем в TCP/IP, реализацию сетевых функций, но за скорость приходится расплачиваться универсальностью. Если TCP/IP гарантированно будет работать в сетью с любой физической архитектурой, то с IPX/SPX могут возникнуть проблемы. (Эти проблемы не коснутся нас с вами, строителей небольших локальных сетей). Так же, как и TCP/IP, протокол IPX/SPX позволяет осуществлять маршрутизацию пакетов между сетями.

 

  Протокол NetBIOS

Протокол NetBIOS был создан для работы в локальных сетях. Система NetBIOS предназначена для персональных ЭВМ типа IBM/PC в качестве интерфейса, независящего от фирмы-производителя. NetBIOS использует в качестве транспортных протоколов TCP и UDP. Описание NetBIOS содержится в документе IBM 6322916 "Technical Reference PC Network".

Пакет NetBIOS создан для использования  группой ЭВМ, поддерживает как режим  сессий (работа через соединение), так  и режим дейтограмм (без установления соединения). 16-и символьные имена  объектов в netbios распределяются динамически. NetBIOS имеет собственную dns, которая  может взаимодействовать с интернетовской. Имя объекта при работе с NetBIOS не может начинаться с символа *.

Приложения могут через NetBIOS найти нужные им ресурсы, установить связь и послать или получить информацию. NetBIOS использует для службы имен порт - 137, для службы дейтограмм - порт 138, а для сессий - порт 139.

Любая сессия начинается с NetBIOS -запроса, задания ip-адреса и определения tcp-порта удаленного объекта, далее  следует обмен NetBIOS -сообщениями, после  чего сессия закрывается. Сессия осуществляет обмен информацией между двумя NetBIOS -приложениями. Длина сообщения  лежит в пределах от 0 до 131071 байт. Допустимо одновременное осуществление  нескольких сессий между двумя объектами.

При организации IP-транспорта через NetBIOS IP-дейтограмма вкладывается в NetBIOS -пакет. Информационный обмен  происходит в этом случае без установления связи между объектами. Имена Netbios должны содержать в себе IP-адреса. Так часть NetBIOS -адреса может иметь  вид, ip.**.**.**.**, где IP указывает на тип  операции (IP через NetBIOS), а **.**.**.** - ip-адрес. Система NetBIOS имеет собственную систему команд (call, listen, hang up, send, receive, session status, reset, cancel, adapter status, unlink, remote program load) и примитивов для работы с дейтограммами (send datagram, send broadcast datagram, receive datagram, receive broadcast datagram). Все оконечные узлы NetBIOS делятся на три типа: