Классификация протоколов передачи данных. Модель OSI

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Интернет стал важной частью повседневной жизни большого количества людей. Всемирная сеть интернет представляет собой единую, распределённую систему, предоставляющую доступ к данным, хранящимся на серверах, расположенных по всему миру. Большинство ресурсов всемирной паутины основаны на технологии гипертекста. Гипертекстовые документы, размещаемые во Всемирной паутине, называются веб-страницами. Несколько веб-страниц, объединённых общей темой, дизайном, а также связанных между собой ссылками и обычно находящихся на одном и том же веб-сервере, называются веб сайтом. Поскольку веб сайты представляют основную часть всей информации в интернете, рассматриваться протоколы будут рассмотрены через призму передачи гипертекстовой информации.

Целью данного реферата является описание основных протоколов, на которых базируется всемирная сеть интернет. В качестве системы классификации протоколов будет использоваться семиуровневая  модель OSI, позволяющая группировать сетевые протоколы передачи данных. Также будет приведено подробное описание отдельных, наиболее часто используемых, протоколов.

1 Классификация протоколов передачи данных.

Модель OSI

Для описания протоколов передачи данных в сети интернет необходимо ввести прежде всего  классификацию протоколов по уровню их сетевого взаимодействия.

Сетевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, сокр. ЭМВОС; 1978 г) — сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO (ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99). OSI расшифровывается как Open System Interconnection(взаимодействие открытых систем). Польза открытой системы перед закрытой заключается в том, что устройства, созданные в соответствии с требованиями открытости, могут свободно взаимодействовать между собой независимо от того, кто их произвел. Спецификации и стандарты, по которым построены эти устройства, общедоступны.

В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем — физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

• тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),
• тип модуляции сигнала,
• сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей. В модели существуют понятия протокол и интерфейс. Протокол – это "язык", на котором общаются одинаковые уровни двух соединенных сетью систем, а интерфейс – это язык взаимодействия двух соседних уровней внутри одной системы.

Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи — кадр, пакет, датаграмма — считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Рисунок 1. Процесс передачи данных по модели OSI

Приведем краткой  описание каждого из уровней модели OSI.

Уровень процессов и приложений

При описании 7-ого уровня сразу следует  отметить, что он в действительности не содержит приложение, а лишь предоставляет интерфейс к среде передачи для приложения, которое не относится к модели OSI. Также как и исполнение физического уровня зависит от используемой физической среды, также и реализация прикладного уровня зависит от типа приложения. Типичными функциями седьмого уровня являются идентификация участников информационного обмена, определение занятости приложений и ресурсов сети. В случае если ресурсы сети свободны, то представительский уровень должен решить: будет ли их достаточно для организации информационного обмена. Также перед началом передачи данных будут присвоены идентификаторы каждому из участников (приложений) и проведена синхронизация между конечными пользователями.

В качестве примеров протоколов седьмого уровня можно привести широко-применяемые  в сети Интернет следующие протоколы: HTTP (Hypertext Transfer Protocol) – протокол передачи страниц в сети Интернет, FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи данных, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол передачи электронной почты.

Уровень представлений 

6-ой уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой. Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как  это работает, представим, что имеются  две системы. Одна использует для  представления данных расширенный  двоичный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в  тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся на уровне представлений, должны выполнить  преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и преобразовывают  графические изображения в битовые  потоки, так что они могут передаваться по сети. Примером протокола, обеспечивающим секретный обмен по сети, является уровень защищённых сокетов (англ. Secure Sockets Layer — SSL).

Сеансовый уровень

5-й уровень сетевой модели OSI, отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

Сеансы передачи составляются из запросов и ответов, которые осуществляются между приложениями. Службы сеансового уровня обычно используются в средах приложений, в которых требуется использование удалённого вызова процедур.

Примером протоколов сеансового уровня является протокол сеансового уровня стека протоколов OSI, который известен как X.235 или ISO 8327. В случае потери соединения этот протокол может попытаться его восстановить. Если соединение не используется длительное время, то протокол сеансового уровня может его закрыть и открыть заново. Он позволяет производить передачу в дуплексном или в полудуплексном режимах и обеспечивает наличие контрольных точек в потоке обмена сообщениями.

Другими примерами реализации сеансового уровня являются Zone Information Protocol (ZIP) – протокол AppleTalk, обеспечивающий согласованность процесса связывания по имени, а также протокол управления сеансом (англ. Session Control Protocol (SCP)) – протокол уровня сеанса IV стадии проекта разработки стека протоколов DECnet.

Транспортный уровень

4-й уровень сетевой модели OSI предназначен для доставки данных. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Примеры протоколов транспортного уровня: TCP, UDP, SCTP, RTP.

Существует множество классов  протоколов транспортного уровня, начиная  от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции, например, функции передачи данных без подтверждения  приема, и заканчивая протоколами, которые  гарантируют доставку в пункт  назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность  принятых данных.

Некоторые протоколы транспортного  уровня, называемые протоколами без  установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они  были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Сетевой уровень

3-й уровень сетевой модели OSI предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два  класса: протоколы с установкой соединения и без него.

Описать работу протоколов с установкой соединения можно на примере работы обычного телефона. Протоколы этого  класса начинают передачу данных с  вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании  передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения, которые посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет  содержит адрес отправителя и  получателя. Далее каждый промежуточный  почтамт или сетевое устройство считывает адресную информацию и  принимает решение о маршрутизации  данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором  она была отправлена. За установку  данных в соответствующем порядке  при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы. В качестве примеров можно привести протоколы IP и IPX

Канальный уровень

Канальный уровень сетевой модели OSI, предназначенный для передачи данных узлам, находящимся в том же сегменте локальной сети. Также может использоваться для обнаружения и если возможно исправления ошибок возникших на физическом уровне. Примерами протоколов работающих на канальном уровне являются Ethernet для локальных сетей (многоузловой), Point-to-Point Protocol (PPP), HDLC и ADCCP для подключений точка-точка (двухузловой).

Канальный уровень отвечает за доставку кадров между устройствами, подключенными к одному сетевому сегменту. Кадры канального уровня не пересекают границ сетевого сегмента. Межсетевая маршрутизация и глобальная адресация — это функция более высокого уровня, что позволяет протоколам канального уровня сосредоточиться на локальной доставке и адресации.

Заголовок кадра содержит аппаратные адреса отправителя и получателя, что позволяет определить, какое  устройство отправило кадр и какое  устройство должно получить и обработать его. В отличие от иерархических  и маршрутизируемых адресов, аппаратные адреса одноуровневые. Это означает, что никакая часть адреса не может  указывать на принадлежность к какой-либо логической или физической группе.

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

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

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

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: