Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Сетевые протоколы и построение сетей

Уральский государственный горный университет

Курсовая работа

По дисциплине: «Информационные технологии»

на тему: «Сетевые протоколы и построение сетей»

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………..………………………………………………………......3

1. Общие сведения……………………………………………………………….4

2. Виды протоколов……………………………………………………………..5

3. Классификация сетевых протоколов………………………………………..7

4. Пример построения сети на основе сетевого протокола………………….11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………..……………………………………………..15

Список использованных источников………………………………………….17

ВВЕДЕНИЕ

Цель курсовой работы раскрыть содержание сетевых протоколов и построение сетей.

Достижение таковой цели возможно при выполнении следующих задач:

1.Расскрыть назначение сетевых протоколов;

2.Рассмотреть виды сетевых протоколов;

3.Привести классификацию сетевых протоколов и краткий обзор наиболее распространенных из них;

4.Привести пример построение сети.

1. Общие сведения

Протокол передачи данных — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ передачи сообщений и обработки ошибок, при взаимодействии программного обеспечения разнесённой в пространстве аппаратуры, соединённой тем или иным интерфейсом.

Стандартизированный протокол передачи данных также позволяет разрабатывать интерфейсы (уже на физическом уровне), не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю (например, USB, Bluetooth).

Сетевой протокол — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами.

Разные протоколы, зачастую, описывают лишь разные стороны одного типа связи; взятые вместе, они образуют стек протоколов. Названия «протокол» и «стек протоколов» также указывают на программное обеспечение, которым реализуется протокол.

Новые протоколы для Интернета определяются IETF, а прочие протоколы — IEEE или ISO. ITU-T занимается телекоммуникационными протоколами и форматами.

Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая модель OSI, в соответствии с которой протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению — от физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (интерфейс программирования приложений для передачи информации приложениями).

Сетевые протоколы предписывают правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Они строятся по многоуровневому принципу. Протокол некоторого уровня определяет одно из технических правил связи. В настоящее время для сетевых протоколов используется модель OSI (Open System Interconnection — взаимодействие открытых систем, ВОС).

Модель OSI — это 7-уровневая логическая модель работы сети. Модель OSI реализуется группой протоколов и правил связи, организованных в несколько уровней:

на физическом уровне определяются физические (механические, электрические, оптические) характеристики линий связи;

на канальном уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети;

сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку сообщений;

транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонентов сообщения;

задача сеансового уровня — координация связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях;

уровень представления служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в формат передачи;

прикладной уровень является пограничным между прикладной программой и другими уровнями — обеспечивает удобный интерфейс связи сетевых программ пользователя.

2. Виды протоколов

Стек протоколов TCP/IP — это два протокола нижнего уровня, являющиеся основой связи в сети Интернет. Протокол TCP (Transmission Control Protocol) разбивает передаваемую информацию на порции и нумерует все порции. С помощью протокола IP (Internet Protocol) все части передаются получателю. Далее с помощью протокола TCP проверяется, все ли части получены. При получении всех порций TCP располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое.

Наиболее известные протоколы, используемые в сети Интернет:

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) — это протокол передачи гипертекста. Протокол HTTP используется при пересылке Web-страниц с одного компьютера на другой.

FTP (File Transfer Protocol) — это протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя. FTP дает возможность абоненту обмениваться двоичными и текстовыми файлами с любым компьютером сети. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может скопировать файл с удаленного компьютера на свой или скопировать файл со своего компьютера на удаленный.

POP (Post Office Protocol) — это стандартный протокол почтового соединения. Серверы POP обрабатывают входящую почту, а протокол POP предназначен для обработки запросов на получение почты от клиентских почтовых программ.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол, который задает набор правил для передачи почты. Сервер SMTP возвращает либо подтверждение о приеме, либо сообщение об ошибке, либо запрашивает дополнительную информацию.

uucp (Unix to Unix Copy Protocol) — это ныне устаревший, но все еще применяемый протокол передачи данных, в том числе для электронной почты. Этот протокол предполагает использование пакетного способа передачи информации, при котором сначала устанавливается соединение клиент-сервер и передается пакет данных, а затем автономно происходит его обработка, просмотр или подготовка писем.

telnet — это протокол удаленного доступа. TELNET дает возможность абоненту работать на любой ЭВМ сети Интернет, как на своей собственной, то есть запускать программы, менять режим работы и так далее. На практике возможности лимитируются тем уровнем доступа, который задан администратором удаленной машины.

DTN — протокол, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи.

3. Классификация сетевых протоколов

Для классификации сетевых протоколов применяют так называемую эталонную семиуровневую модель OSI .

Сетевая модель OSI (англ. Open Systems Interconnection Reference Model — модель взаимодействия открытых систем) — абстрактная модель для сетевых коммуникаций и разработки сетевых протоколов.

Модель разбивает сетевые протоколы на семь уровней:

Физический уровень (Physical layer).

Канальный уровень (Data Link layer);

Сетевой уровень (Network layer);

Транспортный уровень (Transport layer);

Сеансовый уровень (Session layer);

Уровень представления (Presentation layer);

Уровень приложения (Application layer)

Рассмотрим наиболее распространенные

Физический уровень OSI

Физический уровень предназначен непосредственно для передачи сигнала. В протоколах физического уровня описывается, например, как должен быть устроен провод (витая пара) для того, чтобы он гарантированно пропускал сигнал в стандарте Ethernet 100base-TX: толщина отдельных жил, их сопротивление, частота обвива, минимально расстояние от провода до силового кабеля, максисмальное количество витков в бухте и минимальный радиус бухты, длина провода от ретранслятора до ретранслятора количество соединений типа шнур-розерка, способ разводки жил в разъёме RJ45.

На физическом уровне работают концентраторы и репитеры (они же ретрансляторы). Назначение репитеров состоит в том, чтобы усиливать сигнал. Они нужны в том случае, если надо передать сигнал дальше чем это предусмотрено в стандарте. Концентратор (так же известный как hub) нужен для того, чтобы не только усиливать сигнал, но и передавать его из одного провода в несколько других, таким образом, хаб нужен для объединения нескольких устройств Ethernet в сегмент.

Канальный уровень OSI

На канальном уровне происходит упаковка сигналов в кадры (frames). Действует контроль ошибок. В заголовке кадра присутствует информация об адресате в виде его аппаратного адреса (MAC-адрес).

На данном уровне работают коммутаторы (switch), мосты (bridge) и, конечно, собственно Ethernet-адаптеры (сетевые карты).

Заметим, что раз на данном уровне появилось понятие адреса, следовательно должна существовать маршрутизация. Канальная маршрутизация выполнена на аппаратном уровне. Коммутатор знает какой адрес за каким портом (разъёмом RJ45) находится и высылает кадр через данный порт. Если кадр адресован на специальный аппаратный адрес ff:ff:ff:ff:ff:ff, то он доставляется всем адресатам (т.н. широковещательный адрес).

Если сеть собрана не на коммутаторах, а на концентраторах (т.е. не на switch'ах, а на hub'ах; для такой сети есть меткое жаргонное выражение «похабная сеть»), все кадры доставляются всем. Такая организация плоха не только с точки зрения безопасности, но, главным образом, с точки зрения производительности. Если два устройства Ethernet одновременно посылают в сегмент кадры, то произойдёт коллизия — оба кадра пропадут. Будет выполнена повторная отправка кадров. Для того, чтобы коллизия не повторилась, повторная отправка происходит с задержкой на случайный промежуток времени. Чем больше устройств в сети, тем выше вероятность коллизии. Про устройства, которые могут войти в подобный конфликт, говорят, что они находятся в одном «домене коллизий». Таким образом, главное преимущество switch'ей перед hub'ами состоит в том, что они дробят сеть на множество незначительных доменов коллизий, тем самым существенно повышая производительность сети.

Сетевой уровень OSI

На данном уровне функционируют протоколы IP, IPv6, ARP, RARP и некоторые другие, однако нас здесь будут интересовать лишь эти четыре:

ARP

Протокол ARP предназначен для того, чтобы преобразовывать адреса IP в MAC адреса. Таким образом, его предназначение состоит в том, чтобы обеспечить взаимодействие между сетевым и канальным уровнями, причём не любого сетевого протокола, а именно IP (не IPv6).

RARP

Reverse ARP, обратный ARP протокол служит для того, чтобы по имеющемуся MAC адресу узнать IP адрес. Этот протокол используется в бездисковых машинах, загружающихся по сети. Первым делом такая машина должна узнать свой IP адрес, и параметры сети, чтобы она могла обратиться по сети, допустим к TFTP серверу, с которого она будет скачивать загрузочную запись. Единтсвенное, что знает о себе эта машина — её MAC адрес. Она посылает в сеть широковещательный запрос с поиском RARP сервера и спрашивает у него, какой IP адрес будет ей соответствовать, если у неё вот такой MAC адрес. Это не тоже самое, что DHCP, хотя смысл похожий.

Протокол IP предназначен для передачи по сети пакетов IP. В соответствии с данным протоколом, на основании маршрутной таблицы, выбирается сетевой интерфейс через который должны передаваться данные, затем осуществляется ARP запрос и выясняется MAC адрес назначения, из пакета формируется кадр, а далее работает канальный уровень модели OSI.

Маршрутная таблица, это таблица в ядре, в которой сказано через какой интерфейс надо посылать пакеты в ту или иную сеть, а так же, надо ли высылать пакеты непосредственно хосту получателю или их надо передать через следующий маршрутизатор, т.е. чей MAC адрес надо использовать, конечного хоста или следующего маршрутизатора.

Протокол IP предназначен для передачи пакетов, задача формирования пакетов, контроль ошибок, в функции протокола IP не входят. Это прерогатива более высокоуровневых протоколов, таких как TCP, UDP, ICMP.

Транспортный уровень OSI

На транспортном уровне нас будут интересовать в первую очередь протоколы ICMP и UDP.

ICMP

Протокол ICMP служит для передачи служебных сообщений.

Название протокола ICMP расшифровывается как Internet Control Message Protocol, таким образом, протокол претендует на то, чтобы контролировать за функционированием Интернета.

UDP

Протокол UDP служит для передачи данных без коррекции ошибок.

Протокол UDP действует по принципу «выстрелил и забыл». Он не только не гарантирует доставку пакетов, но даже не гарантирует, что доставленные пакеты придут в том же порядке, в котором они были высланы. Тем не менее, в надёжных сетях во имя роста производительности можно в некоторых приложениях использовать протокол UDP.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

4. Пример построения сети на основе сетевых протоколов

Сеть на основе Hart-протокола

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств .Описанный обмен информацией между двумя устройствами (типа «точка-точка») является наиболее типичным применением HART-протокола .Однако HART-устройство могут быть объединены в сеть .Для этого используют только цифровую часть HART-протокола , без аналоговой, а информация передаётся в форме тока, что позволяет соединять HART устройства параллельно. Максимальное количество устройств в сети может составлять 15, если не использовать HART-повторители (ретрансляторы, репитеры). HART-сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. Этим же объясняются крайне низкие требования к полосе пропускания кабеля (2,5 кГц по уровню 3 дБ). Такой полосе соответствует постоянная времени линии передачи 65 мкс, то есть при сопротивлении линии 250 Ом её ёмкость может достигать 0,26 мкФ, что соответствует длине кабеля около 2….3 км.В сети могут быть два ведущих устройства, одним из которых является контроллер, вторым – ручной коммуникатор, используемый для считывани показаний и установки параметров HART-устройств. Коммуникатор может быть подключен в любом месте сети, но обычно доступными являются только клеммы датчиков или коммутационные клеммы в монтажном шкафу.

Сеть допускает «горячую» замену или добавление новых устройств (то есть без отключение питания). В случае сбоя, например при случайном коротком замыкании, сеть повторяет невыполненые операции обмена.

В HART-сетитолько один узел может посылать сигнал, в это время остальные «слушают» линию. Инициирует процедуру обмена ведущие устройства (контроллер или ручной коммуникатор). Ведомые получают команду и посылают ответ от неё. Каждое ведомое устройство имеет персональный сетевой адрес, который включается в сообщение ведущего устройства. Адрес имеет длину 4 бита или 38 бит. Имеется также второй способ адресации – с помощью тегов (идентификаторов, назначаемых пользователем). Каждая команда или ответ на неё называется сообщением и имеет длину от 10…12 байт до 20…20 байт. Сообщение начинается с преамбулы и заканчивается контрольной суммой.

Преамбула представляет собой последовательность единиц и предназначена для синхронизации приёмника с передатчиком. Длина преамбулы зависит от требований ведомого устройства. Когда ведущее устройство выполняет обмен с ведомым первый раз, оно посылает максимально длинную преамбулу, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. В ответе ведомого содержится требование к длине преамбулы. Это длина сохраняется в памяти ведущего устройства и используется в последующих сообщениях. Поскольку различные ведомые могут иметь различные требования к преамбулам, ведущий формирует в своей памяти таблицу преамбул. В настоящее время все новые устройства имеют преамбулу длиной 5 байт.

Ведомое устройство может быть защищено от записи, обычно это выполняется с помощью переключателя на плате.

Контрольная сумма используется для обнаружения ошибок в данных. Если ошибка обнаружена, обычно выполняется повторный обмен сообщениями.

Ведомое устройво может иметь режим ускоренной передачи (burst mode), при котором оно периодически посылает ответ на ранее принятую команду, хотя ведущий не посылает её повторно. Это сделано для увеличения частоты получения значений измеряемой величины от датчика (до 3…4 раз в секунду) в случаи необходимостию Только одно устройство может находится в таком режиме ( его ещё называют монопольным), поскольку линия передачи оказывается занята. После выключения и повторного включения питания ведомое устройство остаётся в монопольном режиме, и перевести его в обычный режим можно только командами которые посылают в паузах между переидическими ответами ведомого устройства.

Сеть на основе HART-протокола может подключаться к другим сетям (Modbus, PROFIBUS, Enhernet) с помощью соответствующих шлюзов. В сети широко используются мультиплексоры, позволяющие подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и одновременно выполнить роль шлюза. Для подключения сети или HART-интерфейс, который выпускается рядом производителей. Программный доступ SCADA к HART-устройствам выполняется с помощью HART OPC-сервера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе была рассмотрена тема «Сетевые протоколы и построение сетей». Основной целью данной курсовой работы было расскрыть содержание сетевых протоколов и построение сетей, раскрыть назначение сетевых протоколов, виды, привести классификацию сетевых протоколов и пример построения сети на основе одного из сетевых протоколов.

Таким образом, сетевой протокол — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами.

Наиболее известные протоколы, используемые в сети Интернет:

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) — это протокол передачи гипертекста.

FTP (File Transfer Protocol) — это протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя.

POP (Post Office Protocol) — это стандартный протокол почтового соединения.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол, который задает набор правил для передачи почты.

uucp (Unix to Unix Copy Protocol) — это ныне устаревший, но все еще применяемый протокол передачи данных, в том числе для электронной почты.

telnet — это протокол удаленного доступа.

Для классификации сетевых протоколов применяют так называемую эталонную семиуровневую модель OSI.

Модель разбивает сетевые протоколы на семь уровней:

Физический уровень (Physical layer);

Канальный уровень (Data Link layer);

Сетевой уровень (Network layer);

Транспортный уровень (Transport layer);

Сеансовый уровень (Session layer);

Уровень представления (Presentation layer);

Уровень приложения (Application layer).

Список используемых источников

Компьютерные сетию. 5-е издание Таненбаум Э.С. , Уэзеролл Д. изд-во «Питер», 2012 г. 960 ст.
Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник для вузов. 4-е издание. Олифер Виктор, Олифер Наталья. Изд-во «Питер» 2012 г. 960 ст.
Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. Генко И.Аю , Олейник В.Ф. , Чайка Ю.Д. , Бондаренко А.В. /Под ред. В.Ф.Олейника. Изд-во «ЭКСМО» 2009 г, 672 ст.