Протоколы и интерфейсы

1.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Презентационные материалы
к курсу
«Компьютерные сети»
Горишняя Алена Викторовна.

2.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Тема: «Протоколы и интерфейсы»
Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены в виде иерархически
организованного множества модулей. При этом модули нижнего уровня могут, например,
решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя
соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений
в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня.
схема взаимодействия двух узлов с четырехуровневой структурой. При передаче сообщения
от узла A к узлу B сообщение проходит последовательно сверху– вниз обработку на всех
уровнях узла A. Так, модуль 4A, выполнив обработку пакета в соответствии с протоколом
взаимодействия уровня 4, передает его модулю 3A, взаимодействуя с ним согласно
интерфейсу 3–4. Далее, модуль 3A, выполнив обработку сообщения согласно протоколу
уровня 3, передает его модулю 2A согласно интерфейсу 2–3. В конце концов, модуль 1A
выполнит передачу сообщения модулю 1B по каналу связи, и сообщение будет обработано
снизу–вверх внутри узла B.

3.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Уровни модели OSI
Физический уровень
Физический уровень (англ. Physical Layer) имеет дело с передачей битов
по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель,
витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах,
подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня
выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация Fast Ethernet, которая
определяет в качестве используемого кабеля витую пару категории 5 с полосой пропускания 100
МГц, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, а также некоторые
другие характеристики среды для передачи электрических сигналов.
Физический уровень не вникает в смысл передаваемой информации, для него информация –
просто _______поток битов, которые надо доставить без искажений и в соответствии с заданной
частотой передачи.

4.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Канальный уровень
Канальный уровень (англ. Data Link Layer) обеспечивает прозрачность
соединения для сетевого уровня. Для этого он предлагает ему следующие
услуги:
· установление логического соединения между взаимодействующими
устройствами;
· согласование скоростей передатчика и приемника;
· обеспечение надежности передачи, обнаружение и коррекция ошибок.
Для решения этих задач канальный уровень формирует из пакетов
собственные протокольные единицы данных – кадры, состоящие из поля
данных и заголовка. Передаваемые пакеты помещаются в поле данных кадра.
Протоколы канального уровня реализуются как на конечных узлах
(средствами сетевых адаптеров и их драйверов), так и на всех промежуточных сетевых
устройствах.

5.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Сетевой уровень
Сетевой уровень (англ. Network Layer) служит для образования единой транспортной
системы, объединяющей несколько сетей, называемой составной сетью (интернетом).
Функции сетевого уровня реализуются:
· группой протоколов;
· специальными устройствами – маршрутизаторами (англ. Router –
маршрутизатор).
Одной из функций сетевого уровня является физическое соединение
сетей. Маршрутизатор имеет несколько сетевых интерфейсов, подобных
интерфейсам компьютера, к каждому из которых подключена одна сеть. То
есть, все интерфейсы маршрутизатора можно считать узлами разных сетей.
Одной из важнейших задач сетевого уровня является определение
маршрута (маршрутизация). Маршрут описывается последовательностью сетей (маршрутизаторов),
которые должен пройти пакет, чтобы попасть к адресату.
Маршрутизатор собирает информацию о топологии связей между сетями и на основе этой
информации строит таблицу маршрутизации.

6.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Транспортный уровень
Транспортный уровень (англ. Transport Layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням
стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им
требуется.
Все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются
программными средствами конечных узлов сети – компонентами их сетевых операционных систем. В
качестве примеров транспортных протоколов можно привести протоколы TCP (англ. Transfer Control
Protocol) и UDP (англ. User
Datagram Protocol) стека TCP/IP.
Протоколы нижних четырех уровней (физического, канального, сетевого
и транспортного) обычно называют сетевым транспортом или транспортной
подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки
сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной
топологией и различными технологиями.

7.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (англ. 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 сеансовый уровень используется немногими приложениями, и он редко
реализуется в виде отдельных протоколов. Функции сетевого уровня часто объединяют с
функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

8.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Потенциальный код 2B1Q
При использовании метода кодирования 2B1Q каждые два бита (2B)
передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Этого
удается добиться за счет различения четырех различных уровней потенциала.
Значения потенциала, соответствующие конкретной паре бит,
Скорость передачи данных при использовании метода 2B1Q в два раза
выше, чем при использовании NRZ и AMI, однако требует более мощного
передатчика и более сложного приемника из-за использования четырех уровней
сигнала.

9.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Уровень представления
Уровень представления (англ. Presentation Layer) обеспечивает
представление передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее
содержания. За счет представительского уровня 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. На этом уровне может выполняться
шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена
данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.

10.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Прикладной уровень
Прикладной уровень (англ. 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 Веб-страницы, а также организуют свою совместную
работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует
прикладной уровень, обычно называется сообщением.
Существует большое разнообразие сетевых служб и соответствующих им протоколов прикладного
уровня.
К протоколам прикладного уровня относится, например, протокол HTTP, с помощью которого браузер
взаимодействует с Веб-сервером.

11.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Адресация узлов в компьютерных сетях
Еще одной новой проблемой, которую нужно учитывать при
объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации.
Требования к схеме назначения адресов (имен)
К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько
требований:
· адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сетилюбого масштаба;
· адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей;
· адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что
он должен иметь символьное представление, например, server3 или
www.cisco.com;
· адрес должен иметь по возможности компактное представление,
чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры —
сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п.
Нетрудно заметить, что эти требования противоречивы, например, адрес,
имеющий иерархическую структуру, скорее всего, будет менее компактным,
чем неиерархический («плоский», то есть не имеющим структуры).
Символьный же адрес, скорее всего, потребует больше памяти, чем числовой.
Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках
какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько
адресов- имен. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А чтобы не возникало путаницы
и компьютер всегда однозначно определялся своим адресом, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного тип
могут определить адреса других типов.
Существует три обобщенные схемы адресации узлов:
· аппаратные адреса;

12.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Соответствие популярных стеков протоколов модели OSI
Соответствие популярных стеков протоколов теоретической модели OSI весьма условно. В большинстве
случаев разработчики отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности – ни один практически
используемый стек протоколов не разбит на семь уровней. Чаще всего в стеке выделяется всего 3-4 уровня.
В приведенной ниже таблице показано примерное соответствие уровней теоретической модели ISO/OSI и
трех из применяемых стеков протоколов:
· IBM/Microsoft (применяется в сетевых операционных системах MS
Windows);
· TCP/IP (стек протоколов Интернета);
· Novell (часто называемый стеком IPX/SPX).
Как видно из таблицы, нижние уровни модели ISO/OSI (физический и
канальный) полностью реализуются на аппаратном уровне производителями
сетевого оборудования (сетевых адаптеров, коммутаторов и т.д.). Собственностеки протоколов реализуют
функции уровней модели ISO/OSI, начиная с сетевого уровня и общее число уровней в стеках – всего три.

13.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Схемы адресации
Аппаратные адреса
Аппаратные адреса (англ. Hardware Address) предназначены для сети
небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической
структуры. Типичным представителем адреса такого типа является адрес
сетевого адаптера локальной сети (MAC-адрес). Такой адрес обычно
используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по
возможности компактным и записывают в виде двоичного или
шестнадцатеричного значения.
Например, например MAC-адрес сетевого адаптера может иметь вид:
0081005E24A8.
Исключительно для удобства MAC адрес записывается с разделителями, то есть с разбивкой
на байты, например:
00-81-00-5E-24-A8 или
00:81:00:5E:24:A8.
При задании аппаратных адресов обычно не требуется выполнение
ручной работы, так как они либо встраиваются в аппаратуру компаниейизготовителем (чаще всего), либо генерируются автоматически при каждом
новом запуске оборудования, причем уникальность адреса в пределах сети
обеспечивает оборудование.

14.

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
Онлайн-платформа ЮРГПУ(НПИ)
Числовые составные адреса
Числовые составные адреса имеют иерархическую структуру и
фиксированный, достаточно компактный формат.
Типичным представителями адресов этого типа являются IP и IPX-адреса.
В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть – номер сети и
младшую – номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании
номера сети, а номер узла используется только после доставки сообщения в нужную сеть.
Пример адреса IP v4 (4 байта, при записи разделяются точкой):
192.168.15.1
Следует отметить, что разделение байтов адреса точкой выполняется
только для десятичной записи адреса, применяемой для удобства человека.
Точки не выделяют в составе адреса двух его логических частей – адреса сети и адреса узла. Для того, чтобы по
записи адреса IP v4 узнать адрес сети, в которую входит компьютер (точнее его сетевой интерфейс) и адрес узла
в т данной сети необходимы дополнительные сведения, которые предоставляет
маска сети (подсети).
Пример адреса IP v6 (16 байт, при записи пары байт отделяются
двоеточием):
2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d