Верхние Уровни Моделей Osi, Tcp/ip. Лекция 2

1.

Сетевые технологии
Лекция 2.
Верхние уровни моделей OSI, TCP/IP
1

2.

Прикладной уровень
• Прикладной уровень OSI модели обеспечивает сопряжение
человека с сетевыми технологиями, что позволяет
пользователям общаться между собой через сеть.
• Прикладной уровень представляет собой комплекс программных
средств, представленных в двух формах: в виде приложений
(applications) и программ служб сервиса (services).
• Сопряжение человека с сетью обеспечивают приложения.
• Широко известны такие приложения этого уровня, как веббраузеры гипертекстовой информационной службы (World
Wide Web – WWW), которые позволяют людям готовить
сообщения для передачи по сети и принимать такие сообщения.
2

3.

Протоколы и службы прикладного уровня
• Программы служб сервиса готовят данные для передачи по сети,
обеспечивая эффективное использование ресурсов сети.
• Разные типы информации (аудио-, видео-, текстовая информация) требуют
различных услуг, поскольку разнотипную информацию необходимо
передать через общую сеть.
• Протоколы прикладного уровня определяют правила обмена данными
между узлом источником информации и узлом назначения.
• Каждый вид приложений и сервиса использует свои протоколы, которые
определяют стандарты и форматы передаваемых данных.
• Протоколы и службы прикладного уровня обычно представлены
соответствующими серверами.
• Однако сервер, как отдельное устройство, может объединять функции
нескольких служб сервиса; или наоборот, служба одного вида услуг может
быть представлена многими серверами разного уровня.
3

4.

Наиболее распространенные протоколы и
службы прикладного уровня:
• протоколы электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol –
SMTP, Post Office Protocol – POP, Internet Messaging Access Protocol –
IMAP);
• протокол передачи гипертекстовой информации, или вебсервер (Hypertext Transfer Protocol – HTTP);
• протокол передачи файлов (File Transfer Protocol – FTP) и простой
протокол передачи файлов (Trivial FTP – TFTP);
• система доменных имен (Domain Name System – DNS);
• протоколы удаленного доступа (Telnet и SSH), обеспечивающие
виртуальное соединение с удаленными сетевыми устройствами;
• протокол динамического назначения адресов узлов (Dynamic Host
Configuration Protocol – DHCP).
4

5.

Приложения и службы сервиса
Таким образом, приложения прикладного уровня
обеспечивают интерфейс (сопряжение) человека с сетью.
Службы сервиса используют программные средства протоколов,
чтобы подготовить информацию для передачи по сети.
5

6.

Существуют две модели построения сети:
• модель "клиент-сервер";
• модель соединения равноправных узлов сети (peer-to-peer).
6

7.

Сети peer-to-peer и "клиент-сервер"
• В сетях peer-to-peer связанные через сеть конечные узлы разделяют
общие ресурсы (принтеры, файлы) без выделенного сервера.
Каждое конечное устройство (peer) может функционировать либо
как сервер, либо как клиент.
Компьютер может выполнять роль сервера для одного соединения и
роль клиента для другого.
• Согласно модели "клиент-сервер" клиент запрашивает информацию,
пересылая запрос выделенному серверу (upload), который в ответ
на запрос посылает (download) файл, принимаемый клиентом.
Следовательно, клиент инициирует процесс обмена информацией в
среде "клиент-сервер" и получает от сервера требуемую информацию.
Главным достоинством модели "клиент-сервер" является
централизация управления сетью и обеспечение безопасности.
7

8.

Протоколы передачи электронной почты
• При передаче электронной почты и взаимодействии почтовых
серверов между собой используется простой протокол передачи
почты (Simple Mail Transfer Protocol – SMTP ), у которого номер
порта 25.
• Для получения клиентом сообщения с сервера используется
протокол почтового отделения (Post Office Protocol – POP ) с
номером порта 110 или протокол доступа к сообщениям (Internet
Messaging Access Protocol – IMAP ).
8

9.

Модель "клиент-сервер" в службе
электронной почты
9

10.

Протоколы передачи SMTP, POP3 и IMAP4
• При пересылке почты от клиента на сервер используется протокол SMTP, при
этом происходит процесс upload.
• Когда почтовый сервер получает сообщение, предназначенное для клиента,
он хранит это сообщение и ждет, когда адресат назначения заберет свою
почту.
• Почтовые клиенты забирают сообщения (процесс download), используя
один из сетевых протоколов.
• Самые популярные почтовые протоколы клиента – POP3 и IMAP4, которые на
транспортном уровне применяют протокол TCP для надежной доставки
данных.
• Почтовые серверы общаются друг с другом, используя протокол SMTP,
который транспортирует почтовые сообщения в текстовом формате,
используя TCP.
• Протокол SMTP характеризуется низким уровнем защиты информации,
поэтому серверы предоставляют услуги только пользователям своей сети.
10

11.

Агенты пользователя MUA
• В процессе подготовки электронной почты люди применяют
клиентское приложение, называемое Агентом
пользователя (Mail User Agent – MUA ).
• Приложение MUA позволяет посылать сообщения и помещать
полученные сообщения в почтовый ящик клиента
11

12.

Передача электронной почты по сети
12

13.

Агенты MTA и MDA
• При передаче сообщений между серверами используется Агент
передачи почты (Mail Transfer Agent – MTA ).
• Агент MTA получает сообщения от MUA или от другого MTA и передает
их по сети.
• Агенты MTA применяют протокол SMTP для передачи электронной
почты между серверами.
• Если сообщение из сервера может быть отправлено сразу клиенту
локальной сети, то подключается Агент доставки почты
(Mail Delivery Agent – MDA ).
• Агент MDA получает прибывающую почту от MTA и помещает ее в
соответствующие почтовые ящики пользователей, используя протокол
РОР.
13

14.

Протокол HTTP
• Самым распространенным протоколом прикладного уровня в настоящее
время является протокол передачи гипертекстовой информации (Hypertext
Transfer Protocol – HTTP ), который работает в сети Интернет.
• Его основным приложением является веб-браузер, который отображает
данные на веб-страницах, используя текст, графику, звук и видео.
• Веб-страницы создаются с применением языка
разметки гипертекста Hypertext Markup Language (HTML), который
определяет местоположения для размещения текста, файлов и объектов,
которые должны быть переданы от сервера по сети до веб-браузера.
• Номер порта протокола HTTP – 80, функционирует совместно с протоколом
транспортного уровня TCP.
14

15.

Протокол HTTP
• В ответ на запрос сервер посылает клиенту сети текст, аудио-, видео- и
графические файлы, указанные в командах HTML.
• Браузер клиента повторно собирает все файлы, чтобы создать
изображение веб-страницы, которая представляется пользователю.
• Протокол HTTP характеризуется сравнительно невысоким уровнем
безопасности, поскольку передаваемые по сети сообщения не
зашифрованы.
• Для повышения уровня безопасности передачи сообщений через
Интернет был разработан протокол HTTP Secure ( HTTPS ).
• В этом протоколе используется процесс криптографирования данных
( encryption ) и аутентификации ( authentication ), что существенно
повышает уровень безопасности. Номер порта протокола HTTPS –
443.
15

16.

Протоколы передачи файлов FTP
• Протокол передачи файлов (File Transfer Protocol – FTP) – служба,
ориентированная на предварительное соединение (connectionoriented), которая взаимодействует с протоколом транспортного
уровня TCP.
• Главная цель протокола FTP состоит в том, чтобы передавать
файлы от одного компьютера другому или копировать и
перемещать файлы от серверов клиентам и от клиентов
серверам.
• Это является главным отличием от протокола HTTP, который
позволяет клиенту "скачивать" файлы с сервера, но не позволяет
пересылать файлы на сервер.
16

17.

Протоколы передачи файлов FTP
• Протокол передачи файлов FTP сначала устанавливает соединение
между клиентом и сервером, используя команды запроса клиента и
ответы сервера.
• При этом номер порта – 21. Затем производится обмен данными,
когда номер порта – 20.
• Передача данных может производиться в режиме кода ASCII или в
двоичном коде.
• Эти режимы определяют кодирование, используемое для файла
данных, которое в модели OSI является задачей представительского
(presentation) уровня.
• После завершения передачи файла соединение для передачи данных
заканчивается автоматически. Управление сеансом связи происходит
на сеансовом (Session) уровне.
17

18.

Протоколы передачи файлов TFTP
• Простой протокол передачи файлов (Trivial File Transfer Protocol – TFTP )
– служба без установления соединения (connectionless), которая
работает совместно с протоколом транспортного уровня
(User Datagram Protocol – UDP ).
• Протокол TFTP применяется на маршрутизаторах, чтобы передавать
файлы конфигурации и операционную систему Cisco IOS, а также для
передачи файлов между системами, которые поддерживают TFTP.
• Протокол TFTP характеризует простота и малый объем программного
обеспечения. Он может читать или записывать файлы при соединении
с сервером, но не ведет списки и каталоги.
• Поэтому протокол TFTP работает быстрее, чем протокол FTP.
18

19.

Система доменных имен DNS
• Система доменных имен (Domain Name System – DNS) используется в
Интернете для того, чтобы переводить имена сайтов или доменов в
числовые значения IP-адреса.
• Людям легче запомнить доменное имя, например, http://www.cisco.com, чем
числовой адрес 198.133.219.25.
• Кроме того, числовые адреса могут со временем меняться. Например, в
настоящее время указанный выше числовой адрес
сайта http://www.cisco.com изменен на 72.163.4.161.
• Поскольку в ряде случаев требуется знание числового адреса, хост может
обратиться к DNS-серверу и по имени получить соответствующий адрес.
• DNS использует распределенный набор серверов разного уровня иерархии,
чтобы получить соответствие между именем и числовым адресом.
19

20.

Утилита nslookup
• Операционные системы компьютеров содержат утилиту nslookup,
которая позволяет пользователю вручную запрашивать имя
сервера и идентифицировать название хоста.
• Когда клиент делает запрос, локальный сервер сначала проверяет
собственные записи.
• Если соответствующих пар "имя-адрес" у него нет, то он
связывается с другими серверами DNS более высокого уровня
иерархии.
20

21.

Пример выполнения команды nslookup
21

22.

Утилита nslookup
• Команда выполняется в режиме командной строки.
• По команде nslookup был получен адрес DNS-сервера – 10.1.0.1.
• Затем был произведен запрос адреса сайта www.google.com, IPадрес которого – 216.58.211.228.
• Запрос сайта http://www.irsau.ru дал результат – 195.206.39.220.
• Служба прикладного уровня DNS характеризуется номером
порта 53 и взаимодействует как с протоколом транспортного
уровня TCP, так и с протоколом UDP.
22

23.

Протокол удаленного доступа Telnet
• Протокол Telnet обеспечивает виртуальное соединение пользователя
с удаленными сетевыми устройствами: компьютерами,
маршрутизаторами, коммутаторами.
• Чтобы осуществить подключение клиента по протоколу Telnet, обычно
задают имя удаленного хоста.
• В качестве имени хоста используется IP-адрес или имя доменной
системы DNS удаленного устройства.
• Вся обработка информации и использование памяти производится на
процессоре удаленного устройства, а отображение результатов
конфигурирования протокол Telnet транслирует на монитор
пользователя.
• Telnet работает на прикладном уровне модели TCP/IP, поэтому
охватывает все уровни модели OSI. Номер порта – 23.
23

24.

Протокол SSH
• Протокол Telnet поддерживает аутентификацию, поэтому на
удаленном устройстве задается пароль, который должен знать
пользователь.
• Однако Telnet не поддерживает криптографирование данных, которые
передаются по сети как простой текст.
• Это означает, что данные могут быть перехвачены.
• Для защиты передаваемой информации разработан
протокол SSH (Secure Shell).
• Он обеспечивает криптографирование данных и более надежную
аутентификацию, номер порта – 22.
• Протокол SSH заменяет Telnet.
24

25.

Протокол динамического назначения адресов
узлов DHCP
• Всем устройствам, которые обмениваются сообщениями через сеть
Интернет, необходимы уникальные IP-адреса.
• Эти адреса могут назначаться в статическом или динамическом
режиме.
• В статическом режиме адреса вручную назначает администратор при
конфигурировании устройства.
• Рекомендуется назначать статические IP-адреса на маршрутизаторы,
серверы, сетевые принтеры и другие устройства, адреса которых
меняются редко.
• В то же время адреса рабочих станций могут изменяться достаточно
часто.
• Некоторые пользователи выходят в Интернет эпизодически, поэтому
им нужны IP-адреса от случая к случаю.
25

26.

Протокол динамического назначения
адресов узлов
Протокол динамического назначения адресов узлов (Dynamic Host
Configuration Protocol – DHCP) позволяет автоматизировать процесс
назначения IP-адресов рабочим станциям из диапазона,
предоставленного администратору провайдером.
Динамическое назначение адресов протоколом DHCP производится по
запросу клиента на определенный промежуток времени, для продления
которого пользователь должен периодически обращаться к серверу.
При освобождении IP-адреса возвращаются DHCP-серверу, который
перераспределяет их.
При повторном запросе клиента, освободившего IP-адрес, сервер
пытается назначить ранее использовавшийся адрес.
Помимо IP-адреса протокол DHCP предоставляет пользователю еще
целый ряд параметров (маску подсети, шлюз по умолчанию, IPадрес сервера DNS и др.)
26

27.

Транспортный уровень моделей OSI, TCP/IP
• Транспортный уровень моделей OSI и TCP/IP одинаков как по функциям, так
и по названию.
• TCP/IP – это комбинация двух протоколов.
• Протокол IP функционирует на Сетевом уровне 3 OSI модели, он
является протоколом дейтаграммного типа без предварительного
соединения connectionless, который обеспечивает доставку через сеть без
гарантий ( best-effort delivery ), т. е. доставка ненадежная.
• Протокол TCP работает на транспортном Уровне 4 OSI модели и является
протоколом типа connection-oriented, т. е. ориентированным на
предварительное соединение, что обеспечивает контроль потока и
надежность доставки.
• Когда эти протоколы объединены, они обеспечивают более широкий объем
услуг, малую задержку и высокую надежность.
• Всемирная сеть Интернет строится на основе стека протоколов TCP/IP.
27

28.

Основные функции транспортного уровня
Основными функциями транспортного уровня
являются транспортировка сообщений и управление
потоком информации от источника до устройства назначения с
обеспечением надежности доставки.
Контроль доставки сообщения из одного конца соединения до другого
и надежность обеспечены целым рядом параметров, передаваемых в
заголовках сегментов:
• номерами последовательности передаваемых сегментов данных;
• размером так называемого скользящего окна;
• квитированием, т. е. подтверждением приема сообщения.
28

29.

Протоколы транспортного уровня
• Транспортный уровень устанавливает логическое
соединение между двумя конечными точками сети.
• Протоколы транспортного уровня сегментируют данные,
посланные приложениями верхнего уровня на передающей
стороне, и повторно собирают (реассемблируют) из полученных
сегментов целое сообщение на приемной стороне
29

30.

Функции протоколов транспортного уровня
1. Реализуют сегментацию данных и повторную сборку целого сообщения
из полученных сегментов.
Большинство сетей имеет ограничение на объем передаваемых сообщений.
Поэтому Транспортный уровень делит большое сообщение прикладного
уровня на сегменты данных, размер которых соответствует требованиям
протокола транспортных единиц PDU более низких уровней сетевой модели.
Кроме того, если в процессе контроля обнаружится, что принятое сообщение
содержит ошибку, то возникает необходимость повторной передачи всего
большого сообщения.
При обнаружении ошибки в одном из принятых сегментов только данный
сегмент будет передан повторно.
Сегменты могут быть направлены одному или многим узлам назначения.
30

31.

Функции протоколов транспортного уровня
2. Обеспечивают многочисленные одновременно протекающие процессы
обмена данными.
На каждом конечном узле сети может быть запущено много разных
приложений.
Множество одновременно протекающих процессов обмена данными
верхнего уровня может быть мультиплексировано поверх одного логического
транспортного соединения.
Чтобы передавать потоки данных соответствующим приложениям, протокол
транспортного уровня должен идентифицировать каждое приложение.
В протоколах TCP и UDP в качестве идентификатора приложения используют
номер порта.
Номер порта в заголовке сегмента транспортного уровня указывает, какое
приложение создало передаваемое сообщение и какое должно обрабатывать
полученные данные на приемной стороне.
При множестве одновременно протекающих обменов данными каждому из
приложений или услуг назначается свой адрес (номер порта) так, чтобы
транспортный уровень мог определить, с каким конкретно приложением или 31
службой передаваемые данные должны взаимодействовать.

32.

Протоколы TCP и UDP
• Наиболее известными протоколами транспортного уровня являются
протокол контроля передачи (Transmission Control Protocol – TCP ) и
протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol – UDP ).
• Протокол контроля передачи TCP является ориентированным на
предварительное соединение типа connection-oriented.
• Помимо деления сообщения на сегменты и идентификации
приложений TCP обеспечивает контроль потока и надежность.
• Он взаимодействует с протоколами прикладного
уровня: HTTP, SMTP, FTP, Telnet и другими.
• Протокол UDP является протоколом дейтаграммного типа connectionless,
взаимодействует с такими протоколами прикладного уровня, как система
доменных имен – DNS, передачи потока видеоданных – Video Steaming,
голос поверх IP – Voice over IP и рядом других.
• Следует отметить, что система DNS взаимодействует как с TCP, так и с UDP.
32

33.

Протокол транспортного уровня TCP
Итак, протокол транспортного уровня TCP помимо деления сообщения
на сегменты и идентификации приложений обеспечивает:
• Контроль потока.
• Надежность.
Для облегчения контроля и обеспечения надежности сообщения
передаются частями (порциями), т. е. сегментами.
При этом протокол транспортного уровня узла источника должен
прослеживать каждый сегмент данных при передаче и повторно
передавать любую часть сообщения, прием которой не был
подтвержден устройством назначения.
Транспортный уровень хоста на приемной стороне должен отследить
получение данных и подтвердить это получение.
33

34.

Контроль потока
• Контроль потока необходим, чтобы гарантировать, что источник,
передавая данные с некоторой скоростью, не переполняет буферные
устройства узла назначения.
• Если узел назначения не может обрабатывать данные в темпе их
поступления, то может произойти переполнение буферов и потеря
данных.
• Управление скоростью передачи данных обеспечивается
изменением размера скользящего окна (Window), которое указывает,
сколько байтов данных может быть передано за одну порцию.
• При переполнении буферных устройств узел назначения посылает
источнику требование уменьшения размера окна.
34

35.

Надежность передачи данных
• После получения каждой порции данных узел назначения посылает
источнику квитанцию подтверждения (acknowledgment).
• Подтверждение (квитирование) обеспечивает надежность сети
передачи данных.
• Если подтверждение не получено, то неподтвержденная порция
данных передается узлом-источником повторно.
• В дейтаграммных IP-сетях пакеты одного сообщения между двумя
конечными устройствами могут проходить разными путями.
• Поэтому на узел назначения сегменты могут прийти не в том
порядке, в котором были переданы.
• Надежный протокол транспортного уровня (ТСР) должен восстановить
правильный порядок сегментов и собрать переданное сообщение
(реассемблировать его).
35

36.

Заголовок сегмента TCP
• Надежность, контроль потока, сегментация сообщений и их
реассемблирование, адресация приложений реализуются путем
задания ряда параметров в заголовке сегмента TCP, размер
которого составляет 20 байт.
36

37.

Формат заголовка сегмента TCP
37

38.

Параметры определяемые
полями TCP сегмента (1/2)
• номер порта источника (Source Port) – 16 бит номера порта, который
посылает данные;
• номер порта назначения (Destination Port) – 16 бит номера порта,
который принимает данные;
• номер последовательности (Sequence Number) – 32 бита номера
первого байта в сегменте, используемого, чтобы гарантировать
объединение частей (порций) данных в корректном порядке в
устройстве назначения;
• номер подтверждения (Acknowledgment Number) – 32 бита
последовательного номера подтверждения принятых данных
(начальный номер байта следующей ожидаемой порции данных);
• ДЗ (HL) – длина заголовка (число 32-разрядных слов в заголовке);
• резерв – разряды поля, установленные в ноль;
38

39.

Параметры определяемые
полями TCP сегмента (2/2)
• код (Code bits) – 6 разрядов, определяющих тип сегмента, например
для выполнения функций установки (SYN) и завершения сеанса (FIN),
подтверждения принятых данных (ACK), срочного сообщения (URG);
• размер скользящего окна (Window) – число байт, передаваемых за
одну порцию;
• контрольная сумма (Checksum) – вычисленная контрольная
сумма заголовка и поля данных;
• индикатор (Urgent pointer) – индицирует конец срочных данных;
• опции (Option) – каждая текущая опция определяет максимальный
размер TCP-сегмента;
• данные (Data) – сообщение протокола верхнего уровня.
39

40.

Формат сегмента UDP
• Поскольку UDP является протоколом дейтаграммного типа, то в
заголовке его сегмента отсутствуют такие параметры, как Номер
последовательности, Номер подтверждения, Размер окна.
40

41.

Параметры определяемые
полями UDP сегмента
• номер порта источника (Source Port) – 32 бита номера порта,
который посылает данные;
• номер порта назначения (Destination Port) – 32 бита номера
порта, который принимает данные;
• длина (Length) – число байт в заголовке и данных,
• контрольная сумма (Checksum) – контрольная сумма заголовка
и поля данных;
• данные (Data) – сообщение протокола верхнего уровня.
41