DAY21 (Старые версии Машбука или нечто подобное)

5

Лекция №21

Лекция №21

На прошлой лекции мы говорили о том, что одной из проблем, которая была крайне актуальной на протяжении всей истории развития вычислительных сетей, является проблема стандартизации взаимодействий в рамках сети. В конце 70-х годов международная организация стандартизации ISO предложила стандарт взаимодействия открытых систем, который получил название ISO/OSI. Предлагалось рассматривать сетевое взаимодействие, как взаимодействие на семи уровнях. Начиная от прикладного и кончая физическим, каждый из этих уровней характеризует взаимодействие в рамках сети с определенной степенью детализации. Рассмотрим их функциональную нагрузку.

1. VII	Прикладной уровень
   VI	Представительский уровень
   V	Сеансовый уровень
   IV	Транспортный уровень
   III	Сетевой уровень
   II	Канальный уровень
   I	Физический уровень

   Физический уровень или уровень сопряжения с физическим каналом. На этом уровне решаются самые земные вопросы организации взаимосвязи: это вопросы уровней и типов сигналов, и т.д. Этот уровень определяет конкретную физическую среду. Предположим, физической средой может быть среда, которая называется "витая пара", или среда, которая называется "коаксиальный провод", или средой может быть оптоволокно, и т.д. Каждая из этих физических сред определяет свои правила общения через них.

2. Канальный уровень. На этом уровне формализуются правила передачи данных через канал. Если физический уровень связан непосредственно со средой (с каналом), то канальный уровень связан с передачей информации по этому каналу.

3. Сетевой уровень. Этот уровень управляет связью в сети между машинами. Здесь решается вопрос адресации и маршрутизации данных.

4. Транспортный уровень. Этот уровень иногда называют уровнем логического канала. На этом уровне решаются проблемы управления передачей данных, и связанные с этими проблемами задачи - локализация и обработка ошибок и непосредственно сервис передачи данных.

5. Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие программ (понятно, что машины сами по себе не взаимодействуют, а взаимодействуют программы). При этом решаются проблемы синхронизации обмена данных, отмены сеанса в результате фатального исхода, подтверждения паролей.

6. Представительский уровень. На этом уровне решается проблема с представлением данных. Понятно, что разные системы имеют разные формы представления данных.

7. Прикладной уровень. На прикладном уровне решаются проблемы стандартизации взаимодействия с прикладными системами.

Итак, была предложена такая семиуровневая модель, и было предложено использовать эту модель в двух качествах: стандартизация взаимодействия в сети (разработка стандартов) и применение этой модели для практических решений. Стандарты на физический уровень уже разработаны, разрабатываются стандарты на канальный уровень. К сожалению, реальные сети не соответствуют такой семиуровневой модели, хотя иногда можно найти некоторое соответствие.

Считается, что на каждой из ВС, функционирующих в сети, существует набор уровней сетевого взаимодействия, соответствующий такой семиуровневой модели. При этом если на машине реализован i-ый уровень взаимодействия, то гарантированно на ней реализованы и все предшествующие уровни. Т. е. если есть сеансовый уровень, то гарантированно есть все нижестоящие. Это правило иногда называют стеком уровней или стеком протоколов.

У нас есть две машины, на каждой из которых реализована эта семиуровневая модель. Система взаимодействия предусматривает такое взаимодействие между машинами, при котором каждый уровень общается с себе подобным уровнем. Правило взаимодействия систем на одноименных уровнях, называется протоколом передачи данных. При этом одноименные уровни реально напрямую друг с другом оперировать не могут. Они оперируют друг с другом через нижестоящие уровни и физическую среду. Любой уровень нашей модели может непосредственно взаимодействовать только с соседним уровнем (либо соседним сверху, либо снизу). Правила взаимодействия между уровнями называются интерфейсом. (Не следует путать понятия протокола и интерфейса!) Если один уровень обращается к другому (в другой машине) через протокол передачи данных, на самом деле происходит обращение через соответствующую последовательность интерфейсов к нижестоящим уровням. Замечу, что когда необходимая информация начинает перемещаться между уровнями она начинает обрастать новой дополнительной служебной информацией. Можно провести аналогию с отправкой письма, оно отправляется в конверте, конверт кладут в мешок и т. д. Затем происходит передача информации через физическую среду, а после последовательная передача от нижестоящего уровня к требуемому, т. е. «открытие мешка, вскрытие конверта».

Сущность стандартизации заключается в том, что после принятия стандарта этих уровней, можно уже менять реализации уровней либо добавлять новые уровни, не беспокоясь об интерфейсах и протоколах. Стандартизация определяет совместимость.

Internet

Мы с вами поговорим немного об Internet, но не с точки зрения того, что нам говорят по телевизору, причем часто говорят вещи откровенно глупые, а сточки зрения ее устройства, с точки зрения протоколов, лежащих в основе этой всемирной паутины.

Несколько слов предыстории. В конце 60-х годов американское агентство перспективных исследований в обороне DARPA приняло решение о создании экспериментальной сети с названием ARPANet. Основным свойством этой сети было то, что предполагалось отсутствие какой-либо централизации(!!!). На сегодняшний день это довольно привычное свойство сетей, но в то время такое предложение было революционным. Этот проект начал развиваться. В 70-ом году ARPANet стала считаться действующей сетью США, и в частности, через эту сеть можно было добираться до ведущих университетских и научных центров США. В начале 80-х годов началась стандартизация языков программирования, а затем протоколов взаимодействия сетей. Здесь есть два момента, повлиявших на появление Internet. Первый - это сам факт стандартизации. Второе - появление модели ISO/OSI. Этот момент можно считать началом появления Internet - сети, которая не подразумевала какой-либо централизации и иерархии. Это свойство, которое легло в основу сети, и создало тот бум, который наблюдается сейчас, то есть Internet может свободно расширяться.

Итак, Internet основан на протоколах TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol). Иногда говорят: “протокол TCP/IP” - но это неправильно, так как под этой аббревиатурой скрывается целый набор протоколов, объединенных под одним названием. Кстати, здесь есть отдельно протокол TCP и отдельно протокол IP.

Семейство TCP/IP строится по четырехуровневой схеме. Рассмотрим таблицу соответствия TCP/IP модели ISO/OSI:

Уровни TCP/IP	Уровни ISO/OSI
IV. Прикладных программ	Прикладных программ Представление данных
III. Транспортный	Сеансовый Транспортный
II. Межсетевой	Сетевой
I. Доступа к сети	Канальный Физический

Уровень доступа к сети TCP/IP обеспечивают аппаратные интерфейсы и драйверы этих аппаратных интерфейсов. К примеру, протоколами уровня доступа к сети являются протоколы Ethernet. Их суть в следующем.

Ethernet - это система, обеспечивающая "мгновенный" доступ с "контролем несущей частоты" и обнаружением столкновений. Ethernet - широковещательная сеть, это означает, что любое сообщение, выходящее из источника становится видимым всем остальным Ethernet- устройствам. Ethernet симметрична (нет никакого физического главенства), она предполагает наличие некоторой физической среды (разновидности коаксиального кабеля, кабель “витая пара”, СВЧ диапазон и др.), Ethernet-устройства, которое осуществляет взаимодействие в рамках данной среды. Так как сеть симметрична, то возникает проблема столкновения пакетов передающихся данных, то есть, когда одновременно посылаются два пакета данных из разных устройств - в этом случае происходит отказ передачи данных у обоих устройств, после этого они замирают на некоторое время, а затем делают еще одну попытку. Это напоминает разговор вежливых людей в темной комнате: если один человек говорит, то остальные молчат; когда, два человека, начинают говорить, то оба одновременно замолкают и делают паузу.

Следующее свойство Ethernet заключается в том, что каждое из Ethernet-устройств имеет уникальный адрес, этот адрес присваивается ему при изготовлении. Существует ряд международных правил, которые создают невозможным появление в мире двух Ethernet-устройств с одинаковым номером, будь-то уже сгоревшие устройства или еще находящиеся в строю. Этот адрес можно сравнить со штрих-кодом, который встречается на различных продуктах.

Еще одно свойство Internet - широковещательность. Реально, любое сообщение, посланное в сеть, проходит через все Ethernet-устройства сети. Соответственно все сообщения имеют адресацию, и сообщения могут адресоваться всем устройствам, либо какому-то отдельному, но в любом случае - сообщение пройдет через все устройства, а уж каждое из них само решит - оставить его или нет.

Вот в нескольких словах о примере четвертого уровня доступа протоколов TCP/IP, это наиболее распространенный вариант. Можно сказать о том, что такая сеть проста, но имеет ряд недостатков, заключающихся в том, что когда в сети возникает много активных пользователей, то учащаются столкновения сообщений и пропускная способность существенно снижается.

Следует обратить внимание, что когда мы говорим Internet - сеть, то это также верно, как и то, что TCP/IP - протокол. То есть Internet - это объединение сетей.

С этой точки зрения можно выделить два вида компьютеров, которые можно выделить в сети:

Это хост-компьютеры (host) и шлюзы (gate). В двух словах покажем, что есть что. Реально, каждый из компьютеров, который работает в сети, может классифицироваться по двум признакам. Если в компьютере расположена только одна сетевая карта или интерфейс, то это хост-компьютер и обычно он принадлежит какой-нибудь одной сети. Если в компьютере находятся две и более сетевых карт, при этом каждая из карт подключается к своей сети, то такой компьютер называется компьютером-шлюзом. Соответственно, через шлюзы можно объединять сети.

То есть, если смотреть с точки зрения принадлежности к сетям - хост принадлежит одной сети, а шлюз принадлежит сразу двум или более сетям. Через шлюзы осуществляется взаимодействие между компьютерами в различных сетях. И этот механизм объединения и доступа является одной из отличительных черт Интернета, которая базируется на межсетевом уровне TCP/IP, который в свою очередь базируется на протоколе IP.

Основная функция протокола IP - уникальная межсетевая адресация. Одним из основных свойств или качеств IP-протокола является IP-адрес. Это адрес, который приписывается как конкретной сети, так и конкретному компьютеру в сети. Исходя из этого, мы можем сказать, что шлюз - это компьютер, имеющий два или более IP-адреса (адрес в одной сети и в другой сети), хост - компьютер, имеющий один IP-адрес. Также, в функции IP входит маршрутизация, то есть выбор пути, по которому будут передаваться сообщения, определение базовых блоков данных (они называются дейтаграммы), которые передаются, и взаимодействие с транспортным уровнем и уровнем доступа к сети. Соответственно, в связи с этим взаимодействием возможна фрагментация и дефрагментация дейтаграмм.

Два слова об IP-адресации. IP-адрес - это четырехбайтовый код, в котором может размещаться информация об адресе сети и об адресе компьютера в сети. Существует несколько категорий IP-адресов:

Класс А.

0
1 байт		2 байт	3 байт	4 байт

Первый байт кодирует номер сети, при этом его старший бит является нулевым (это признак класса А), остальные биты определяют номер сети. Сетей класса А может быть 126 штук. Соответственно, последние три байта - номер компьютера в сети. Сети класса А - гигантские сети, которые могут принадлежать крупнейшим корпорациям.

Класс B.

1	0
1 байт			2 байт	3 байт	4 байт

Признак класса B - старшие два бита равны “10”. Для нумерации сети используется остаток первого и целиком второй байт. 3 и 4 байты - номер компьютера в сети. Это также большие сети, их может быть большое количество, но также ограниченное.

Класс C.

1	1	0
1 байт				2 байт		3 байт		4 байт

Признак класса C - старшие три бита равны “110”. Для нумерации сети используются: остаток первого байта, второй и третий байты целиком. Номер компьютера определяется четвертым байтом. Соответственно, класс C представляет гигантское количество небольших сетей.